基于无人机实现自动化巡检风机的路径规划方法及系统技术方案

基于无人机实现自动化巡检风机的路径规划方法及系统，包括以下步骤：采集风机安装位置坐标；建立并且导入风机模型参数；获取风机叶片朝向与北向的夹角；获取风机叶片与塔筒的夹角；获取风机叶片的图像数据；将上述生成的所有飞行路径转换为KML文件，用于无人机识别后执行路径飞行任务。解决现有使用无人机进行叶片巡检效率低下的问题，通过使用路径规划算法自动生成飞行航迹，并将航迹信息转换为KML文件，KML文件可被现有市场上的货架工业级无人机所识别，并执行飞行任务。并执行飞行任务。并执行飞行任务。

【技术实现步骤摘要】
基于无人机实现自动化巡检风机的路径规划方法及系统


[0001]本专利技术属于无人机应用
，涉及基于无人机实现自动化巡检风机的路径规划方法及系统。

技术介绍

[0002]随着科学技术的发展，无人机的自动化技术越来越成熟，随着无人机自动化技术的越来越成熟和稳定可靠。近年来，无人机技术不断的从军事领域像民用领域拓展。无人机在民用领域，如风力发电设备，电力输送设备，石油管道设备，以及智慧城市，搜救等方法都有很大的应用。随着风电相关技术的日益成熟，设备的不断更新换代，我国的风力发电行业进入了高速发展的阶段，在我国，到目前为止，无论是累积装机容量还是新增装机容量，我国已经成为全球规模最大的风电市场。伴随着我国更多风电设备投入使用，对设备的运维提出了更大的挑战。由于大多数风电设别都部署在偏远地带，风机与风机之间的距离相隔也比较远，传统的对风机巡检的方案还是依靠人工。这种模巡检模式不仅安全性低，工作量大，效率也低，并且受到观测角度等的影响，不能及时发现风机的问题。在风电场发电的高峰期，如使用传统的巡检方案，往往需要更多的人力资源来维护。随着无人机科学技术的发展以及日益成熟的设备技术，使得基于无人机应用技术的新型风电巡检作业模式有了很大的发展，依靠无人机精准悬停拍摄技术，快速作业技术，高空飞行技术，快速机动技术，风电运维人员可以大大提高巡检效率。但是目前基于无人机的风电巡检技术，都是需要将风机停机，并且三个风机叶片需要停成“Y”字型。利用无人机的飞行打点技术，先对最下面的叶片进行飞行打点，再完成对最下面的风机叶片的飞行打点和拍摄照片后，风电巡检人员需要通过后台控制另两个风机叶片到最下面的，并使用第一个叶片的飞行路径进行复飞即可。这种作业方式是目前应用无人机对风力发电设备进行巡检的常规模式，这种模式效率相比传统的人工巡检的方式在作业效率有很大的提高，但是需要耗费一定人工去将风机叶片停成“Y”型，由于风机控制的复杂性，需要很多时间去控制风机叶片停成“Y”型。这种作业方式效率很低。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于提供基于无人机实现自动化巡检风机的路径规划方法及系统，以解决上述问题。
[0004]为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0005]基于无人机实现自动化巡检风机的路径规划方法，包括以下步骤：
[0006]采用实时动态载波相位差分技术RTK设备对风机安装位置进行测量，得到安装位置坐标；建立并且导入风机模型参数；
[0007]根据安装位置坐标和风机模型参数，采用路径规划算法计算得到无人机能拍摄风机朝向的飞行路径，获取风机叶片朝向与北向的夹角；
[0008]根据安装位置坐标和风机模型参数，采用路径规划算法计算得到无人机能拍摄风
机叶片与塔筒夹角的飞行路径，获取风机叶片与塔筒的夹角；
[0009]根据安装位置坐标和风机模型参数，采用路径规划算法计算得到能拍摄风机叶片的飞行路径，获取风机叶片的图像数据；路径信息包含每个点的经纬度信息以及云台角度信息；
[0010]将上述生成的所有飞行路径转换为KML文件，用于无人机识别后执行路径飞行任务。
[0011]进一步的，风机的模型参数包含风机塔筒的高度h和叶片的长度L；使用RTK设备进行测量时，RTK设备差分锁定，此时测量的风机位置坐标为厘米级精度，记录此时的经纬度坐标(B,L,H)。
