一種基于串結(jié)構(gòu)的自主巡檢路徑規(guī)劃方法

李小寧 郭光瑞

摘要：本文介紹了一種基于串結(jié)構(gòu)的自主巡檢路徑規(guī)劃方法，通過對串結(jié)構(gòu)的最短路徑進行路徑規(guī)劃，并對串結(jié)構(gòu)進行排序，計算巡檢點順序，實現(xiàn)了桿塔巡檢的自動執(zhí)行。該方法能夠自動計算每個目標(biāo)點的安全距離上的拍攝點和無人機載荷的姿態(tài)，確保整個串結(jié)構(gòu)都能被拍攝到。同時，該方法能夠自動計算拍攝塔基、全塔和塔號等目標(biāo)點的拍攝點，具有選點少、自動化程度高的特點。通過使用該路徑規(guī)劃方法，可以降低人工選點的數(shù)量，同時提高巡檢的效率和質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：無人機；桿塔；線路；巡檢；路徑；規(guī)劃；串結(jié)構(gòu)

針對輸電線路巡檢作業(yè)，國網(wǎng)公司提出加強巡檢技術(shù)應(yīng)用，以取代傳統(tǒng)的依靠人力為主的巡檢方式。這種技術(shù)應(yīng)用具有巡視范圍廣、巡檢手段全面和作業(yè)效率高的優(yōu)勢。隨著該技術(shù)在電力行業(yè)的廣泛應(yīng)用，對電力巡檢的智能化和自主化水平提出了更高要求。

目前，應(yīng)輸電線路巡檢的技術(shù)應(yīng)用多種多樣，其中大疆產(chǎn)品應(yīng)用最為廣泛。然而，大疆類產(chǎn)品自帶的軟件并不專門針對電網(wǎng)應(yīng)用需求而研制，導(dǎo)致在真實巡檢作業(yè)中存在一些問題。例如，巡檢作業(yè)主要依賴手機獲取影像，并要求無人機的位置精確，這限制了每次作業(yè)的效率。此外，目前的巡檢作業(yè)大多為手控方式，缺乏智能化，且操作風(fēng)險較高。專業(yè)人員稀缺和人工成本的制約也限制了輸電線路巡檢的規(guī)模發(fā)展。

另外，國內(nèi)其他電力桿塔自主規(guī)劃算法多以點云上某個目標(biāo)點作為算法輸入，需要人工或算法獲得更多的目標(biāo)點，并進行無人機和載荷的姿態(tài)設(shè)計。

鑒于上述問題，本文旨在提出一種基于串結(jié)構(gòu)的自主巡檢路徑規(guī)劃方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)方案中基于點的航跡規(guī)劃需要人工選取點云的問題，同時也解決無人機和載荷姿態(tài)需要人工調(diào)節(jié)的困難，這兩個問題增加了人工成本并引入了人為誤差。本文將通過算法設(shè)計、航線仿真、航線導(dǎo)出，以及算法驗證結(jié)果四個方面來闡述基于串結(jié)構(gòu)的自主巡檢路徑規(guī)劃方法。

一、算法設(shè)計

本文所述的基于串結(jié)構(gòu)的自主巡檢路徑規(guī)劃方法以串結(jié)構(gòu)為最短路徑進行路徑規(guī)劃，并對串結(jié)構(gòu)進行排序，計算巡檢點順序，執(zhí)行桿塔巡檢。在串結(jié)構(gòu)巡檢過程中，路徑規(guī)劃的最短距離可能是指絕緣子串的長度，即沿著絕緣子串進行巡檢的最短路徑，以確保覆蓋所有檢查點。

（一）總體方法以串結(jié)構(gòu)為單位進行路徑規(guī)劃

根據(jù)串結(jié)構(gòu)的信息，將其作為最小的巡檢單元進行路徑規(guī)劃。同時，對串結(jié)構(gòu)進行排序，以確定巡檢順序；

判斷拍攝覆蓋范圍：根據(jù)串結(jié)構(gòu)的幅寬，計算串結(jié)構(gòu)端點的拍攝范圍是否能夠覆蓋整個塔。如果無法覆蓋，根據(jù)幅寬反算得到中間拍攝點，該點拍攝的照片能夠覆蓋整個串結(jié)構(gòu)。

