一種用于無(wú)人機(jī)巡檢航跡規(guī)劃的智能桿塔連通圖構(gòu)建方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種用于無(wú)人機(jī)巡檢航跡規(guī)劃的智能桿塔連通圖構(gòu)建方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 架空線(xiàn)路巡檢是電網(wǎng)公司對(duì)輸電線(xiàn)路日常維護(hù)的基本工作，巡檢方式可分為人工 巡檢、有人直升機(jī)巡檢以及無(wú)人機(jī)巡檢。盡管人工巡檢是最常用的巡檢方式，但一直存在著 效率較慢、受氣候地理環(huán)境制約等不足，機(jī)巡方式正被廣泛研究與應(yīng)用，尤其無(wú)人機(jī)巡檢的 安全高效特性，架空電力線(xiàn)路巡檢飛行機(jī)器人（Flying Robot For Overhead Power-line Inspection，F(xiàn)R0PI)具有越來(lái)越大的應(yīng)用價(jià)值。
[0003] 無(wú)人機(jī)系統(tǒng)包括了無(wú)人機(jī)機(jī)體平臺(tái)、任務(wù)載荷及數(shù)據(jù)無(wú)線(xiàn)傳輸三個(gè)部分。目前應(yīng) 用于輸電線(xiàn)路巡檢的無(wú)人機(jī)平臺(tái)主要包括微型多旋翼無(wú)人機(jī)機(jī)，無(wú)人機(jī)直升機(jī)等；任務(wù)載 荷主要包括負(fù)責(zé)巡檢成像設(shè)備，如可見(jiàn)光攝像機(jī)、紅外熱像儀等；無(wú)線(xiàn)傳輸主要包括對(duì)遙控 指令的傳輸（數(shù)傳），以及高帶寬的圖像數(shù)據(jù)傳輸（圖傳），統(tǒng)稱(chēng)為測(cè)控?cái)?shù)據(jù)鏈。
[0004] 無(wú)人機(jī)系統(tǒng)是輸電線(xiàn)路巡檢工作的主體，無(wú)人機(jī)自主巡線(xiàn)過(guò)程首先要確定巡視區(qū) 域，在獲取到精確的線(xiàn)路地理坐標(biāo)的基礎(chǔ)上，根據(jù)拍攝角度及飛行安全距離規(guī)劃無(wú)人機(jī)飛 行航線(xiàn)，無(wú)人機(jī)按照提前上傳的飛行航線(xiàn)由起/降點(diǎn)出發(fā)對(duì)線(xiàn)路進(jìn)行巡檢飛行。無(wú)人機(jī)在 巡視過(guò)程中既要盡可能的獲取到理想的巡檢數(shù)據(jù)，又要確保飛行的絕對(duì)安全可靠，無(wú)人機(jī) 飛行區(qū)域及飛行航線(xiàn)直接影響著巡檢質(zhì)量、巡檢效率甚至是無(wú)人機(jī)飛行及架空線(xiàn)路的安 全，因此輸電線(xiàn)路無(wú)人機(jī)任務(wù)規(guī)劃起著至關(guān)重要的作用。同時(shí)，架空輸電線(xiàn)路多分布在山 區(qū)，存在交叉跨越區(qū)域，區(qū)域較大范圍內(nèi)的輸電線(xiàn)路錯(cuò)綜復(fù)雜，因此在大區(qū)域內(nèi)的輸電線(xiàn)路 網(wǎng)選擇最佳的巡檢線(xiàn)路對(duì)提尚無(wú)人機(jī)作業(yè)效率、提尚能效比及安全飛彳丁起著關(guān)鍵作用。
[0005] 目前針對(duì)輸電線(xiàn)路無(wú)人機(jī)巡檢的任務(wù)規(guī)劃大多采用人工手動(dòng)規(guī)劃方式，此種方式 雖然確保了無(wú)人機(jī)的飛行安全，但是效率較低，無(wú)法滿(mǎn)足大規(guī)模無(wú)人機(jī)巡檢的需要，同時(shí)手 動(dòng)規(guī)劃方式很難在大區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)規(guī)劃。
