一种无人机巡检高压输电线路规划的方法技术

本发明专利技术提供了一种无人机巡检高压输电线路规划的方法，解决了无人机在经过高海拔地区、边远山区或沙漠、湖泊的高压输电线路进行巡检时，无人旋翼机对高压线路巡检需要人工设计巡检航点和轨迹，巡检效率不高、提供导航信息人工成本高的问题；本发明专利技术通过对采集到的图像信息进行预处理，通过高斯核滤波去噪，采用随机抽样一致算法曲线拟合高压线路，获取高压线路巡检规划，设计的反步法滑动模态控制的四旋翼飞行控制器按无人机巡检高压线路规划为无人机提供导航信息，实现了高压线路的准确识别，提升了无人旋翼机的鲁棒性和适应能力，大大提高了巡检精度。本发明专利技术适用于无人机巡检。本发明专利技术适用于无人机巡检。本发明专利技术适用于无人机巡检。

【技术实现步骤摘要】
一种无人机巡检高压输电线路规划的方法


[0001]本专利技术属于电力线路巡检
，特别涉及一种无人机巡检高压输电线路规划的方法。

技术介绍

[0002]电网系统是我国社会经济发展的重要支柱，输电线路是整个电力系统的重要组成部分。定时进行输电线路巡检可为电力系统的安全运行提供有力保障。然而中国疆域面积大，地形复杂多样，各种输电线路分布广泛，巡检工作量较大。特别是针对经过高海拔地区、边远山区或沙漠、湖泊的输电线路进行巡检时，传统人工巡检方式会面临操作难度大、花费时间长、工作效率低、作业成本高、工人面临的风险和工作强度也较高诸多问题，因此人工巡检方式越来越不能满足线路巡检需求。使用无人机进行复杂地形、长距离的输电线路精细化巡检工作，可以有效解决上述传统人工巡检存在的问题。
[0003]无人机具有成本低、操作简便等优点，其中四旋翼无人机还具有起降方式简单、可空中定点悬停等优势。通过搭载图像采集设备与信息传输设备，可在极端地形、恶劣环境下，克服地面人工巡检中的视野盲区和视觉误差，观察线路本体及杆塔本体的设备状况，及时、准确、高效的完成现场信息获取等任务，并将所采集的巡检信息实时传送到地面工作站，有效提高了巡检效率，降低了人力成本和巡检难度；但是，输电线路巡检工作环境复杂，对无人机的飞行控制系统有特殊需求：1、在无人机进行电路巡检时，避免对输电线路造成损坏的同时，要尽可能贴近线路，以提高检测效果；同时野外的工作环境可能会面临风力较大等恶劣天气，因此要提高无人机的姿态控制响应速度；2、在针对线路巡检时，要对输电线路进行跟踪，因此需要实时检测高压线路，以提供导航信息。

