基于三維數(shù)字地圖的電力巡檢飛行機(jī)器人航線規(guī)劃方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于輸電線路巡檢飛行機(jī)器人航線規(guī)劃方法研究技術(shù)領(lǐng)域，特別設(shè)及一種 基于=維數(shù)字地圖的電力巡檢飛行機(jī)器人航線規(guī)劃方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著科技的進(jìn)步，輸電線路的巡視已經(jīng)由最初的人為巡檢慢慢被飛行機(jī)器人巡檢 所取代。該樣，就大大的降低了工作人員的工作風(fēng)險(xiǎn)。但是與此同時(shí)，由于電力線附近地 形、地物、氣象等惡劣環(huán)境因素W及飛行機(jī)器人自身遇到突發(fā)狀況的影響，導(dǎo)致巡檢飛行機(jī) 器人需要進(jìn)行路徑規(guī)劃和緊急避險(xiǎn)。
[0003] 目前的架空輸電線路巡檢飛行機(jī)器人能夠較好的對(duì)輸電線路進(jìn)行巡檢，但是在巡 視的過(guò)程中所建立的安全避障飛行路徑很少考慮飛行機(jī)器人在空中作業(yè)時(shí)突遇惡劣環(huán)境 (暴風(fēng)雨等）W及動(dòng)態(tài)障礙物（如突然出現(xiàn)一些鳥(niǎo)類(lèi)等），也沒(méi)有一套完善的航線規(guī)劃方法 來(lái)解決該些突發(fā)狀況。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提出一種基于=維數(shù)字地圖的電力巡檢飛 行機(jī)器人航線規(guī)劃方法，其特征在于，該方法包括：
[0005] 步驟1 ;通過(guò)激光掃描技術(shù)采集電力線附近地形地物的=維數(shù)據(jù)信息，并構(gòu)建相 應(yīng)的S維數(shù)字地圖；
[0006] 步驟2;根據(jù)S維數(shù)字地圖生成障礙物地圖，并利用基于八叉樹(shù)的高頻概率3D映 射框架生成全局環(huán)境地圖，再通過(guò)機(jī)載全方位傳感器自動(dòng)建立按任務(wù)要求的特定語(yǔ)義模 型，從而利用局部多分辨率避障與分層構(gòu)架相結(jié)合的路徑規(guī)劃方法，建立巡檢飛行機(jī)器人 的安全飛行路徑；
[0007] 步驟3;如果突遇不利于飛行機(jī)器人巡檢的氣象情況，則立即采取緊急迫降，使飛 行機(jī)器人就近安全著陸，待突發(fā)狀況結(jié)束后再等待回收；
[000引步驟4 ;如果無(wú)特殊氣象情況，則巡檢機(jī)器人巡檢設(shè)定時(shí)間后判斷巡檢任務(wù)是否 完成；如果巡檢任務(wù)完成，則按原安全飛行路線返航；如果巡檢任務(wù)沒(méi)有完成，則按照步驟 2中的安全飛行路徑進(jìn)行自主避險(xiǎn)。
[0009] 所述步驟2中的局部多分辨率避障與分層構(gòu)架相結(jié)合的路徑規(guī)劃方法包括如下 子步驟：
[0010] 子步驟101 ;設(shè)定最高層為任務(wù)開(kāi)始階段，周?chē)鸁o(wú)障礙，事先規(guī)定一系列航點(diǎn)，巡 檢飛行機(jī)器人在飛行過(guò)程中按照該些航點(diǎn)飛行；由于全局環(huán)境地圖在該些航點(diǎn)不會(huì)改變， 因此在開(kāi)始任務(wù)時(shí)使用全局規(guī)劃；
[0011] 在基于八叉樹(shù)的高頻概率3D映射框架產(chǎn)生的全局環(huán)境地圖中，八叉樹(shù)的每個(gè)節(jié) 點(diǎn)代表了一個(gè)稱(chēng)為體素的立方體體積；其中，葉子節(jié)點(diǎn)n在傳感器測(cè)量距離為ZiJ寸的概率 表示為
該公式由當(dāng)前距離Zt、P(n)先驗(yàn)概率 值和傳感器測(cè)量距離為時(shí)的概率P(nIZ 決定；該方法不僅可W占用已知空間，而 且還可W任意占用未知空間；
[0012] 最后，全局規(guī)劃作為輸入層進(jìn)入下一層，局部多分辨率路徑規(guī)劃層；
[0013] 所述最高層為任務(wù)規(guī)劃層和全局路徑規(guī)劃層，分別由特定語(yǔ)義模型和全局環(huán)境地 圖得出；
[0014] 子步驟102;在局部多分辨率路徑規(guī)劃層，采用基于網(wǎng)格的路徑規(guī)劃，采用多個(gè)W 巡檢飛行機(jī)器人為中屯、的大小為MXMXM的S維網(wǎng)格，通過(guò)遞歸的方法，將該些網(wǎng)格彼此 嵌入，得到大小為NXNXN的均勻網(wǎng)格，每個(gè)MXMXM的網(wǎng)格中均包含個(gè)單元；
[0015] 所述局部多分辨率路徑規(guī)劃層由機(jī)載傳感器、全局環(huán)境地圖和局部障礙物地圖得 到；
