CN112306078A - 一种无人机自动避障导线的方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及输电线路运行技术领域，具体涉及一种无人机自动避障导线的方法，方法包括：设置导线与无人机的安全距离阈值；三维激光雷达扫描得到导线的激光点云数据；解析导线的激光点云数据，识别出导线与地面参考物之间的三维点云数据，并同时对导线与地面参考物的点云数据进行分离，计算出导线与地面参考物之间的实际距离d；同时读取预存的无人机与地面参考物之间的空间距离D，进而计算得到无人机与导线的实际直线距离A；判断无人机与导线的实际直线距离A与安全距离阈值关系，进而实现对无人机的避障飞行。本发明提供的无人机自动避障导线的方法及系统，有效地保障了无人机巡线系统及输电线路的安全，大大提升了巡线作业的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及输电线路运行技术领域，具体涉及一种无人机自动避障导线的方法及系统。
背景技术
无人驾驶飞机(Unmanned Aerial Vehicle，UAV)又简称无人机，与传统的有人驾驶飞行器不同，是一种利用无线电远程遥控及机载的程序控制器操纵的不载人飞机。其最早出现于20世纪20年代，当时仅被用于作为军事训练中的靶机，此后经过近百年的不断发展，逐渐转向于侦查、攻击等各种多用途领域。由于其相对于载人飞机来说具有成本低、生存能力强、无人员伤亡风险、使用方便等优点，所以不止能在军事上发挥重要作用。
输电线(导线)规模大、覆盖范围广、所经过的地形环境复杂，需要定期对线路进行检测评估。因此，随着无人机雷达技术的不断发展，通过扫描得到的三维点云数据进行检测提升导线避障操作的技术也越来越广泛，中国专利CN109032182A公开了一种基于毫米波雷达的无人机避障系统及控制方法，虽然能够实现避障的功能，但是其导线避障可靠性较差，安全距离不易控制，其避障精度也不能满足技术要求。
发明内容
为了解决现有技术所存在的缺陷，本发明提供一种无人机自动避障导线的方法及系统，能够有效提高导线巡检的可靠性及避障精确性。
为解决上述技术问题，本发明提供以下技术方案：
第一方面，本发明提供一种无人机自动避障导线的方法，包括：
步骤S100：设置导线与无人机的安全距离阈值；
步骤S200：无人机获取需要巡检的导线的空间坐标位置，对需巡检的导线进行巡检；
步骤S300：三维激光雷达扫描得到导线的激光点云数据；
步骤S400：解析导线的激光点云数据，识别出导线与地面参考物之间的三维点云数据，并同时对导线与地面参考物的点云数据进行分离，计算出导线与地面参考物之间的实际距离d；同时读取预存的无人机与地面参考物之间的空间距离D，进而计算得到无人机与导线的实际直线距离A；
步骤S500：判断无人机与导线的实际直线距离A与安全距离阈值的关系；安全距离阈值包括第一安全距离阈值C和第二安全距离阈值ε，第一安全距离阈值C小于第二安全距离阈值ε；若实际直线距离A小于或等于C，则判定无人机的姿态离导线的距离过近，需要向飞控系统发送远离导线的控制指令；若实际直线距离A大于或等于ε，则判定无人机的姿态离导线的距离过远，需要向飞控系统发送靠近导线的控制指令；若实际直线距离A处于小于ε且大于C的范围时，则判定无人机的姿态离导线的距离正常，按照当前初始巡检路径上各飞行节点的空间坐标进行飞行；地面参考物是导线正头投下方的地面参考点。
进一步的，实际直线距离A等于无人机与地面参考物之间的空间距离D和导线与地面参考物之间的实际距离d做差。
进一步的，在步骤S500中，利用PID控制器计算控制距离参数，随后由嵌入式单元将控制距离参数发送相应的控制指令给飞控系统，飞控系统按照控制指令进行规避飞行。
进一步的，飞控系统按照控制指令进行规避飞行，具体操作步骤为：飞控系统获取控制指令，并根据控制指令解析控制信号执行飞控操作。
进一步的，在步骤S500中，利用PID控制器计算控制距离参数，具体包括以下操作步骤：
步骤S510：获取被跟踪导线的当前位置描述信息，当前位置描述信息为表征被跟踪导线与无人机的当前相对位置关系的信息；
步骤S520：根据当前位置描述信息与参考位置描述信息之间的差异输出对应的控制信息，并根据控制信息对无人机的位置和/或姿态进行控制，以使无人机与被跟踪导线之间的位置关系保持在实际直线距离A处于小于ε且大于C范围内的相对位置关系。
