[发明专利]基于三维数字地图的电力巡检飞行机器人航线规划方法

说明书

技术领域

本发明属于输电线路巡检飞行机器人航线规划方法研究技术领域，特别涉及一种基于三维数字地图的电力巡检飞行机器人航线规划方法。

背景技术

随着科技的进步，输电线路的巡视已经由最初的人为巡检慢慢被飞行机器人巡检所取代。这样，就大大的降低了工作人员的工作风险。但是与此同时，由于电力线附近地形、地物、气象等恶劣环境因素以及飞行机器人自身遇到突发状况的影响，导致巡检飞行机器人需要进行路径规划和紧急避险。

目前的架空输电线路巡检飞行机器人能够较好的对输电线路进行巡检，但是在巡视的过程中所建立的安全避障飞行路径很少考虑飞行机器人在空中作业时突遇恶劣环境(暴风雨等)以及动态障碍物(如突然出现一些鸟类等)，也没有一套完善的航线规划方法来解决这些突发状况。

发明内容

针对上述现有技术的不足之处，本发明提出一种基于三维数字地图的电力巡检飞行机器人航线规划方法，其特征在于，该方法包括：

步骤1：通过激光扫描技术采集电力线附近地形地物的三维数据信息，并构建相应的三维数字地图；

步骤2：根据三维数字地图生成障碍物地图，并利用基于八叉树的高频概率3D映射框架生成全局环境地图，再通过机载全方位传感器自动建立按任务要求的特定语义模型，从而利用局部多分辨率避障与分层构架相结合的路径规划方法，建立巡检飞行机器人的安全飞行路径；

步骤3：如果突遇不利于飞行机器人巡检的气象情况，则立即采取紧急迫降，使飞行机器人就近安全着陆，待突发状况结束后再等待回收；

步骤4：如果无特殊气象情况，则巡检机器人巡检设定时间后判断巡检任务是否完成；如果巡检任务完成，则按原安全飞行路线返航；如果巡检任务没有完成，则按照步骤2中的安全飞行路径进行自主避险。

所述步骤2中的局部多分辨率避障与分层构架相结合的路径规划方法包括如下子步骤：

子步骤101：设定最高层为任务开始阶段，周围无障碍，事先规定一系列航点，巡检飞行机器人在飞行过程中按照这些航点飞行；由于全局环境地图在这些航点不会改变，因此在开始任务时使用全局规划；

在基于八叉树的高频概率3D映射框架产生的全局环境地图中，八叉树的每个节点代表了一个称为体素的立方体体积；其中，叶子节点n在传感器测量距离为z_1:t时的概率表示为该公式由当前距离z_t、P(n)先验概率值和传感器测量距离为z_1:t-1时的概率P(n|z_1:t-1)决定；该方法不仅可以占用已知空间，而且还可以任意占用未知空间；

最后，全局规划作为输入层进入下一层，局部多分辨率路径规划层；

所述最高层为任务规划层和全局路径规划层，分别由特定语义模型和全局环境地图得出；

子步骤102：在局部多分辨率路径规划层，采用基于网格的路径规划，采用多个以巡检飞行机器人为中心的大小为M×M×M的三维网格，通过递归的方法，将这些网格彼此嵌入，得到大小为N×N×N的均匀网格，每个M×M×M的网格中均包含(log₂(N/M)+1)M³个单元；

所述局部多分辨率路径规划层由机载传感器、全局环境地图和局部障碍物地图得到；

子步骤103：对于网格内的规划，需要嵌入一个无向图，网格内部连接周围所有的网格；在以巡检飞行机器人为中心的网格中，使用一种图搜索算法进行路径规划，最终得到网格中最短最有效的路径；

子步骤104：在最低层，通过障碍物地图和运动模型建立一个基于自适应障碍排斥域的局部避障层作为安全层；所有的障碍物被视为有最高排斥度的地方，机器人总是从高排斥度的地方运动到低排斥度的地方。

所述全局环境地图是利用基于八叉树的高频概率3D映射框架生成的。

所述特定语义模型是通过机载全方位传感器按任务要求的自动建立的。

所述局部障碍物地图由三维数字地图生成。

子步骤105：所述安全飞行路径的设计要考虑带电作业的安全距离、飞行机器人在飞行时避开电磁场的干扰、同时保证离固定障碍物最近的采样点足够远以允许飞行机器人一个最小的自适应转弯半径ρ_min，其中，其中，V是飞行机器人的恒定的行驶速度，Φ_max是飞行机器人最大的偏转角回旋能够避开障碍物，没有任何碰撞。

附图说明

图1为本发明基于三维数字地图的巡检飞行机器人航线规划流程图。