計算拍照點和姿態(tài)：根據(jù)兩個地線掛點的位置，自動計算得到串結(jié)構(gòu)、塔基以及其他目標(biāo)點的拍照點。同時，根據(jù)目標(biāo)點的特點，可以自動計算出相應(yīng)的無人機和載荷姿態(tài)，以便進行合適的拍照操作。

計算其他目標(biāo)點的拍照點和姿態(tài)：除了串結(jié)構(gòu)和塔基等目標(biāo)點，還可以根據(jù)需要自動計算其他目標(biāo)點（如全塔）的拍照點和相應(yīng)的無人機和載荷姿態(tài)。

（二）具體方法

（1）參數(shù)輸入：在點云上拾取兩類串結(jié)構(gòu)，即絕緣子串和地線掛點。絕緣子串是有方向的線段組成的串結(jié)構(gòu)，地線掛點是單獨的點組成的特殊的串結(jié)構(gòu)。將塔上的左、中、右、上、中、下絕緣子串及最上面兩個地線掛點在拾取后得到各個點的三維坐標(biāo)和方向?qū)傩?，?gòu)造成算法需要的串結(jié)構(gòu)。

①定向：沿著線路走向的方向，分左右側(cè)。以線路走向為分界線，將各個串結(jié)構(gòu)區(qū)分出左右屬性。

②內(nèi)容：具有包含①中方向?qū)傩缘臈U塔左右側(cè)地線掛點和串結(jié)構(gòu)的xyh坐標(biāo)。對串結(jié)構(gòu)的方向?qū)傩悦枋隼缱髠?cè)地線掛點，右側(cè)中絕緣子串。這樣串結(jié)構(gòu)具有方向、屬性、三維位置坐標(biāo)，是進行后續(xù)計算的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。

（2）尋找桿塔最上面兩端的地線掛點：根據(jù)（1）中參數(shù)輸入的具有方向?qū)傩缘臈U塔左右側(cè)地線掛點和串結(jié)構(gòu)，遍歷查找到屬性為左側(cè)或右側(cè)地線掛點的串結(jié)構(gòu)。

（3）根據(jù)步驟（2）中兩個地線掛點信息，計算塔參數(shù)：方位角、單位向量、法向量、塔頂中心坐標(biāo)、塔基中心坐標(biāo)等。塔的單位向量是兩個地線掛點組成的向量歸一化后的單位向量v1；塔的法向量是v1沿著線路走向旋轉(zhuǎn)90度構(gòu)成的單位向量v2。

（4）將所有串拆分成左右串結(jié)構(gòu)的集合L1，L2。

（5）左右串結(jié)構(gòu)的集合L1，L2分別進行步驟（6）到（13）的操作。

（6）以串結(jié)構(gòu)為單位，計算所有串結(jié)構(gòu)的中心點。對于線段組成的串結(jié)構(gòu)，中心點是兩個端點坐標(biāo)的平均值；對于單點如地線掛點組成的串結(jié)構(gòu)，中心點就是本身。然后計算每兩串結(jié)構(gòu)中心點的距離，放在二維數(shù)組中，行列號都表示每個串結(jié)構(gòu)索引0，1…，存放的數(shù)據(jù)是行號點到列號點的距離。同時記錄高度值最大的值hmax和對應(yīng)點的索引號。

（7）步驟（6）中最大高度對應(yīng)的索引點作為起算點，尋找距離此點最近的點，將其索引放入新數(shù)組中。下次以此最近的點作為起算點，尋找距離此點最近且不在新數(shù)組中的點，將其索引放入新數(shù)組中。循環(huán)遍歷得到由高到低依次排序的存放由串結(jié)構(gòu)的有序數(shù)組。