进一步的，PID控制器还包括通过获取当前的飞行参数进行相应的飞控操作动作，具体包括以下操作步骤：
步骤S530：基于飞行空速、飞行攻角动态调整PID控制器进行PID控制运算的控制系数，得到需要调整的目标姿态角；
步骤S540：根据调整的目标姿态角、当前的实际姿态角度确定姿态角偏差值；
步骤S550：向PID控制器输入姿态角偏差值，以使PID控制器根据姿态角偏差值进行PID控制运算，将无人机的姿态角度调整到目标姿态角。
进一步的，目标姿态角包括俯仰角、横滚角以及航向角。
进一步的，PID控制器还包括对航向角的偏差预警处理操作，具体包括如下操作步骤：
步骤S600：设置有参考杆，参考杆与无人机的长度方向的主梁方向校准一致；
步骤S700：通过激光雷达设备扫描机载参考杆和地面参考物上的纵轴获得以上两项的激光点云数据，然后对比两者的点云数据，通过图像识别算法得到参考杆与地面参考物的纵轴的标准轴偏角；
步骤S800：同时获得传感器测得的航向角，将航向角换算成无人机与参考物的纵轴之间的轴向偏向角度；当实际的轴向偏向角度-标准轴偏角大于标准阈值时，则认定当前无人机的航向角检测偏差较大需要进行报警调整。
进一步的，参考杆的表面沿着其长度方向上间隔设置有多个便于激光雷达设备识别的标识物；标识物包括激光反射板。
另一方面，本发明还提供了一种无人机自动避障导线的系统，包括依次连接的参数设置模块、初始巡检路线模块、扫描模块、点云数据获取模块、解析运算模块以及避障飞行控制模块；
参数设置模块，用于设置导线与无人机的安全距离阈值；
初始巡检路线模块，用于通过无人机获取需要巡检的导线的空间坐标位置，同时导航飞行到需巡检的导线位置上并开始巡检；
点云数据获取模块，用于获取三维激光雷达扫描得到导线的激光点云数据；
解析运算模块，用于解析导线的激光点云数据，识别出导线与地面参考物之间的三维点云数据，并同时对导线与地面参考物的点云数据进行分离，计算出导线与地面参考物之间的实际距离d；同时读取预存的无人机与地面参考物之间的空间距离D，进而计算得到无人机与导线的实际直线距离A；
避障飞行控制模块，用于判断无人机与导线的实际直线距离A与安全距离阈值关系；其中，安全距离阈值包括第一安全距离阈值C和第二安全距离阈值ε，其中第一安全距离阈值C小于第二安全距离阈值ε；若实际直线距离A小于或等于C，则判定无人机的姿态离导线的距离过近，需要向飞控系统发送远离导线的控制指令；若实际直线距离A大于或等于ε，则判定无人机的姿态离导线的距离过远，需要向飞控系统发送靠近导线的控制指令；若实际直线距离A处于小于ε且大于C范围时，则判定无人机的姿态离导线的距离正常，按照当前初始巡检路径上各飞行节点的空间坐标进行飞行；地面参考物是导线正头投下方的地面参考点。
本发明实施例有益效果：
本发明提供的无人机自动避障导线的方法及系统，有效地保障了无人机巡线系统及输电线路的安全，提升巡线作业的可靠性。通过该避障方法不仅可以避免无人机与输电线过近碰撞问题，同时也可以避免无人机与输电线过远而影响了图像的拍摄效果，提高避障的准确性；另外，利用PID控制器计算控制距离参数，同时还包括对航向角的偏差预警处理等操作，进而显著地提高飞行控制精度和工作效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的一种无人机自动避障导线的方法的主要操作流程图；
图2为本发明的一种无人机自动避障导线的方法的中的前续局部控制操作流程图；
图3为本发明的一种无人机自动避障导线的方法的中的后续局部控制操作流程图；
图4为本发明的一种无人机自动避障导线的方法的中的航向角的偏差预警处理操作流程图；
图5为本发明的无人机自动避障导线的无人机自动避障导线的系统结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一：
本发明提供了一种无人机自动避障导线的方法，可以应用于服务器，用于对导线与无人机的安全距离进行控制，保障得到最安全可靠的飞行路径。
下面将结合具体实施方式，对本发明的一种无人机自动避障导线的方法进行详细的说明，如图1所示，具体步骤如下：
步骤S100：设置导线与无人机的安全距离阈值；
步骤S200：无人机获取需要巡检的导线的空间坐标位置，同时导航飞行到需巡检的导线位置上并开始巡检；
步骤S300：三维激光雷达扫描得到导线的激光点云数据；
