本发明涉及电力线路运维技术领域，尤其是涉及一种无人机电力线路运维检修系统及方法。
背景技术：
电力应用渗透至国家与企业运作与发展以及国民生活起居等各个方面,可见电力系统是国民经济发展的基础。但电力系统具有多项不安全因素,一旦发生电力事故,将对个人或企业甚至国家造成不同程度的影响,因此保障电网的正常稳定运行是电力企业的工作核心,高效的电力故障抢修是电力企业安全生产的重要保证。
输电线路定期巡检，能够有效消除可能的隐患或损失，保障电网运行安全。但是人工巡线劳动强度大、效率低，在高压线路检查作业时存在危险，并且对于穿越荒山野岭、深沟峡谷的输电线路无能为力。无人机巡检技术在电力行业日渐普及，使用无人检替代人工巡检，除了安全性更高外，工作效率也大幅提升。但随着技术应用的深入，电力行业对无人机解决方案提出了更高的信息化与智能化要求。现有的无人机巡检技术只是使用单架无人机搭载任务载荷执行任务，通过无人机来进行远程摄像，技术人员根据无人机返回的录像来观察电力线路中是否有异常。无人机巡检在数据智能化分析处理方面还不太理想。
技术实现要素：
本发明提供了一种无人机电力线路运维检修系统及方法。该系统实现了电力线路的自动运维及检修，解决了传统的电力线路监测数据不直观、精度低、地形复杂地区难以开展工作、无人机系统无法自动检测线路故障、无法根据故障类型自动派工的问题。
一种无人机电力线路运维检修系统包括路径规划模块、数据获取模块、数据处理模块、地图模块、存储模块、通信模块、地面接收站。
路径规划模块包括路径规划单元、高度预设单元，路径规划单元根据电力线路所在区域初始全局地图预规划无人机飞行路线，高度预设单元根据所在区域地形高度及输电线塔架高度预设飞行高度，无人机根据预规划路线和预设高度起飞。
数据获取模块包括激光雷达lidar、高分辨率相机、gps接收机、三轴陀螺仪、三轴加速度计、红外波摄像机、紫外摄像机。
数据处理模块包括避障计算单元、点云数据处理单元、影像处理单元、故障类型计算单元；避障计算单元结合全局地图及实时点云数据实现无人机避障，点云数据处理单元对点云数据进行电力线提取，影像处理单元对红外影像、紫外影像进行处理，故障类型计算单元根据检测结果生成故障类型。
地图模块包括存储单元、拼接单元、更新单元，存储单元存储全局地图，拼接单元对获取的不同帧点云数据进行连续性匹配，更新单元构建扫描区域局部地图，不断更新全局地图。
通信模块采用无线通信方式，将数据处理模块得到的输电塔及线路故障数据反馈至地面接收站。
地面接收站根据故障类型和所处位置，派发检修工单至运维人员处。
一种无人机电力线路运维检修方法包括以下步骤：
1.根据电力线路所在区域初始全局地图预规划无人机飞行路线，根据所在区域地形高度h0及输电线塔架高度he预设飞行高度h(ti)，公式如下
h(ti)＝h0 he ω(1)
其中，ω为无人机预设安全距离，
根据激光扫描仪的射程s和预设飞行高度设置激光扫描仪的安装倾角θ，公式如下
θ＝arcsin(hmax/s)(2)
无人机根据预规划路线和预设高度起飞。
2.无人机在飞行过程中，实时获取点云数据、高分辨率影像数据、位置姿态数据。
3.结合位置、姿态数据对获取的不同帧点云数据进行连续性匹配，构建扫描区域局部地图，以此更新全局地图，供后续电力设备维修使用，结合全局地图及实时点云数据实现无人机避障。
4.对点云数据进行电力线提取，步骤如下：
4.1对点云数据的高程进行聚类分析，利用公式(3)计算最小方差函数：
其中，hj为点云数据的高程，hi为第i个聚类中心，n为聚类中心数目。
4.2根据聚类得到的n个高程值，将点云数据的高程分为n类，在此点云基础上进行电力线点云提取。
4.3对n个类别内的点云采用最小二乘拟合的方法进行中心线拟合，拟合方差最小的曲线即为输电线路中心曲线方程。
4.4基于输电线路中心曲线方程生成精准的电力线矢量模型，结合点云数据与电力线适量模型进行安全距离诊断，对超限电力线点记录，在超限电力线点数量超过预设数值w时，记录超限电力线点的空间位置坐标。
5.无人机对异常电力线点所在范围进行集中监测，利用红外波摄像机对范围内输电线走廊进行热点检测，利用紫外摄像机对异常放电点进行检测，利用高分辨率影像范围内的电力线拍照，并自动进行绝缘子及输电塔的提取检测，根据检测结果生成故障类型。
6.将超限电力线点的空间位置坐标及线路故障数据发送至地面接收站。
7.地面接收站根据故障类型和所处位置，派发检修工单至运维人员处。