（8）對有序數(shù)組中的串結(jié)構(gòu)計算對應(yīng)緩沖串結(jié)構(gòu)，即安全串結(jié)構(gòu)。通過沿著塔的單位向量的縮放平移，將串結(jié)構(gòu)平移至安全距離，得到串結(jié)構(gòu)對應(yīng)的安全串結(jié)構(gòu)，將得到的安全串結(jié)構(gòu)加入新數(shù)組，并逆序排列，形成從下往上的有序數(shù)組。這個有序數(shù)組表示的是在此位置相對桿塔是安全的，無論是做拍照動作還是做過渡飛行動作。有了安全距離上的航線基礎(chǔ)，才能進行進一步的拍照姿態(tài)的計算。沒有安全，其他動作無從談起。

（9）在安全串結(jié)構(gòu)上計算對原始串結(jié)構(gòu)的目標(biāo)拍照點，對步驟（8）中安全串的端點即無人機航點，計算無人機對著目標(biāo)點的無人機姿態(tài)和載荷姿態(tài)，并估算幅寬，對于兩個端點不能覆蓋到全串結(jié)構(gòu)的情況，根據(jù)串結(jié)構(gòu)長度反向計算中間拍照點，該點能夠拍攝全串結(jié)構(gòu)。要么兩個端點能夠覆蓋全串結(jié)構(gòu)，不需要增加輔助拍照點；要么兩個端點能夠覆蓋不了全串結(jié)構(gòu)，需要增加輔助拍照點，而這個輔助點是基于串中心點外延算出來的。

（10）通過沿著塔的單位向量的縮放旋轉(zhuǎn)平移，計算地線掛點的安全點，并計算無人機對著目標(biāo)點的無人機姿態(tài)和載荷姿態(tài)，即地線掛點拍照點。

（11）計算無人機載荷對準(zhǔn)塔基的點，即看塔基的點，并計算無人機對著目標(biāo)點的無人機姿態(tài)和載荷姿態(tài)，就是對塔基的拍照點。

（12）計算過渡點，用于安全地從上往下過渡。該點是左側(cè)串結(jié)構(gòu)上的端點、地線掛點、塔基三種點中距離塔中心點的水平投影距離最大，高度與塔頂一樣的點。選取從塔頂端飛行出于安全考慮，塔下方的環(huán)境包括人、建筑、植被等不確定因素，塔上方環(huán)境更多的是空曠天空。

（13）整理左側(cè)航線，依次為：過渡點，塔基拍照點，串結(jié)構(gòu)的目標(biāo)拍照點，地線掛點拍照點，過渡點。過渡點不拍照，姿態(tài)不做計算，用于無人機過渡航線用。

（14）計算進入全塔的點：看全塔的點，計算無人機對著全塔的無人機航點和載荷姿態(tài)，即全塔拍照點。桿塔的塔基到塔頂作為一個塔身的向量，塔身向天空方向加高h(yuǎn)米，計算無人機距離多遠(yuǎn)，俯視多少角度能看全這個塔。

（15）計算看塔號的點，并計算無人機對著目標(biāo)點的無人機姿態(tài)和載荷姿態(tài)，即塔號拍照點。塔號在點云上看不到，但是相同或類似塔形的桿塔塔號一般都在同一個位置。這里的塔號約定在塔頭位置?；趦蓚€地線掛點的中點沿著桿塔法向量延長一定長度，作為拍攝桿塔塔號的航點，將無人機的載荷向下俯視一定角度（基于不同塔型，角度有一個經(jīng)驗值）。以此得到無人機對著目標(biāo)點的無人機航點位置和載荷姿態(tài)。

（16）計算退出全塔的點：在塔正上方俯視塔基開始拍照或錄像的點，計算無人機對著目標(biāo)點的無人機姿態(tài)和載荷姿態(tài)，即導(dǎo)線拍照或錄像點。無人機以此點開始飛向下一個桿塔，在飛行過程中正對導(dǎo)線，通過視頻或拍照形式，記錄導(dǎo)線的此刻狀態(tài)。