步骤S400：解析导线的激光点云数据，识别出导线与地面参考物之间的三维点云数据，并同时对导线与地面参考物的点云数据进行分离，计算出导线与地面参考物之间的实际距离d；同时读取预存的无人机与地面参考物之间的空间距离D，进而计算得到无人机与导线的实际直线距离A；
步骤S500：判断无人机与导线的实际直线距离A与安全距离阈值的关系；安全距离阈值包括第一安全距离阈值C和第二安全距离阈值ε，第一安全距离阈值C小于第二安全距离阈值ε；若实际直线距离A小于或等于C，则判定无人机的姿态离导线的距离过近，需要向飞控系统发送远离导线的控制指令；若实际直线距离A大于或等于ε，则判定无人机的姿态离导线的距离过远，需要向飞控系统发送靠近导线的控制指令；若实际直线距离A处于小于ε且大于C的范围时，则判定无人机的姿态离导线的距离正常，按照当前初始巡检路径上各飞行节点的空间坐标进行飞行；地面参考物是导线正头投下方的地面参考点。
在本实施例中，实际直线距离A等于无人机与地面参考物之间的空间距离D和导线与地面参考物之间的实际距离d做差。
在本实施例中，在步骤S500中，利用PID控制器计算控制距离参数，随后由嵌入式单元将控制距离参数发送相应的控制指令给飞控系统，飞控系统按照控制指令进行规避飞行。
需要说明的是，在本发明实施例的具体技术方案中，利用PID控制器计算控制距离参数是第一步计算操作，随后嵌入式单元将控制距离参数发送给飞控系统相应的控制指令，这样飞控系统按照上述控制指令进行规避飞行，从而实现了无人机的规避操作，当然控制距离参数涉及距离信息等。
在本实施例中，飞控系统按照控制指令进行规避飞行，具体操作步骤为：飞控系统获取控制指令，并根据控制指令解析控制信号执行飞控操作。
需要说明的是，在本发明实施例的具体技术方案中，飞控系统获取控制指令，并根据控制指令解析控制信号执行飞控操作，因此说上述飞控系统是最终的执行控制系统，实现对无人机的航向，飞行高度，飞行速度等信息的控制操作。
如图2所示，在步骤S500中，利用PID控制器计算控制距离参数，具体包括以下操作步骤：
步骤S510：获取被跟踪导线的当前位置描述信息，当前位置描述信息为表征被跟踪导线与无人机的当前相对位置关系的信息；
步骤S520：根据当前位置描述信息与参考位置描述信息之间的差异输出对应的控制信息，并根据控制信息对无人机的位置和/或姿态进行控制，以使无人机与被跟踪导线之间的位置关系保持在实际直线距离A处于小于ε且大于C范围内的相对位置关系。
如图3所示，PID控制器还包括通过获取当前的飞行参数进行相应的飞控操作动作，具体包括以下操作步骤：
步骤S530：基于飞行空速、飞行攻角动态调整PID控制器进行PID控制运算的控制系数，得到需要调整的目标姿态角；
步骤S540：根据调整的目标姿态角、当前的实际姿态角度确定姿态角偏差值；
步骤S550：向PID控制器输入姿态角偏差值，以使PID控制器根据姿态角偏差值进行PID控制运算，将无人机的姿态角度调整到目标姿态角。
进一步的，目标姿态角包括俯仰角、横滚角以及航向角。
如图4所示，PID控制器还包括对航向角的偏差预警处理操作，具体包括如下操作步骤：
步骤S600：设置有参考杆，参考杆与无人机的长度方向的主梁方向校准一致；
步骤S700：通过激光雷达设备扫描机载参考杆和地面参考物上的纵轴获得以上两项的激光点云数据，然后对比两者的点云数据，通过图像识别算法得到参考杆与地面参考物的纵轴的标准轴偏角；
步骤S800：同时获得传感器测得的航向角，将航向角换算成无人机与参考物的纵轴之间的轴向偏向角度；当实际的轴向偏向角度-标准轴偏角大于标准阈值时，则认定当前无人机的航向角检测偏差较大需要进行报警调整。
另外，需要说明的是，本发明实施例所采用参考杆是一种具有高清激光扫描参数价值的参考标识物，其参考杆的表面沿着其长度方向上间隔设置有多个便于激光雷达设备识别的标识物；标识物包括激光反射板。
需要说明的是，本发明实施例所采用的无人机优选为四轴无人机；研究发现四轴无人机的姿态角获取通常是通过陀螺仪传感器或者IMU传感器获取；然后对获取四轴无人机中姿态传感器的姿态数据进行滤波融合，得到当前的姿态信息，姿态信息包括当前的姿态角；然后PID控制方法对四轴无人机进行控制，将当前姿态信息与目标姿态信息的偏差值作为角度PID控制器的输入量，根据当前角速度与角度PID控制器输出量的差值输入角速度PID控制器，角速度PID控制器输出控制电机，直至四轴无人机达到目标姿态。