[0012]进一步的，采集风机图像数据并计算风机叶片的朝向，无人机在风机的正上方采集图像，风机的俯视图图像采集航迹点坐标计算过程如：
[0013]经纬度坐(B0，L0)＝(B，L)；
[0014]该点的离地高度Z：
[0015]Z＝h+L+δ
z
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ1‑1[0016]上式中h为塔筒高度，L为风机叶片长度，δ
z
为可调中的参数，通过观察无人机上的云台相机的图像数据来进行调整，δ
z
应该满足如下条件：
[0017]δ
z
≥20m
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ1‑2[0018]该数据采集点的离地高度Z计算得到后，计算得到该点的海拔高度H0，即
[0019]H0＝H+Z
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ1‑
3。
[0020]进一步的，采集风机图像数据并计算风机叶片与塔筒夹角，无人机在风机的正前方采集图像数据；计算出采集该图像数据的航迹点，该点为风机的正视图图像采集航迹点，风机的正视图图像采集航迹点坐标计算过程如：
[0021]建立图像视觉坐标系OX
c
Y
c
Z
c
，X轴与轮毂的轴线方向相反，Y轴与X轴垂直并指向右侧，Z轴符合“右手定则”，垂直向下；
[0022]建立风机机体坐标系OX
b
Y
b
Z
b
，X轴与轮毂轴线方向相同，Y轴与X轴垂直并指向右侧，Z轴符号“右手定则”，垂直向下；
[0023]图像视觉坐标系OX
c
Y
c
Z
c
与风机机体坐标系OX
b
Y
b
Z
b
转换关系如下：
[0024][0025]上式中，R
c
为图像视觉坐标系OX
c
Y
c
Z
c
的向量，R
c
为风机机体坐标系OX
b
Y
b
Z
b
的向量，为从图像视觉坐标系OX
c
Y
c
Z
c
到风机机体坐标系OX
b
Y
b
Z
b
的转换矩阵；的表示如1
‑
5所示：
[0026][0027]在完成步骤3风机的俯视图图像采集航迹点坐标计算后，在图像视觉坐标系中，计算以轮毂中心点为原点到俯视图图像采集航迹点的向量坐标OH，以及以轮毂中心点为原点，方向为指向X轴负半轴，长度为d的向量坐标OR；
[0028]OB向量在图像视觉坐标系的计算结果为：
[0029]OB
c
＝OH
c
+OR
c
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ1‑2[0030]其中
[0031]OH
c
＝[0 0
ꢀ‑
(δ
z
+L)]ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ1‑7[0032]OR
c
＝[
‑
d 0 0]ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ1‑8[0033]d为H点的回退距离
[0034]d≥70
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ1‑9[0035]在图像视觉坐标系中计算得到OH
c
以及OR
c
后，结合在风机的轮本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于无人机实现自动化巡检风机的路径规划方法，其特征在于，包括以下步骤：采用实时动态载波相位差分技术RTK设备对风机安装位置进行测量，得到安装位置坐标；建立并且导入风机模型参数；根据安装位置坐标和风机模型参数，采用路径规划算法计算得到无人机能拍摄风机朝向的飞行路径，获取风机叶片朝向与北向的夹角；根据安装位置坐标和风机模型参数，采用路径规划算法计算得到无人机能拍摄风机叶片与塔筒夹角的飞行路径，获取风机叶片与塔筒的夹角；根据安装位置坐标和风机模型参数，采用路径规划算法计算得到能拍摄风机叶片的飞行路径，获取风机叶片的图像数据；路径信息包含每个点的经纬度信息以及云台角度信息；将上述生成的所有飞行路径转换为KML文件，用于无人机识别后执行路径飞行任务。