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(duì)串結(jié)構(gòu)的最短路徑進(jìn)行路徑規(guī)劃，并對(duì)串結(jié)構(gòu)進(jìn)行排序，計(jì)算巡檢點(diǎn)順序，實(shí)現(xiàn)了桿塔巡檢的自動(dòng)執(zhí)行。該方法能夠自動(dòng)計(jì)算每個(gè)目標(biāo)點(diǎn)的安全距離上的拍攝點(diǎn)和無人機(jī)載荷的姿態(tài)，確保整個(gè)串結(jié)構(gòu)都能被拍攝到。同時(shí)，該方法能夠自動(dòng)計(jì)算拍攝塔基、全塔和塔號(hào)等目標(biāo)點(diǎn)的拍攝點(diǎn)，具有選點(diǎn)少、自動(dòng)化程度高的特點(diǎn)。通過使用該路徑規(guī)劃方法，可以降低人工選點(diǎn)的數(shù)量，同時(shí)提高巡檢的效率和質(zhì)量。

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

針對(duì)輸電線路巡檢作業(yè)，國網(wǎng)公司提出加強(qiáng)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(duì)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(duì)電網(wǎng)應(yīng)用需求而研制，導(dǎo)致在真實(shí)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(jī)獲取影像，并要求無人機(jī)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(xiǎn)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(diǎn)云上某個(gè)目標(biāo)點(diǎn)作為算法輸入，需要人工或算法獲得更多的目標(biāo)點(diǎn)，并進(jìn)行無人機(jī)和載荷的姿態(tài)設(shè)計(jì)。

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(diǎn)的航跡規(guī)劃需要人工選取點(diǎn)云的問題，同時(shí)也解決無人機(jī)和載荷姿態(tài)需要人工調(diào)節(jié)的困難，這兩個(gè)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(jì)、航線仿真、航線導(dǎo)出，以及算法驗(yàn)證結(jié)果四個(gè)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(jì)

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(jìn)行路徑規(guī)劃，并對(duì)串結(jié)構(gòu)進(jìn)行排序，計(jì)算巡檢點(diǎn)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(jìn)行巡檢的最短路徑，以確保覆蓋所有檢查點(diǎn)。

（一）總體方法以串結(jié)構(gòu)為單位進(jìn)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(jìn)行路徑規(guī)劃。同時(shí)，對(duì)串結(jié)構(gòu)進(jìn)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(jì)算串結(jié)構(gòu)端點(diǎn)的拍攝范圍是否能夠覆蓋整個(gè)塔。如果無法覆蓋，根據(jù)幅寬反算得到中間拍攝點(diǎn)，該點(diǎn)拍攝的照片能夠覆蓋整個(gè)串結(jié)構(gòu)。

計(jì)算拍照點(diǎn)和姿態(tài)：根據(jù)兩個(gè)地線掛點(diǎn)的位置，自動(dòng)計(jì)算得到串結(jié)構(gòu)、塔基以及其他目標(biāo)點(diǎn)的拍照點(diǎn)。同時(shí)，根據(jù)目標(biāo)點(diǎn)的特點(diǎn)，可以自動(dòng)計(jì)算出相應(yīng)的無人機(jī)和載荷姿態(tài)，以便進(jìn)行合適的拍照操作。

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

（二）具體方法

（1）參數(shù)輸入：在點(diǎn)云上拾取兩類串結(jié)構(gòu)，即絕緣子串和地線掛點(diǎn)。絕緣子串是有方向的線段組成的串結(jié)構(gòu)，地線掛點(diǎn)是單獨(dú)的點(diǎn)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(gè)地線掛點(diǎn)在拾取后得到各個(gè)點(diǎn)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?yàn)榉纸缇€，將各個(gè)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(diǎn)和串結(jié)構(gòu)的xyh坐標(biāo)。對(duì)串結(jié)構(gòu)的方向?qū)傩悦枋隼缱髠?cè)地線掛點(diǎn)，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(jìn)行后續(xù)計(jì)算的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。

（2）尋找桿塔最上面兩端的地線掛點(diǎn)：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(diǎn)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(diǎn)的串結(jié)構(gòu)。

（3）根據(jù)步驟（2）中兩個(gè)地線掛點(diǎn)信息，計(jì)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(gè)地線掛點(diǎn)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(jìn)行步驟（6）到（13）的操作。

（6）以串結(jié)構(gòu)為單位，計(jì)算所有串結(jié)構(gòu)的中心點(diǎn)。對(duì)于線段組成的串結(jié)構(gòu)，中心點(diǎn)是兩個(gè)端點(diǎn)坐標(biāo)的平均值；對(duì)于單點(diǎn)如地線掛點(diǎn)組成的串結(jié)構(gòu)，中心點(diǎn)就是本身。然后計(jì)算每兩串結(jié)構(gòu)中心點(diǎn)的距離，放在二維數(shù)組中，行列號(hào)都表示每個(gè)串結(jié)構(gòu)索引0，1…，存放的數(shù)據(jù)是行號(hào)點(diǎn)到列號(hào)點(diǎn)的距離。同時(shí)記錄高度值最大的值hmax和對(duì)應(yīng)點(diǎn)的索引號(hào)。