但是研发人员发现传统的航向角检测容易出现偏差，主要原因是航向角检测只是参考了地理空间坐标，其检测手段比较单一；对此，本发明实施例重要的改进点之一在于，提出了一种创新的航向角的偏差预警处理方案，其主要的原理和主要的技术手段是：在无人机的前方处设置有参考杆，参考杆是与无人机的长度方向的主梁方向校准一致的；此时，其无人机可以通过激光雷达设备扫描机载参考杆和地面参考物上的纵轴获得以上两项的激光点云数据，然后对比两者的点云数据，通过图像识别算法(例如神经网络深度学习算法)得到参考杆与地面参考物的纵轴的标准轴偏角；具体技术方案如下，同时获取含有地面参考物和参考杆的点云数据；识别出地面参考物的纵轴的点云数据；地面参考物是预先设置在输电线路所处地面的标志物，其表面为参考物所在平面，其表面上设置经过与预设参考杆塔的坐标校正后的纵轴坐标，由此可以计算得到参考杆与地面参考物的纵轴的标准轴偏角；同时获得传感器测得的航向角，将航向角换算成无人机与参考物的纵轴之间的轴向偏向角度(由航向角可以解算出无人机在地理空间的相对坐标，进而可以得到无人机相对预设参考杆塔的相对坐标，同时参考物的纵轴的地理坐标已知(且其相对预设参考杆塔的相对坐标也可以计算得到)，这样就可以计算得到无人机与参考物的纵轴的相对坐标，进而通过无人机与参考物的纵轴的相对坐标得到轴向偏向角度)；当实际的轴向偏向角度-标准轴偏角(点云数据获取的标准轴偏角)大于标准阈值时，则认定当前无人机的航向角检测偏差较大，需要进行报警调整；
本发明实施例对航向角进行实时测量检测，对超出安全角度的情况进行报警与修正。上述方法易于实现，稳定性高，提高了航向角的测量效率与准确度，通过实时监控航向角，对无人机姿态进行更高精度的调整。
如图5所示，基于相同的技术构思，本发明还提供了一种无人机自动避障导线的系统，包括依次连接的参数设置模块、初始巡检路线模块、扫描模块、点云数据获取模块、解析运算模块以及避障飞行控制模块；
参数设置模块，用于设置导线与无人机的安全距离阈值；
初始巡检路线模块，用于通过无人机获取需要巡检的导线的空间坐标位置，同时导航飞行到需巡检的导线位置上并开始巡检；
点云数据获取模块，用于获取三维激光雷达扫描得到导线的激光点云数据；
解析运算模块，用于解析导线的激光点云数据，识别出导线与地面参考物之间的三维点云数据，并同时对导线与地面参考物的点云数据进行分离，计算出导线与地面参考物之间的实际距离d；同时读取预存的无人机与地面参考物之间的空间距离D，进而计算得到无人机与导线的实际直线距离A；
避障飞行控制模块，用于判断无人机与导线的实际直线距离A与安全距离阈值关系；其中，安全距离阈值包括第一安全距离阈值C和第二安全距离阈值ε，其中第一安全距离阈值C小于第二安全距离阈值ε；若实际直线距离A小于或等于C，则判定无人机的姿态离导线的距离过近，需要向飞控系统发送远离导线的控制指令；若实际直线距离A大于或等于ε，则判定无人机的姿态离导线的距离过远，需要向飞控系统发送靠近导线的控制指令；若实际直线距离A处于小于ε且大于C范围时，则判定无人机的姿态离导线的距离正常，按照当前初始巡检路径上各飞行节点的空间坐标进行飞行；地面参考物是导线正头投下方的地面参考点。
在本发明提供的实施例中，还提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质内存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述任一方法的步骤。在本发明提供的又一实施例中，还提供了一种包含指令的计算机程序产品，当其在计算机上运行时，使得计算机执行上述实施例中任一方法。
在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例的流程或功能。计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(DSL))或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输。计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)、或者半导体介质(例如固态硬盘Solid State Disk(SSD))等。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种无人机自动避障导线的方法，其特征在于，包括：
