本發明涉及無人機，特別是涉及一種基于油電混合無人機配網線路巡檢路徑規劃的方法。
背景技術：
1、隨著電力系統的不斷發展與擴張，配網線路日益復雜且分布廣泛。傳統的配網線路巡檢方式主要依賴人工巡檢和有人直升機巡檢。人工巡檢效率低下，勞動強度大，且在一些復雜地形（如山區、沼澤地等）或惡劣天氣條件下難以開展全面、深入的巡檢工作。有人直升機巡檢雖然能夠覆蓋較大范圍且效率相對較高，但成本高昂，對飛行環境要求嚴格，并且在接近電力設備進行詳細檢查時存在一定風險，例如可能因直升機旋翼產生的氣流對電力設備造成干擾，或因操作失誤引發安全事故。
2、近年來，無人機技術迅速發展并在眾多領域得到廣泛應用。油電混合無人機結合了燃油發動機和電動發動機的優勢，具有續航時間長、載重能力相對較大等特點，為配網線路巡檢提供了一種新的解決方案。然而，要實現高效、安全、精準的配網線路巡檢，合理的路徑規劃成為關鍵技術難題。若路徑規劃不合理，無人機可能會在巡檢過程中出現能源浪費、巡檢時間過長、關鍵部位遺漏巡檢或因飛行路徑靠近危險區域而引發安全事故等問題。
技術實現思路
1、鑒于以上所述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供一種基于油電混合無人機配網線路巡檢路徑規劃的方法，用于解決現有技術中無人機配網線路規劃合理的問題。
2、為實現上述目的及其他相關目的，本發明提供如下技術方案：
3、一種基于油電混合無人機配網線路巡檢路徑規劃的方法，包括以下步驟：
4、s1，獲取配網線路的地理信息數據和電力設備數據，建立配網線路的三維地理信息模型，在三維地理信息模型中將整個配網線路巡檢區域劃分為多個子區域，對子區域進行區域評分并結合地理位置關系確定子區域的巡檢順序；
5、s2，確定每個子區域的關鍵巡檢點和相鄰子區域之間的邊界點，搜索從上一邊界點連接各個關鍵巡檢點到下一邊界點的可達巡檢子路徑，對各個可達巡檢子路徑進行路徑評估，確定最優巡檢子路徑；
6、s3，根據子區域的巡檢順序，將各個子區域的最優巡檢子路徑依次連接并優化后得到經過所述關鍵巡檢點的最優巡檢總路徑；
7、s4，無人機按照最優巡檢總路徑巡檢，在完成一個關鍵巡檢點任務后實時采集位置坐標和剩余能耗信息，依據所采集的信息判斷無人機是繼續巡檢還是補充能量。
8、實現上述技術方案，首先，通過獲取配網線路的地理信息數據和電力設備數據，構建一個三維地理信息模型，在這個模型中，將整個配網線路巡檢區域合理地劃分為多個子區域，以便進行更細致和高效的巡檢規劃；對于每個子區域，會進行區域評分，同時，考慮子區域之間的地理位置關系，比如相鄰性、連接的便捷性等，從而確定出合理的巡檢順序，使得巡檢過程能夠高效地從一個子區域過渡到另一個子區域；在每個子區域內，依據電力設備的重要性、故障發生概率等因素確定關鍵巡檢點，這些點是在巡檢過程中必須重點關注的部位，同時，明確相鄰子區域之間的邊界點，這些邊界點是子區域之間路徑連接的關鍵節點，以邊界點為起始和終止點，搜索能夠連接各個關鍵巡檢點的可達巡檢子路徑，搜索過程涉及到對地理信息模型中各種地形、障礙物等因素的考量，以確保路徑的可行性。對于搜索到的各個可達巡檢子路徑，會根據多個指標進行綜合的路徑評估，通過路徑篩選出最優巡檢子路徑；根據在?s1?中確定的子區域巡檢順序，將各個子區域的最優巡檢子路徑依次連接起來。在連接過程中，可能會存在一些連接處的優化問題，例如路徑銜接的平滑性、在連接處的轉向角度優化等，通過對連接后的路徑進行優化處理，最終得到經過所有關鍵巡檢點的最優巡檢總路徑，該最優巡檢總路徑能夠在滿足巡檢要求的前提下，最大程度地提高巡檢效率、降低能耗和風險；無人機按照規劃好的最優巡檢總路徑開始巡檢作業，在完成一個關鍵巡檢點的任務后，無人機上的傳感器實時采集自身的位置坐標信息，同時獲取剩余能耗信息，將這些信息輸入到預先設定的判斷機制中，該機制根據剩余能耗與到下一個關鍵巡檢點或補充能量點的距離、飛行能耗預估等因素進行綜合判斷，是繼續巡檢還是補充能量。