[0006] 無(wú)人機(jī)智能巡線(xiàn)任務(wù)規(guī)劃首先需要對(duì)整個(gè)架空線(xiàn)路區(qū)域內(nèi)的所有桿塔位置構(gòu)建 一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，以便進(jìn)行智能算法規(guī)劃。
[0007] 中國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)201410283175. 8公開(kāi)了一種輸電線(xiàn)路及走廊的高精度三維重建方 法。通過(guò)機(jī)載激光雷達(dá)采集輸電線(xiàn)路及走廊的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，對(duì)三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)，剔 除了錯(cuò)誤的點(diǎn)和高程異常的點(diǎn)，并利用基于體素分類(lèi)方法將三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)分類(lèi)， 算法最后對(duì)輸電線(xiàn)路及走廊進(jìn)行自動(dòng)三維重建。
[0008] 中國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)201310676886. 7公開(kāi)了一種基于Dubins路徑和稀疏A*搜索的無(wú) 人機(jī)航跡規(guī)劃算法。將Dubins路徑與稀疏A*搜索算法相結(jié)合，采用Dubins路徑長(zhǎng)度作為 稀疏A*搜索算法的啟發(fā)函數(shù)，并利用該啟發(fā)函數(shù)搜索空間中的節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)的航跡規(guī) 劃。
[0009] 上述技術(shù)方案的缺陷在于：1、現(xiàn)有的架空輸電線(xiàn)路自主任務(wù)規(guī)劃手段主要靠人工 手動(dòng)規(guī)劃方式，效率較低，無(wú)法滿(mǎn)足大區(qū)域復(fù)雜線(xiàn)路的巡查的需求；2、航跡規(guī)劃一般只做單 程任務(wù)規(guī)劃，即只在去往單程線(xiàn)路上進(jìn)行巡檢，返航過(guò)程中并無(wú)進(jìn)行任務(wù)巡查，因此造成了 能耗浪費(fèi)；3、在有交叉跨越的輸電線(xiàn)路網(wǎng)中，人工手動(dòng)規(guī)劃方法很難從全局考慮尋找出最 佳巡視線(xiàn)路，使得在完成所有線(xiàn)路巡視的前提下飛行距離最短。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的是提供一種用于無(wú)人機(jī)巡檢航跡規(guī)劃的智能 桿塔連通圖構(gòu)建方法。
[0011] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種用于無(wú)人機(jī)巡檢航跡規(guī)劃的智能桿塔連通 圖構(gòu)建方法，該連通圖構(gòu)建方法包括如下步驟：
[0012] A、采用一元非線(xiàn)性回歸預(yù)測(cè)方法，對(duì)輸電線(xiàn)路桿塔分布進(jìn)行預(yù)測(cè)，生成若干條桿 塔線(xiàn)路，每條桿塔線(xiàn)路覆蓋若干桿塔；
[0013] 該步驟中，首先將三維空間模型簡(jiǎn)化到二維空間模型，采用一元非線(xiàn)性回歸預(yù)測(cè) 方法，對(duì)輸電線(xiàn)路桿塔分布進(jìn)行預(yù)測(cè)；預(yù)測(cè)方式采用置信區(qū)間方式，根據(jù)歷史桿塔數(shù)據(jù)（響 應(yīng)變量）對(duì)新輸入數(shù)據(jù)（解釋變量）進(jìn)行預(yù)測(cè)及判定。由于桿塔分布的特殊性，總結(jié)為特 殊情況種類(lèi)，并對(duì)確定每種特殊情況的存在條件，以便在算法處理過(guò)程中進(jìn)行分類(lèi)。