步骤S100：设置导线与无人机的安全距离阈值；
步骤S200：无人机获取需要巡检的导线的空间坐标位置，对需巡检的导线进行巡检；
步骤S300：三维激光雷达扫描得到导线的激光点云数据；
步骤S400：解析导线的激光点云数据，识别出导线与地面参考物之间的三维点云数据，并同时对导线与地面参考物的点云数据进行分离，计算出导线与地面参考物之间的实际距离d；同时读取预存的无人机与地面参考物之间的空间距离D，进而计算得到无人机与导线的实际直线距离A；
步骤S500：判断无人机与导线的实际直线距离A与安全距离阈值的关系；安全距离阈值包括第一安全距离阈值C和第二安全距离阈值ε，第一安全距离阈值C小于第二安全距离阈值ε；若实际直线距离A小于或等于C，则判定无人机的姿态离导线的距离过近，需要向飞控系统发送远离导线的控制指令；若实际直线距离A大于或等于ε，则判定无人机的姿态离导线的距离过远，需要向飞控系统发送靠近导线的控制指令；若实际直线距离A处于小于ε且大于C的范围时，则判定无人机的姿态离导线的距离正常，按照当前初始巡检路径上各飞行节点的空间坐标进行飞行；地面参考物是导线正头投下方的地面参考点。
2.根据权利要求1所述的无人机自动避障导线的方法，其特征在于，实际直线距离A等于无人机与地面参考物之间的空间距离D和导线与地面参考物之间的实际距离d做差。
3.根据权利要求1所述的无人机自动避障导线的方法，其特征在于，在步骤S500中，利用PID控制器计算控制距离参数，随后由嵌入式单元将控制距离参数发送相应的控制指令给飞控系统，飞控系统按照控制指令进行规避飞行。
4.根据权利要求3所述的无人机自动避障导线的方法，其特征在于，飞控系统按照控制指令进行规避飞行，具体操作步骤为：飞控系统获取控制指令，并根据控制指令解析控制信号执行飞控操作。
5.根据权利要求4所述的无人机自动避障导线的方法，其特征在于，在步骤S500中，利用PID控制器计算控制距离参数，具体包括以下操作步骤：
步骤S510：获取被跟踪导线的当前位置描述信息，当前位置描述信息为表征被跟踪导线与无人机的当前相对位置关系的信息；
步骤S520：根据当前位置描述信息与参考位置描述信息之间的差异输出对应的控制信息，并根据控制信息对无人机的位置和/或姿态进行控制，以使无人机与被跟踪导线之间的位置关系保持在实际直线距离A处于小于ε且大于C范围内的相对位置关系。
6.根据权利要求5所述的无人机自动避障导线的方法，其特征在于，PID控制器还包括通过获取当前的飞行参数进行相应的飞控操作动作，具体包括以下操作步骤：
步骤S530：基于飞行空速、飞行攻角动态调整PID控制器进行PID控制运算的控制系数，得到需要调整的目标姿态角；
步骤S540：根据调整的目标姿态角、当前的实际姿态角度确定姿态角偏差值；
步骤S550：向PID控制器输入姿态角偏差值，以使PID控制器根据姿态角偏差值进行PID控制运算，将无人机的姿态角度调整到目标姿态角。
7.根据权利要求6所述的无人机自动避障导线的方法，其特征在于，目标姿态角包括俯仰角、横滚角以及航向角。
8.根据权利要求7所述的无人机自动避障导线的方法，其特征在于，PID控制器还包括对航向角的偏差预警处理操作，具体包括如下操作步骤：
步骤S600：设置有参考杆，参考杆与无人机的长度方向的主梁方向校准一致；
步骤S700：通过激光雷达设备扫描机载参考杆和地面参考物上的纵轴获得以上两项的激光点云数据，然后对比两者的点云数据，通过图像识别算法得到参考杆与地面参考物的纵轴的标准轴偏角；
步骤S800：同时获得传感器测得的航向角，将航向角换算成无人机与参考物的纵轴之间的轴向偏向角度；当实际的轴向偏向角度-标准轴偏角大于标准阈值时，则认定当前无人机的航向角检测偏差较大需要进行报警调整。
9.根据权利要求7所述的无人机自动避障导线的方法，其特征在于，参考杆的表面沿着其长度方向上间隔设置有多个便于激光雷达设备识别的标识物；标识物包括激光反射板。
10.一种无人机自动避障导线的系统，其特征在于，包括依次连接的参数设置模块、初始巡检路线模块、扫描模块、点云数据获取模块、解析运算模块以及避障飞行控制模块。
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