9、于本發明的一實施例中，所述s1包括：
10、s11，從地理信息系統獲取配網線路的地理信息數據，包括線路走向、塔桿位置、地形地貌和障礙物分布；
11、s12，收集配網線路上的電力設備數據，包括電力設備的位置、類型及狀態；
12、s13，將電力設備數據與地理信息數據進行關聯得到關聯信息，根據關聯信息構建配網線路的三維地理信息模型；
13、s14，根據配網線路的分布情況、電力設備的密集程度以及無人機的續航能力，在三維地理信息模型中將整個配網線路巡檢區域劃分為多個子區域；
14、s15，將配網線路的重要性、電力設備的關鍵程度、歷史故障頻率以及周邊環境的敏感性作為評分指標，對各個子區域進行區域評分，并綜合各個子區域之間的地理位置關系，確定子區域的巡檢順序。
15、實現上述技術方案，首先利用地理信息系統這一強大的數據來源，精準地獲取配網線路的多方面地理信息數據。線路走向數據能明確電力傳輸的路線軌跡，塔桿位置信息對于確定關鍵節點以及構建線路框架至關重要，地形地貌數據如山脈、河流、平原等的分布情況影響無人機飛行路徑規劃，障礙物分布數據則有助于提前規劃避開策略。對于線路密集且設備眾多的區域可能劃分較小的子區域以確保巡檢細致度，而在設備相對稀疏且無人機續航能力較強的區域則可劃分較大子區域以減少區域切換次數，在三維地理信息模型中按照這些綜合考量因素將整個巡檢區域科學合理地劃分為多個子區域，每個子區域具有相對獨立又與整體緊密相連的特性；選取多個關鍵評分指標來評估子區域，然后依據子區域之間的地理位置關系，如相鄰性、連接便捷性等確定最優的巡檢順序，使得無人機能夠以最合理的順序遍歷各個子區域，減少不必要的飛行路徑折返和迂回。通過全面采集地理信息數據和電力設備數據并進行有效關聯構建三維模型，為整個巡檢路徑規劃提供了極其精準的數據基礎。基于此模型做出的區域劃分、評分和巡檢順序確定等決策更加科學合理，避免了因數據缺失或不準確導致的路徑規劃失誤，提高了巡檢計劃的可靠性和有效性。
16、于本發明的一實施例中，所述子區域的巡檢順序確定方法包括：
17、s151，根據子區域內配網線路的重要性、電力設備的關鍵程度、歷史故障頻率以及周邊環境的敏感性設定原始評分模型得到原始評分；
18、s152，根據無人機起始點與各個子區域的最近距離結合原始評分，得到起始評分，選擇起始評分最高的子區域為起始區域；
19、s153，計算無人機所在的當前子區域到其余子區域的中心距離，根據原始評分和中心距離計算其余子區域的修正評分，選取修正評分最高的子區域為下一飛行區域，重復步驟s153直到所有子區域都被訪問為止，從而確定子區域的巡檢順序。
20、實現上述技術方案，利用預先設定的原始評分模型，來確定子區域的原始評分，此評分初步反映了各個子區域在巡檢優先級方面的相對地位；在確定原始評分后，考慮無人機的起始點位置，計算無人機起始點與各個子區域的最近距離，將這個距離因素與原始評分相結合得到起始評分，然后從所有子區域中挑選起始評分最高的子區域作為起始區域。這樣做的目的是在考慮區域重要性等因素的同時，兼顧無人機起飛后能夠以較優的路徑快速到達第一個巡檢重點區域，減少初始飛行的資源浪費和時間消耗；當確定起始區域后，無人機進入巡檢流程，在巡檢過程中，無人機處于當前子區域時，計算其到其余子區域的中心距離。這個中心距離的計算有助于評估無人機前往其他子區域的飛行成本，然后結合之前計算的原始評分和這個中心距離，得到其余子區域的修正評分，選取修正評分最高的子區域作為下一飛行區域，之后無人機飛向該區域并重復這一計算和選擇過程，直到所有子區域都被訪問完畢，從而確定完整的子區域巡檢順序。