（7）步驟（6）中最大高度對(duì)應(yīng)的索引點(diǎn)作為起算點(diǎn)，尋找距離此點(diǎn)最近的點(diǎn)，將其索引放入新數(shù)組中。下次以此最近的點(diǎn)作為起算點(diǎn)，尋找距離此點(diǎn)最近且不在新數(shù)組中的點(diǎn)，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(duì)有序數(shù)組中的串結(jié)構(gòu)計(jì)算對(duì)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(duì)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(gè)有序數(shù)組表示的是在此位置相對(duì)桿塔是安全的，無論是做拍照動(dòng)作還是做過渡飛行動(dòng)作。有了安全距離上的航線基礎(chǔ)，才能進(jìn)行進(jìn)一步的拍照姿態(tài)的計(jì)算。沒有安全，其他動(dòng)作無從談起。

（9）在安全串結(jié)構(gòu)上計(jì)算對(duì)原始串結(jié)構(gòu)的目標(biāo)拍照點(diǎn)，對(duì)步驟（8）中安全串的端點(diǎn)即無人機(jī)航點(diǎn)，計(jì)算無人機(jī)對(duì)著目標(biāo)點(diǎn)的無人機(jī)姿態(tài)和載荷姿態(tài)，并估算幅寬，對(duì)于兩個(gè)端點(diǎn)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(jì)算中間拍照點(diǎn)，該點(diǎn)能夠拍攝全串結(jié)構(gòu)。要么兩個(gè)端點(diǎn)能夠覆蓋全串結(jié)構(gòu)，不需要增加輔助拍照點(diǎn)；要么兩個(gè)端點(diǎn)能夠覆蓋不了全串結(jié)構(gòu)，需要增加輔助拍照點(diǎn)，而這個(gè)輔助點(diǎn)是基于串中心點(diǎn)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(jì)算地線掛點(diǎn)的安全點(diǎn)，并計(jì)算無人機(jī)對(duì)著目標(biāo)點(diǎn)的無人機(jī)姿態(tài)和載荷姿態(tài)，即地線掛點(diǎn)拍照點(diǎn)。

（11）計(jì)算無人機(jī)載荷對(duì)準(zhǔn)塔基的點(diǎn)，即看塔基的點(diǎn)，并計(jì)算無人機(jī)對(duì)著目標(biāo)點(diǎn)的無人機(jī)姿態(tài)和載荷姿態(tài)，就是對(duì)塔基的拍照點(diǎn)。

（12）計(jì)算過渡點(diǎn)，用于安全地從上往下過渡。該點(diǎn)是左側(cè)串結(jié)構(gòu)上的端點(diǎn)、地線掛點(diǎn)、塔基三種點(diǎn)中距離塔中心點(diǎn)的水平投影距離最大，高度與塔頂一樣的點(diǎn)。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(diǎn)，塔基拍照點(diǎn)，串結(jié)構(gòu)的目標(biāo)拍照點(diǎn)，地線掛點(diǎn)拍照點(diǎn)，過渡點(diǎn)。過渡點(diǎn)不拍照，姿態(tài)不做計(jì)算，用于無人機(jī)過渡航線用。

（14）計(jì)算進(jìn)入全塔的點(diǎn)：看全塔的點(diǎn)，計(jì)算無人機(jī)對(duì)著全塔的無人機(jī)航點(diǎn)和載荷姿態(tài)，即全塔拍照點(diǎn)。桿塔的塔基到塔頂作為一個(gè)塔身的向量，塔身向天空方向加高h(yuǎn)米，計(jì)算無人機(jī)距離多遠(yuǎn)，俯視多少角度能看全這個(gè)塔。

（15）計(jì)算看塔號(hào)的點(diǎn)，并計(jì)算無人機(jī)對(duì)著目標(biāo)點(diǎn)的無人機(jī)姿態(tài)和載荷姿態(tài)，即塔號(hào)拍照點(diǎn)。塔號(hào)在點(diǎn)云上看不到，但是相同或類似塔形的桿塔塔號(hào)一般都在同一個(gè)位置。這里的塔號(hào)約定在塔頭位置?；趦蓚€(gè)地線掛點(diǎn)的中點(diǎn)沿著桿塔法向量延長一定長度，作為拍攝桿塔塔號(hào)的航點(diǎn)，將無人機(jī)的載荷向下俯視一定角度（基于不同塔型，角度有一個(gè)經(jīng)驗(yàn)值）。以此得到無人機(jī)對(duì)著目標(biāo)點(diǎn)的無人機(jī)航點(diǎn)位置和載荷姿態(tài)。