本申请的有益效果有：
1.无人机电力线路运维检修系统通过路径规划、实施数据获取处理、地图构建和地面站的任务分发，实现了电力线路的自动运维检修。
2.无人机电力线路运维检修系统利用多种数据实现了电力线路故障检测及避障，冗余的数据保证了故障检测结果的准确性。
3.无人机电力线路运维检修系统不断更新偏远地区的地图，便于后续无人机巡检。
4.无人机电力线路运维检修方法预设无人机飞行高度和激光扫描仪的安装倾角，保障无人机飞行安全，并使激光lidar获取的数据范围更大，目的性更强。
5.无人机电力线路运维检修方法对点云数据进行聚类分析、最小二乘法拟合、安全距离诊断，能够使电力线故障的自动检测结果更加精确。
6.无人机电力线路运维检修方法通过故障类型得到的任务矢量、维修人员技能矢量的计算选择到最佳维修人员，结合维修人员的距离综合选择维修人员，实现了维修人员派送的自动化，也使派员完成工作的效率更高。
附图说明
图1是无人机电力线路运维检修系统组成图。
具体实施方式
无人机电力线路运维检修统包括路径规划模块、数据获取模块、数据处理模块、地图模块、存储模块、通信模块、地面接收站。
路径规划模块根据电力线路所在区域初始全局地图预规划无人机飞行路线，根据所在区域地形高度及输电线塔架高度预设飞行高度，无人机根据预规划路线和预设高度起飞。
数据获取模块包括激光雷达lidar、高分辨率相机、gps接收机、三轴陀螺仪、三轴加速度计、红外波摄像机、紫外摄像机。
数据处理模块结合全局地图及实时点云数据实现无人机避障，对点云数据进行电力线提取，进行绝缘子及输电塔的提取检测，根据检测结果生成故障类型。
地图模块存储全局地图，对获取的不同帧点云数据进行连续性匹配，构建扫描区域局部地图，不断更新全局地图。
通信模块采用无线通信方式，将数据处理模块得到的输电塔及线路故障数据反馈至地面接收站。
地面接收站根据故障类型和所处位置，派发检修工单至运维人员处。
无人机电力线路运维检修方法包括以下步骤：
1.根据电力线路所在区域初始全局地图预规划无人机飞行路线，根据所在区域地形高度h0及输电线塔架高度he预设飞行高度h(ti)，公式如下
h(ti)＝h0 he ω(1)
其中，ω为无人机预设安全距离，
根据激光扫描仪的射程s和预设飞行高度设置激光扫描仪的安装倾角θ，公式如下
θ＝arcsin(hmax/s)(2)
无人机根据预规划路线和预设高度起飞。
2.无人机在飞行过程中，实时获取点云数据、高分辨率影像数据、位置姿态数据。
3.结合位置、姿态数据对获取的不同帧点云数据进行连续性匹配，构建扫描区域局部地图，以此更新全局地图，供后续电力设备维修使用，结合全局地图及实时点云数据实现无人机避障。
4.对点云数据进行电力线提取，步骤如下：
4.1对点云数据的高程进行聚类分析，利用公式(3)计算最小方差函数：
其中，hj为点云数据的高程，hi为第i个聚类中心，n为聚类中心数目。
4.2根据聚类得到的n个高程值，将点云数据的高程分为n类，在此点云基础上进行电力线点云提取。
4.3对n个类别内的点云采用最小二乘拟合的方法进行中心线拟合，拟合方差最小的曲线即为输电线路中心曲线方程。
4.4基于输电线路中心曲线方程生成精准的电力线矢量模型，结合点云数据与电力线适量模型进行安全距离诊断，对超限电力线点记录，在超限电力线点数量超过预设数值w时，记录超限电力线点的空间位置坐标。
5.无人机对异常电力线点所在范围进行集中监测，利用红外波摄像机对范围内输电线走廊进行热点检测，利用紫外摄像机对异常放电点进行检测，利用高分辨率影像范围内的电力线拍照，并自动进行绝缘子及输电塔的提取检测，根据检测结果生成故障类型。
6.将超限电力线点的空间位置坐标及线路故障数据发送至地面接收站。
7.地面接收站根据故障类型和所处位置，派发检修工单至运维人员处。派工的具体步骤为：
7.1地面接收站故障类型、维修需求及其所需技能等级，生成任务矢量list.t，接受空间位置坐标，生成路径适量list.l。
7.2地面接收站存储有维修人员workeri的维修技能矢量list.workeri，将list.t与list.workeri进行矢量相似度匹配，得到匹配率pworkeri：
对匹配率pworkeri进行排序。
7.3根据list.l，遍历一条能够遍历所有故障地点的最短路径，得到最短路径行进点矢量d.l。
7.4根据维修人员workeri现在位置，计算其到达d.l的最短行进距离及行进点。