2.根据权利要求1所述的基于无人机实现自动化巡检风机的路径规划方法，其特征在于，风机的模型参数包含风机塔筒的高度h和叶片的长度L；使用RTK设备进行测量时，RTK设备差分锁定，此时测量的风机位置坐标为厘米级精度，记录此时的经纬度坐标(B，L，H)。3.根据权利要求1所述的基于无人机实现自动化巡检风机的路径规划方法，其特征在于，采集风机图像数据并计算风机叶片的朝向，无人机在风机的正上方采集图像，风机的俯视图图像采集航迹点坐标计算过程如：经纬度坐(B0，L0)＝(B，L)；该点的离地高度Z：Z＝h+L+δ
z
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ1‑
1上式中h为塔筒高度，L为风机叶片长度，δ
z
为可调中的参数，通过观察无人机上的云台相机的图像数据来进行调整，δ
z
应该满足如下条件：δ
z
≥20m
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ1‑
2该数据采集点的离地高度Z计算得到后，计算得到该点的海拔高度H0，即H0＝H+Z
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ1‑
3。4.根据权利要求1所述的基于无人机实现自动化巡检风机的路径规划方法，其特征在于，采集风机图像数据并计算风机叶片与塔筒夹角，无人机在风机的正前方采集图像数据；计算出采集该图像数据的航迹点，该点为风机的正视图图像采集航迹点，风机的正视图图像采集航迹点坐标计算过程如：建立图像视觉坐标系OX
c
Y
c
Z
c
，X轴与轮毂的轴线方向相反，Y轴与X轴垂直并指向右侧，Z轴符合“右手定则”，垂直向下；建立风机机体坐标系OX
b
Y
b
Z
b
，X轴与轮毂轴线方向相同，Y轴与X轴垂直并指向右侧，Z轴符号“右手定则”，垂直向下；图像视觉坐标系OX
c
Y
c
Z
c
与风机机体坐标系OX
b
Y
b
Z
b
转换关系如下：上式中，R
c
为图像视觉坐标系OX
c
Y
c
Z
c
的向量，R
c
为风机机体坐标系OX
b
Y
b
Z
b
的向量，为从图像视觉坐标系OX
c
Y
c
Z
c
到风机机体坐标系OX
b
Y
b
Z
b
的转换矩阵；的表示如1
‑
5所示：
在完成步骤3风机的俯视图图像采集航迹点坐标计算后，在图像视觉坐标系中，计算以轮毂中心点为原点到俯视图图像采集航迹点的向量坐标OH，以及以轮毂中心点为原点，方向为指向X轴负半轴，长度为d的向量坐标OR；OB向量在图像视觉坐标系的计算结果为：OB
c
＝OH
c
+OR
c
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ1‑
1其中OH
c
＝[0 0
ꢀ‑
(δ
z
+L)]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ1‑
7OR
c
＝[
‑
d 0 0]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ1‑
8d为H点的回退距离d≥70
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ1‑
9在图像视觉坐标系中计算得到OH
c
以及OR
c
后，结合在风机的轮毂朝向角ψ和旋转角度β以及风机安装位置坐标计算得到H
c
和R
c
在大地坐标系的坐标[B
H L
H H
H
]和[B
R L
R H
R
]。5.根据权利要求4所述的基于无人机实现自动化巡检风机的路径规划方法，其特征在于，大地直角坐标系转换关系如下：将在图像视觉坐标系的向量转换为风机机体坐标系；其中将向量有风机坐标系转换到大地直角坐标系(ECEF)；局部地理坐标系OX
n
Y
n<...

【专利技术属性】
技术研发人员：包鼎，范晓雅，施磊，朱得利，刘磊，韩兴意，蔡凯，
申请(专利权)人：国能定边新能源有限公司，
类型：发明
国别省市：