（17）整理規(guī)劃航線。左側(cè)航線和右側(cè)航線重復(fù)6-13步驟，結(jié)合14-16的航點，得到規(guī)劃后的航線，整理順序依次為：全塔拍照點，左側(cè)航線，塔號拍照點，右側(cè)航線，導(dǎo)線拍照或錄像點。這里說的航線是針對一個桿塔的巡線航線，基于桿塔單元的航線將整條線路上所有桿塔的巡線航線連接起來，就是一整條無人機自動巡檢的航線。

二、航線仿真

航線仿真是指對設(shè)計好的巡檢單塔的航線進行模擬仿真，通過動畫演示來動態(tài)展示無人機的巡檢順序和姿態(tài)，并利用三維仿真來輔助預(yù)判航線的安全性和合理性。本文所述的基于串結(jié)構(gòu)的自主巡檢路徑規(guī)劃方法所得到的完整無人機自動巡檢航線在投入實際外場飛行之前，需要經(jīng)過航線仿真這一重要環(huán)節(jié)，而仿真模塊則顯得至關(guān)重要。仿真模塊具有兩個主要功能，即安全預(yù)警和飛行仿真。

安全預(yù)警，是指通過設(shè)置安全距離，并借助碰撞檢測算法來判斷各個航道和桿塔之間的距離是否在安全閾值范圍內(nèi)，從而對當(dāng)前的航跡規(guī)劃進行危險點檢測。危險點檢測的結(jié)果將直接展示在航線上，對航點和航線分別進行高亮標(biāo)注，并提供危險點的統(tǒng)計信息，包括危險點的起止航點、危險距離等信息，便于清晰統(tǒng)計。

飛行仿真，是指以無人機的第一人稱角度來觀察各個航點下無人機在該姿態(tài)下的載荷視線內(nèi)容，即觀察該位置處的串結(jié)情況。支持手動調(diào)整無人機航點和姿態(tài)參數(shù)，可實時調(diào)整載荷俯仰角和安全距離，得到調(diào)整后的視線內(nèi)容。仿真模塊在航點列表及點云視圖中刪除所選航點信息；選中航點列表中的某一航點數(shù)據(jù)后，該航點的飛機姿態(tài)、載荷姿態(tài)和安全距離信息會顯示在航點規(guī)劃參數(shù)設(shè)置相應(yīng)文本框中，可通過按鈕來修改具體數(shù)據(jù)。對于需要修改整塔安全距禇，可在“整塔安全距離”文本框中輸入數(shù)據(jù)后進行修改。

任何航線規(guī)劃后必須進行仿真，只有在安全性得到保證的基礎(chǔ)上再進行業(yè)務(wù)功能的驗證，才能確保實際外場飛行的正常完成。

三、航線導(dǎo)出

航線導(dǎo)出是指根據(jù)輸入的起始桿塔和終止桿塔，生成無人機飛行所需的航線格式。當(dāng)起始桿塔和終止桿塔相同時，即為巡檢單塔；否則，為巡檢特定桿塔線路。

航線導(dǎo)出包括兩種格式：①算法自定義格式：該格式的航線坐標(biāo)以測量坐標(biāo)系XYH為基準(zhǔn)，用于軟件內(nèi)部的導(dǎo)入和導(dǎo)出；②KML格式（大疆無人機支持）：該格式的航線坐標(biāo)使用相對坐標(biāo)系，相對于無人機起飛點，因此在導(dǎo)出前需要輸入無人機起飛點的高度。導(dǎo)出后，可以在支持KML格式的三維軟件中打開并進行預(yù)覽。

航線導(dǎo)出還支持雙機巡檢模式的選擇，包括異側(cè)同向和雙機異向：①異側(cè)同向：兩架無人機沿著桿塔線路的同一個側(cè)面、同一個方向飛行，分別巡檢相同桿塔的不同關(guān)鍵點；②雙機異向：飛行任務(wù)被劃分為兩個段落，每架無人機負(fù)責(zé)巡檢若干個桿塔，航線巡檢的桿塔不同。