[0016] 步驟103;對(duì)于網(wǎng)格內(nèi)的規(guī)劃，需要嵌入一個(gè)無(wú)向圖，網(wǎng)格內(nèi)部連接周?chē)械木W(wǎng) 格；在W巡檢飛行機(jī)器人為中屯、的網(wǎng)格中，使用一種圖捜索算法進(jìn)行路徑規(guī)劃，最終得到網(wǎng) 格中最短最有效的路徑；
[0017] 步驟104;在最低層，通過(guò)障礙物地圖和運(yùn)動(dòng)模型建立一個(gè)基于自適應(yīng)障礙排斥 域的局部避障層作為安全層；所有的障礙物被視為有最高排斥度的地方，機(jī)器人總是從高 排斥度的地方運(yùn)動(dòng)到低排斥度的地方。
[0018] 所述全局環(huán)境地圖是利用基于八叉樹(shù)的高頻概率3D映射框架生成的。
[0019] 所述特定語(yǔ)義模型是通過(guò)機(jī)載全方位傳感器按任務(wù)要求的自動(dòng)建立的。
[0020] 所述局部障礙物地圖由S維數(shù)字地圖生成。
[0021] 所述安全飛行路徑的設(shè)計(jì)要考慮帶電作業(yè)的安全距離、直升機(jī)在飛行時(shí)避開(kāi)電磁 場(chǎng)的干擾、同時(shí)保證離固定障礙物最近的采樣點(diǎn)足夠遠(yuǎn)W允許飛行機(jī)器人一個(gè)最小的自適 應(yīng)轉(zhuǎn)彎半徑Pmi。，其中，
，其中，V是飛行機(jī)器人的恒定的行駛速度，是 飛行機(jī)器人最大的偏轉(zhuǎn)角）回旋能夠避開(kāi)障礙物，沒(méi)有任何碰撞。
【附圖說(shuō)明】
[0022] 圖1為本發(fā)明基于=維數(shù)字地圖的巡檢飛行機(jī)器人航線規(guī)劃流程圖。
[0023] 圖2為巡檢飛行機(jī)器人局部多分辨率避障與分層構(gòu)架結(jié)合路徑規(guī)劃流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明提出的方法作進(jìn)一步的說(shuō)明。
[0025] 如圖1所示為本發(fā)明基于=維數(shù)字地圖的巡檢飛行機(jī)器人航線規(guī)劃流程圖；該方 法具體步驟為：
[0026] 1)通過(guò)激光掃描技術(shù)采集電力線附近地形地物的=維數(shù)據(jù)信息，并構(gòu)建相應(yīng)的= 維數(shù)字地圖；
[0027] 2)根據(jù)=維數(shù)字地圖生成障礙物地圖，并利用基于八叉樹(shù)的高頻概率3D映射框 架生成全局環(huán)境地圖，此外通過(guò)機(jī)載全方位傳感器自動(dòng)建立按任務(wù)要求的特定語(yǔ)義模型， 從而利用局部多分辨率避障與分層構(gòu)架相結(jié)合的路徑規(guī)劃方法，建立巡檢飛行機(jī)器人的安 全飛行路徑。
[002引如圖2所示為巡檢飛行機(jī)器人局部多分辨率避障與分層構(gòu)架結(jié)合路徑規(guī)劃流程 圖，該路徑規(guī)劃方法具體步驟為：
[0029] 首先，設(shè)計(jì)最高層為任務(wù)規(guī)劃層和全局路徑規(guī)劃層，分別由語(yǔ)義模型和全局環(huán)境 地圖得出。該兩層為任務(wù)開(kāi)始階段，周?chē)鸁o(wú)障礙，因此可W人為事先規(guī)定一系列航點(diǎn)，飛行 機(jī)器人在飛行過(guò)程中必須按照該些航點(diǎn)飛行。由于環(huán)境地圖在該些航點(diǎn)不會(huì)改變，因此在 開(kāi)始任務(wù)時(shí)使用全局規(guī)劃。在基于八叉樹(shù)的高頻概率3D映射框架產(chǎn)生的全局環(huán)境地圖中， 八叉樹(shù)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)代表了一個(gè)稱(chēng)為體素的立方體體積。其中，葉子節(jié)點(diǎn)n在傳感器測(cè)量距 離為ZiJ寸的概率表示為
該公式由當(dāng)前距 離Zt、P(n)先驗(yàn)概率值和傳感器測(cè)量距離為時(shí)的概率P(n|zi:t_i)決定。該方法不僅可W占用已知空間，而且還可W任意占用未知空間。最后，全局規(guī)劃作為輸入層進(jìn)入下一層， 局部多分辨率路徑規(guī)劃層。
[0030] 其次，設(shè)計(jì)局部多分辨率路徑規(guī)劃層，該層由機(jī)載傳感器、全局環(huán)境地圖和局部障 礙物地圖得到。在局部多分辨率路徑規(guī)劃層，采用基于網(wǎng)格的路徑規(guī)劃，并且當(dāng)距離增大 時(shí)，降低網(wǎng)格的分辨率，距離減小時(shí)，提高分辨率精度。對(duì)于該路徑規(guī)劃層，采用多個(gè)W飛行 機(jī)器人為中屯、的大小為MXMXM的S維網(wǎng)格，通過(guò)遞歸的方法，將該些網(wǎng)格彼此嵌入，得到 大小為NXNXN的均勻網(wǎng)格，每個(gè)MXMXM的網(wǎng)格中均包含（log2(N/M)+l)M3個(gè)單元。對(duì)于 網(wǎng)格內(nèi)的規(guī)劃，需要嵌