7.5根据匹配率pworkeri及最短行进距离综合计算，派出工作人员并制定行进路线。
以上结合附图对本发明进行了示例性描述。显然，本发明具体实现并不受上述方式的限制。只要是采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进；或未经改进，将本发明的上述构思和技术方案直接应用于其他场合的，均在本发明的保护范围之内。
1.一种无人机电力线路运维检修系统，其特征在于，包括：路径规划模块、数据获取模块、数据处理模块、地图模块、存储模块、通信模块、地面接收站；
路径规划模块包括路径规划单元、高度预设单元，路径规划单元根据电力线路所在区域初始全局地图预规划无人机飞行路线，高度预设单元根据所在区域地形高度及输电线塔架高度预设飞行高度，无人机根据预规划路线和预设高度起飞；
数据获取模块包括激光雷达lidar、高分辨率相机、gps接收机、三轴陀螺仪、三轴加速度计、红外波摄像机、紫外摄像机；
地图模块包括存储单元、拼接单元、更新单元，存储单元存储全局地图，拼接单元对获取的不同帧点云数据进行连续性匹配，更新单元构建扫描区域局部地图，不断更新全局地图。
通信模块采用无线通信方式，将数据处理模块得到的输电塔及线路故障数据反馈至地面接收站。
2.根据权利要求1所述一种无人机电力线路运维检修系统，其特征在于所述数据处理模块包括避障计算单元、点云数据处理单元、影像处理单元、故障类型计算单元；避障计算单元结合全局地图及实时点云数据实现无人机避障，点云数据处理单元对点云数据进行电力线提取，影像处理单元对红外影像、紫外影像进行处理，故障类型计算单元根据检测结果生成故障类型。
3.根据权利要求1所述一种无人机电力线路运维检修系统，其特征在于所述地面接收站根据故障类型和所处位置，派发检修工单至运维人员处。
4.一种无人机电力线路运维检修方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)根据电力线路所在区域初始全局地图预规划无人机飞行路线，根据所在区域地形高度h0及输电线塔架高度he预设飞行高度h(ti)，无人机根据预规划路线和预设高度起飞；
(2)无人机在飞行过程中，实时获取点云数据、高分辨率影像数据、位置姿态数据；
(3)结合位置、姿态数据对获取的不同帧点云数据进行连续性匹配，构建扫描区域局部地图，以此更新全局地图，供后续电力设备维修使用，结合全局地图及实时点云数据实现无人机避障；
(4)对点云数据进行电力线提取；
(5)无人机对异常电力线点所在范围进行集中监测，根据检测结果生成故障类型；
(6)将故障电力线点的空间位置坐标及线路故障数据发送至地面接收站；
(7)地面接收站根据故障类型和所处位置，派发检修工单至运维人员处。
5.根据权利要求4所述一种无人机电力线路运维检修方法，其特征在于所述步骤(1)中根据所在区域地形高度h0及输电线塔架高度he预设飞行高度h(ti)，公式如下:
h(ti)＝h0 he ω(1)
其中，ω为无人机预设安全距离。
6.根据权利要求4所述一种无人机电力线路运维检修方法，其特征在于所述步骤(1)中还包括根据激光扫描仪的射程s和预设飞行高度h(ti)设置激光扫描仪的安装倾角θ(ti)，公式如下:
θ(ti)＝arcsin(h(ti)/s)(2)。
7.根据权利要求4所述一种无人机电力线路运维检修方法，其特征在于所述步骤(5)无人机对异常电力线点所在范围进行集中监测具体包括：利用红外波摄像机对范围内输电线走廊进行热点检测，利用紫外摄像机对异常放电点进行检测，利用高分辨率影像范围内的电力线拍照，并自动进行绝缘子及输电塔的提取检测。
8.根据权利要求4所述一种无人机电力线路运维检修方法，其特征在于步骤(4)对点云数据进行电力线提取，具体步骤如下：
(4.1)对点云数据的高程进行聚类分析，利用公式(3)计算最小方差函数：
其中，hj为点云数据的高程，hi为第i个聚类中心，n为聚类中心数目；
(4.2)根据聚类得到的n个高程值，将点云数据的高程分为n类，在此点云基础上进行电力线点云提取；
(4.3)对n个类别内的点云采用最小二乘拟合的方法进行中心线拟合，拟合方差最小的曲线即为输电线路中心曲线方程；
(4.4)基于输电线路中心曲线方程生成精准的电力线矢量模型，结合点云数据与电力线适量模型进行安全距离诊断，对超限电力线点记录，在超限电力线点数量超过预设数值w时，记录超限电力线点的空间位置坐标。
技术总结