根據(jù)飛行任務(wù)的需求，選擇相應(yīng)的雙機巡檢模式進行航線導(dǎo)出。

四、算法驗證結(jié)果

本文所述的基于串結(jié)構(gòu)的自主巡檢路徑規(guī)劃方法在飛行驗證過程中，設(shè)置安全距離為3或4米，并將算法得到的航線導(dǎo)出成大疆KML格式，然后使用大疆無人機進行實地飛行測試。盡管距離是安全的，但由于距離過近，在地線掛點處觸發(fā)了大疆避障功能。因此，選擇關(guān)閉避障功能以繼續(xù)航行。

在與其他同類軟件進行用戶試用時，基于串結(jié)構(gòu)的自主巡檢路徑規(guī)劃方法和軟件收到用戶的反饋，稱自動計算航線航點和姿態(tài)的流程自動化程度高。

該基于串結(jié)構(gòu)的自主巡檢路徑規(guī)劃方法已成功應(yīng)用于桿塔巡檢項目中。通過多次飛行巡檢任務(wù)，對規(guī)劃仿真數(shù)據(jù)和實際拍攝效果進行分析和經(jīng)驗值調(diào)整，例如調(diào)整拍攝塔頭的俯視角度。實際拍攝結(jié)果顯示，照片中的銷釘清晰可見，全塔拍攝完整，塔基拍攝清晰，絕緣子串拍攝完整，并且達(dá)到了預(yù)期的拍攝效果，絕緣子串和銷釘清晰可見。

五、結(jié)束語

相對于現(xiàn)有技術(shù)，本文所述的基于串結(jié)構(gòu)的自主巡檢路徑規(guī)劃方法具有多項優(yōu)勢。首先，該方法能夠自動計算每個目標(biāo)點上的安全拍照點以及無人機和載荷的姿態(tài)，確保整個串結(jié)構(gòu)都能被拍攝到。此外，該方法還能夠自動計算塔基、全塔、塔號等拍攝點，大大減少了人工選點的數(shù)據(jù)量，提高了路徑規(guī)劃的精度和效率。

這種基于串結(jié)構(gòu)的自主巡檢路徑規(guī)劃方法在工程實際中能夠滿足自動化巡檢的需求，并能夠顯著提升巡檢作業(yè)的效率。同時，通過應(yīng)用該方法，積累了關(guān)于自主巡檢的技術(shù)和經(jīng)驗，為未來研發(fā)通用的巡檢工具奠定了基礎(chǔ)。

作者單位：李小寧 郭光瑞 天津航天中為數(shù)據(jù)系統(tǒng)科技有限公司

參考文獻

[1]廖逍，李君海，胡浩瀚，等.一種電力桿塔巡檢用無人機自主巡檢方法： CN111256702A[P].2020.06.09

[2]魏明磊，王朗，林藝城.一種輸電線巡檢路徑規(guī)劃方法及系統(tǒng)： CN106327013A[P].2017.01.11

[3]毛先胤，馬曉紅，彭赤，等.一種基于激光點云的無人機自主巡檢絕緣子路徑規(guī)劃方法與流程： CN110780681A[P].2020.02.11

[4]羅顯躍，高吉普，龍征，等.一種巡檢機器人智能路徑規(guī)劃方法[J].湖南科技大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版， 2018（4）：75-82.

[5]張廣林，胡小梅，柴劍飛，等.路徑規(guī)劃算法及其應(yīng)用綜述[J].現(xiàn)代機械，2011（5）：85-90.

李小寧（1986.06-），女，漢族，河南安陽，碩士，中級工程師，研究方向：三維地理信息和無人機航跡規(guī)劃；

郭光瑞（1988.01-），男，漢族，山西運城，碩士，中級工程師，研究方向：測控數(shù)傳一體化地面站。