技术实现思路

[0004]为满足无人机的飞行控制系统有特殊需求，解决在无人机进行针对经过高海拔地区、边远山区或沙漠、湖泊的输电线路进行巡检时，避免对输电线路造成损坏，同时要对输电线路进行跟踪，实时检测高压线路，提供导航信息的问题；本专利技术提供了一种反步法滑动模态控制的四旋翼飞行控制器及系统，可以实现对输电线路及杆塔的精细化巡检。
[0005]本专利技术实施例提供了一种无人机巡检高压输电线路规划的方法，该方法包括如下步骤：
[0006]步骤1无人机对采集到的图像信息进行预处理，预处理是将原RGB模式的图像转换为灰度图，通过高斯滤波器除去原始图的噪声；
[0007]步骤2采用随机抽样一致算法曲线拟合高压线路，曲线拟合高压线路是采用随机抽样一致算法RANSAC曲线拟合获取目标高压线路巡检规划；
[0008]步骤3设计反步法滑动模态控制的四旋翼飞行控制器并执行所述目标高压巡检线路规划为无人机提供导航信息。
[0009]优选地，将原RGB模式的图像转换为灰度图像，定义灰度图像矩阵f(x，y)：
[0010]f(x，y)＝R(x，y)*0.299+G(x，y)*0.587+B(x，y)*0.114(1)
[0011]其中，(x，y)是像素集，R(x，y)、G(x，y)、B(x，y)分别是红色、绿色和蓝色回路的值。
[0012]其中，灰度图像再通过高斯滤波器滤除去原始图的噪声，获取滤波后元素的灰度值g(x，y)：
[0013][0014]其中，灰度化处理后的图像为f(x，y)，h(x，y)为高斯滤波器，
[0015]模板大小为(2a+1)(2b+1)，模板大小为高斯滤波通过一个高斯函数模板扫描图像中的每个像素。
[0016]优选地，曲线拟合高压线路是采用RANSAC曲线拟合获取目标高压线路巡检规划，采用RANSAC曲线拟合是通过拟合预处理后的灰度图像中的高压线路，定义三阶贝兹曲线。
[0017]优选地，曲线拟合高压线路，具体包括如下步骤：
[0018]步骤201通过获取抽样点，将目标图像从上到下分为连续的四个矩形，每个矩形各随机选取一个前景点，标记一个点n；
[0019]步骤202采用RANSAC曲线拟合，抽取4个前景点拟合贝兹样条曲线模型，定义三阶贝兹曲线：
[0020][0021]式中，t∈[0，1]，Q(0)＝p0，Q(1)＝p3，点p1和p2为曲线形状的控制点；
[0022]步骤203计算每个前景像素到拟合曲线的水平方向的距离之和，作为目标拟合曲线的拟合分数R：
[0023]其中，x
i
表示第i个像素点的横坐标，Q(t)为拟合曲线模型；
[0024]步骤204重复步骤一至步骤三m次数进行迭代，选择拟合分数最小的曲线模型作为最终输电线路识别结果。
[0025]优选地，步骤3设计反步法滑动模态控制的四旋翼飞行控制器，是建立在四旋翼状态空间方程的基础上，定义四旋翼飞行控制器分为z回路、ψ回路、x
‑
θ回路、y
‑
φ回路；根据所述z回路、ψ回路、x
‑
θ回路、y
‑
φ回路分别选择的滑模面，得到四个回路的滑模面；基于反步法递推得到所述四旋翼飞行器四个回路的控制律。
[0026]优选地，根据z回路、ψ回路、x
‑
θ回路、y
‑
φ回路分别选择的滑模面，得到四个回路的滑模面，具体如下步骤
[0027]步骤301定义轨迹误差变量z
i
：
[0028][0029]步骤302选取李雅普诺夫函数V：
[0030][0031]步骤303使用指数趋近律并选择滑模面；z回路、ψ回路、x
‑
θ回路、y
‑
φ回路选择的滑模面分别为：
[0032][0033]其中，式中α为待定的虚拟控制量，x
d
表示期望值。
[0034]优选地，根据z回路、ψ回路、x
‑
θ回路、y
‑
φ回路选择的滑模面基于反步法递推得到所述四旋翼飞行器四个回路的控制律；
[0035]步骤401定义四旋翼飞行控制器的状态空间表达式：
[0036][0037]其中，u＝[U
1 U
2 U
3 U4]T
，x1＝φ，x3＝θ，
……
，
……
式中分别表示地面坐标系下延x，y，z轴方向的速度；I
x
，I
y
，I
z
分别表示在x，y，z轴上的转动惯量分量；φ，θ，ψ分别表示绕x，y，z轴的滚转角、俯仰角、偏航角；分别表示绕x，y，z轴的角速度；
[0038]步骤402定义z回路的控制律
[0039]根据公式(5)得到将x8代入公式(7)所述滑模面s
z
＝z8＝x8‑
求导得到s
z
：
[0040][0041]步骤403经过推导公式(8)整理得到U1：
[0042]将指数趋近律代入U1，z回路的控制律U1：
[0043][0044]同理定义y
‑
φ回路的控制律：
[0045]根据公式(6)中定义的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种无人机巡检高压输电线路规划的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：步骤1无人机对采集到的图像信息进行预处理，所述预处理是将原RGB模式的图像转换为灰度图，通过高斯滤波器除去原始图的噪声；步骤2采用随机抽样一致算法曲线拟合高压线路，所述曲线拟合高压线路是采用RANSAC曲线拟合获取目标高压线路巡检规划；步骤3设计反步法滑动模态控制的四旋翼飞行控制器并执行所述目标高压巡检线路规划为无人机提供导航信息。2.根据权利要求1所述的一种无人机巡检高压输电线路规划的方法，其特征在于，所述将原RGB模式的图像转换为灰度图像，定义灰度图像矩阵f(x,y)：f(x,y)＝R(x,y)*0.299+G(x,y)*0.587+B(x,y)*0.114 (1)其中，(x,y)是像素集，R(x,y)、G(x,y)、B(x,y)分别是红色、绿色和蓝色回路的值。3.根据权利要求2所述的一种无人机巡检高压输电线路规划的方法，其特征在于，所述灰度图像再通过高斯滤波器滤除去原始图的噪声，获取滤波后元素的灰度值g(x,y)：其中，灰度化处理后的图像为f(x,y),h(x,y)为高斯滤波器，模板大小为(2a+1)(2b+1)，模板大小为高斯滤波通过一个高斯函数模板扫描图像中的每个像素。4.根据权利要求1所述的一种无人机巡检高压输电线路规划的方法，其特征在于，所述曲线拟合高压线路是采用RANSAC曲线拟合获取目标高压线路巡检规划，所采用RANSAC曲线拟合是通过拟合预处理后的灰度图像中的高压线路，定义三阶贝兹曲线。5.根据权利要求4所述的一种无人机巡检高压输电线路规划的方法，其特征在于，所述曲线拟合高压线路，还包括如下步骤：步骤201通过获取抽样点，将目标图像从上到下分为连续的四个矩形，每个矩形各随机选取一个前景点，标记一个点n；步骤202采用RANSAC曲线拟合，抽取4个前景点拟合贝兹样条曲线模型，定义三阶贝兹曲线：式中，t∈[0,1],Q(0)＝p0,Q(1)＝p3，点p1和p2为曲线形状的控制点；步骤203计算每个前景像素到拟合曲线的水平方向的距离之和，作为目标拟合曲线的拟合分数R:其中，x
i
表示第i个像素点的横坐标，Q(t)为拟合曲线模型；步骤204重复所述步骤一至步骤三m次数进行迭代，选择拟合分数最小的曲线模型作为
最终输电线路识别结果输出。6.根据权利要求1所述的一种无人机巡检高压输电线路规划的方法，其特征在于，所述步骤3设计反步法滑动模态控制的四旋翼飞行控制器，是建立在四旋翼状态空间方程的基础上，定义四旋翼飞行控制器分为z回路、ψ回路、x
‑
θ回路、y
‑
...

【专利技术属性】
技术研发人员：高杰，薛姗，院金彪，
申请(专利权)人：西安万飞控制科技有限公司，
类型：发明
国别省市：