[0014] B、利用桿塔分布的臨界情況，使若干條桿塔線(xiàn)路連通形成線(xiàn)路連通圖；其中所述 臨界情況包括：交叉跨越情況、多條線(xiàn)路距離較近平行分布情況、桿塔轉(zhuǎn)向情況、桿塔分支 情況；
[0015] 該步驟中，若達(dá)到桿塔分布出現(xiàn)特殊情況而達(dá)到臨界條件，進(jìn)行臨界類(lèi)型判斷，并 進(jìn)行處理；將桿塔分布的臨界種類(lèi)分為以下幾種：
[0016] 交叉跨越情況：預(yù)測(cè)區(qū)間段內(nèi)出現(xiàn)多個(gè)點(diǎn)，超出了設(shè)定桿塔數(shù)，并且存在交叉點(diǎn)；
[0017] 多條線(xiàn)路距離較近平行分布情況：預(yù)測(cè)區(qū)間段內(nèi)出現(xiàn)多個(gè)點(diǎn)，超出了設(shè)定桿塔數(shù)， 但無(wú)交叉點(diǎn)；
[0018] 桿塔轉(zhuǎn)向情況：與預(yù)測(cè)方程相比，在預(yù)測(cè)區(qū)間內(nèi)出現(xiàn)唯一拐點(diǎn)；
[0019] 桿塔分支情況：與預(yù)測(cè)方程相比，在預(yù)測(cè)區(qū)間內(nèi)出現(xiàn)多個(gè)拐點(diǎn)。
[0020] C、構(gòu)建線(xiàn)路連通圖的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)。
[0021] 本發(fā)明通過(guò)線(xiàn)性回歸預(yù)測(cè)算法在僅有桿塔地理坐標(biāo)的情況下智能構(gòu)建桿塔連通 圖，以便進(jìn)行智能任務(wù)規(guī)劃。
[0022] 根據(jù)本發(fā)明另一【具體實(shí)施方式】，步驟A具體包括如下步驟：
[0023] AU降維處理：對(duì)三維桿塔地理坐標(biāo)進(jìn)行降維處理轉(zhuǎn)換為二維坐標(biāo)；設(shè)定原A桿塔 三維坐標(biāo)為（xt，y t，zt)，Xt表示桿塔三維空間經(jīng)度坐標(biāo)，yt表示桿塔煒度坐標(biāo)，z ,表示桿塔 所處海拔，則降維后A桿塔坐標(biāo)為（xt，yt);
[0024] A2、回歸方程的確立：應(yīng)用于輸電線(xiàn)路任務(wù)規(guī)劃的一元線(xiàn)性回歸預(yù)測(cè)模型公式如 下：
[0026] 式中Xt表示t時(shí)刻桿塔經(jīng)度坐標(biāo)，f表示t時(shí)刻估計(jì)煒度坐標(biāo)；
[0027] A3、取回歸預(yù)測(cè)步長(zhǎng)為N，得回歸方程中參數(shù)a，b的求解方程式如下：
[0029] 其中，
N為預(yù)測(cè)移動(dòng)步長(zhǎng)；由于兩基桿塔之間的距離在幾十米甚至上 百米不等，大多數(shù)情況為連續(xù)多基以桿塔所組成可近似直線(xiàn)段。
[0030] 根據(jù)本發(fā)明另一【具體實(shí)施方式】，步驟A3中，步長(zhǎng)N為5米-10米。
[0031] 根據(jù)本發(fā)明另一【具體實(shí)施方式】，步驟A進(jìn)一步包括步驟A4 :最佳預(yù)測(cè)擬合，通過(guò)最 佳擬合曲線(xiàn)確定桿塔坐標(biāo)所確定的曲線(xiàn)。由于除特殊情況外，該條曲線(xiàn)在一定的距離內(nèi)可 近似為直線(xiàn)，因此本發(fā)明中采用了一元線(xiàn)性回歸法。曲線(xiàn)擬合采用"最小二乘法"，即"殘差 平方和最小"來(lái)確定直線(xiàn)位置，從公式（1)來(lái)講，"最小二乘法-0LS"的估計(jì)方法應(yīng)盡量滿(mǎn) 足實(shí)際觀測(cè)值Yi與預(yù)測(cè)值的差值ei越小越好，ei表示公式如下：