（16）計(jì)算退出全塔的點(diǎn)：在塔正上方俯視塔基開始拍照或錄像的點(diǎn)，計(jì)算無人機(jī)對(duì)著目標(biāo)點(diǎn)的無人機(jī)姿態(tài)和載荷姿態(tài)，即導(dǎo)線拍照或錄像點(diǎn)。無人機(jī)以此點(diǎn)開始飛向下一個(gè)桿塔，在飛行過程中正對(duì)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(diǎn)，得到規(guī)劃后的航線，整理順序依次為：全塔拍照點(diǎn)，左側(cè)航線，塔號(hào)拍照點(diǎn)，右側(cè)航線，導(dǎo)線拍照或錄像點(diǎn)。這里說的航線是針對(duì)一個(gè)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(jī)自動(dòng)巡檢的航線。

二、航線仿真

航線仿真是指對(duì)設(shè)計(jì)好的巡檢單塔的航線進(jìn)行模擬仿真，通過動(dòng)畫演示來動(dòng)態(tài)展示無人機(jī)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(jī)自動(dòng)巡檢航線在投入實(shí)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(gè)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(gè)航道和桿塔之間的距離是否在安全閾值范圍內(nèi)，從而對(duì)當(dāng)前的航跡規(guī)劃進(jìn)行危險(xiǎn)點(diǎn)檢測。危險(xiǎn)點(diǎn)檢測的結(jié)果將直接展示在航線上，對(duì)航點(diǎn)和航線分別進(jìn)行高亮標(biāo)注，并提供危險(xiǎn)點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)信息，包括危險(xiǎn)點(diǎn)的起止航點(diǎn)、危險(xiǎn)距離等信息，便于清晰統(tǒng)計(jì)。

飛行仿真，是指以無人機(jī)的第一人稱角度來觀察各個(gè)航點(diǎn)下無人機(jī)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(dòng)調(diào)整無人機(jī)航點(diǎn)和姿態(tài)參數(shù)，可實(shí)時(shí)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(diǎn)列表及點(diǎn)云視圖中刪除所選航點(diǎn)信息；選中航點(diǎn)列表中的某一航點(diǎn)數(shù)據(jù)后，該航點(diǎn)的飛機(jī)姿態(tài)、載荷姿態(tài)和安全距離信息會(huì)顯示在航點(diǎn)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(duì)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(jìn)行修改。

任何航線規(guī)劃后必須進(jìn)行仿真，只有在安全性得到保證的基礎(chǔ)上再進(jìn)行業(yè)務(wù)功能的驗(yàn)證，才能確保實(shí)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(jī)飛行所需的航線格式。當(dāng)起始桿塔和終止桿塔相同時(shí)，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(jī)支持）：該格式的航線坐標(biāo)使用相對(duì)坐標(biāo)系，相對(duì)于無人機(jī)起飛點(diǎn)，因此在導(dǎo)出前需要輸入無人機(jī)起飛點(diǎn)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(jìn)行預(yù)覽。

航線導(dǎo)出還支持雙機(jī)巡檢模式的選擇，包括異側(cè)同向和雙機(jī)異向：①異側(cè)同向：兩架無人機(jī)沿著桿塔線路的同一個(gè)側(cè)面、同一個(gè)方向飛行，分別巡檢相同桿塔的不同關(guān)鍵點(diǎn)；②雙機(jī)異向：飛行任務(wù)被劃分為兩個(gè)段落，每架無人機(jī)負(fù)責(zé)巡檢若干個(gè)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(jī)巡檢模式進(jìn)行航線導(dǎo)出。

四、算法驗(yàn)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(yàn)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(jī)進(jìn)行實(shí)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(diǎn)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(jìn)行用戶試用時(shí)，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(dòng)計(jì)算航線航點(diǎn)和姿態(tài)的流程自動(dòng)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(xiàng)目中。通過多次飛行巡檢任務(wù)，對(duì)規(guī)劃仿真數(shù)據(jù)和實(shí)際拍攝效果進(jìn)行分析和經(jīng)驗(yàn)值調(diào)整，例如調(diào)整拍攝塔頭的俯視角度。實(shí)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(duì)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(xiàng)優(yōu)勢。首先，該方法能夠自動(dòng)計(jì)算每個(gè)目標(biāo)點(diǎn)上的安全拍照點(diǎn)以及無人機(jī)和載荷的姿態(tài)，確保整個(gè)串結(jié)構(gòu)都能被拍攝到。此外，該方法還能夠自動(dòng)計(jì)算塔基、全塔、塔號(hào)等拍攝點(diǎn)，大大減少了人工選點(diǎn)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(shí)際中能夠滿足自動(dòng)化巡檢的需求，并能夠顯著提升巡檢作業(yè)的效率。同時(shí)，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(yàn)，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

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

郭光瑞（1988.01-），男，漢族，山西運(yùn)城，碩士，中級(jí)工程師，研究方向：測控?cái)?shù)傳一體化地面站。