[0033] 利用克萊姆法則求解得觀測(cè)值形式的OLS估計(jì)式為：
[0035] 根據(jù)上述處理結(jié)果擬合最終直線(xiàn)方程為：
[0037] 根據(jù)本發(fā)明另一【具體實(shí)施方式】，步驟A進(jìn)一步包括步驟A5 :構(gòu)建預(yù)測(cè)區(qū)間。由于 實(shí)際的桿塔所確定的曲線(xiàn)方程與預(yù)測(cè)方程存在一定程度的偏差，因此對(duì)Y值進(jìn)行了區(qū)間預(yù) 測(cè)，即構(gòu)建平均值的預(yù)測(cè)區(qū)間。根據(jù)桿塔分布情況，設(shè)定顯著性水平a，計(jì)算Y平均值的置 信度為Ι-a的預(yù)測(cè)區(qū)間。
[0038] 根據(jù)本發(fā)明另一【具體實(shí)施方式】，步驟C具體包括如下步驟：
[0039] CU建立桿塔矩陣，其中行列坐標(biāo)表示桿塔號(hào)，矩陣數(shù)據(jù)為桿塔地理位置信息；根 據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果將桿塔分為兩種類(lèi)型：節(jié)點(diǎn)桿塔與非節(jié)點(diǎn)桿塔；其中節(jié)點(diǎn)包括線(xiàn)路起止桿塔及 交叉桿塔；非節(jié)點(diǎn)桿塔即為僅屬于單一線(xiàn)路的內(nèi)部桿塔；
[0040] C2、對(duì)于節(jié)點(diǎn)桿塔，構(gòu)建節(jié)點(diǎn)桿塔鄰接表；
[0041] C3、對(duì)于非節(jié)點(diǎn)桿塔，進(jìn)行矩陣結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)，矩陣行坐標(biāo)表示所屬線(xiàn)路，列坐標(biāo)表示 桿塔號(hào)。
[0042] 步驟C2中，對(duì)于節(jié)點(diǎn)桿塔，由于桿塔數(shù)據(jù)量較大，考慮到算法存儲(chǔ)空間及算法效 率，采用鏈?zhǔn)酱鎯?chǔ)結(jié)構(gòu)-鄰接表。
[0043] 對(duì)于節(jié)點(diǎn)桿塔鄰接表的構(gòu)建過(guò)程如下：
[0044] C21、根據(jù)桿塔地理位置坐標(biāo)按參考方向進(jìn)行排序；
[0045] C22、對(duì)于每個(gè)桿塔頂點(diǎn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有如下屬性：
[0046] a、下標(biāo)：用于桿塔線(xiàn)路標(biāo)記；
[0047] b、前鄰接點(diǎn)：當(dāng)節(jié)點(diǎn)桿塔為交叉桿塔時(shí)，前鄰接點(diǎn)所在線(xiàn)路的上一鄰接線(xiàn)路；
[0048] c、后鄰接點(diǎn)：當(dāng)節(jié)點(diǎn)桿塔為交叉桿塔時(shí)，后鄰接點(diǎn)所在線(xiàn)路的下一鄰接線(xiàn)路。
[0049] 步驟C3中，對(duì)于非節(jié)點(diǎn)桿塔進(jìn)行矩陣結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)，矩陣行坐標(biāo)表示所屬線(xiàn)路，列坐 標(biāo)表示桿塔號(hào)。注意以下情況：
[0050] I、是否為頭結(jié)點(diǎn)：頭結(jié)點(diǎn)表示一條線(xiàn)路的端點(diǎn)之一；
[0051] II、是否為交叉節(jié)點(diǎn)：交叉點(diǎn)