21、于本發明的一實施例中，所述原始評分模型如下：
22、
23、其中，為第個子區域的原始評分，為配網線路的重要性，為電力設備的關鍵程度，為歷史故障頻率，為周邊環境的敏感值，，，，，為相應的權重系數，且；
24、所述起始評分計算方法如下：
25、
26、其中，為第個子區域的起始評分，為第個子區域的原始評分，為距離影響因子，為無人機起始點與第個子區域的最短距離。
27、實現上述技術方案，在確定原始評分后，為了選擇出更適合作為無人機巡檢的起始區域，引入了起始評分的計算方法。起始評分是在原始評分?的基礎上，減去距離影響因子與無人機起始點與第個子區域的最短距離的乘積。當值較大時，意味著距離因素對起始評分的影響更為顯著，無人機更傾向于優先選擇距離起始點較近且原始評分也相對較高的子區域作為起始區域；反之，當值較小時，原始評分的主導作用更強，但距離因素也依然會在一定程度上影響起始區域的選擇。通過這樣的計算，綜合考慮了區域本身的重要性以及無人機到達該區域的便捷程度，從而確定出起始評分最高的子區域作為起始區域，使得無人機在開始巡檢時能夠以較優的路徑快速進入關鍵巡檢區域，提高初始階段的巡檢效率。
28、于本發明的一實施例中，所述中心距離的計算方法如下：
29、
30、其中，為第個子區域的中心點到第個子區域的中心點距離，為當前區域，為第個未訪問區域，為第個子區域的中心點坐標，為第個未訪問子區域的中心點坐標。
31、實現上述技術方案，在三維地理信息模型的空間中，準確地計算出兩個子區域中心點之間的直線距離，以此來衡量無人機從當前子區域飛行到其他未訪問子區域的空間成本。它使得無人機可以根據實際的空間位置關系，優先選擇距離當前位置較近且本身重要性也較高的子區域作為下一個巡檢目標，有效減少了在不同子區域間飛行的空間跨度，避免了不合理的長距離跳躍式飛行，進一步提高了巡檢效率，同時也有助于降低無人機的飛行能耗，延長其單次巡檢的續航里程，保障整個巡檢任務能夠順利完成。
32、于本發明的一實施例中，所述修正評分計算方法如下：
33、
34、其中，為第個未訪問區域的修正評分，為第個未訪問區域的原始評分，為另一距離影響因子。
35、實現上述技術方案，修正評分計算方法的應用使得巡檢路徑規劃具備了很強的動態適應性。在整個巡檢過程中，隨著無人機不斷地從一個子區域飛到另一個子區域，其所處的位置在持續變化，各個未訪問子區域相對于當前位置的距離也在不斷改變。通過結合原始評分和基于當前位置計算出的中心距離因素來生成修正評分，能夠實時根據無人機的實際位置重新評估各個未訪問子區域的巡檢優先級。
36、于本發明的一實施例中，所述s2中邊界點的確定方法如下：
37、b1，對于相鄰的子區域和，分別確定它們各自的關鍵巡檢點集合和，計算子區域中關鍵巡檢點與子區域中的關鍵巡檢點之間的距離，且，；
38、
39、b2，找到中的最小距離值對應的關鍵巡檢點對分別為和，且，；
40、b3，計算相鄰的子區域和的邊界點坐標
41、b4，對邊界點坐標進行可行性分析，如果可形則確定該坐標為邊界點，如果不可行則在中找到次小距離值對應的關鍵巡檢點對并重復步驟b3和b4，直到確定可行邊界點。
42、實現上述技術方案，通過對所有可能的關鍵巡檢點對進行這樣的距離計算后，從中找出距離值最小的關鍵巡檢點對，這一步驟旨在確定在空間上最接近的兩個關鍵巡檢點和，通過計算它們坐標的平均值來初步確定相鄰子區域的邊界坐標點，得到邊界點坐標后，需要對其進行可行性分析。這個可行性分析可能涉及多方面因素，比如該坐標位置是否處于合理的地理區域內（例如是否在可飛行區域、是否避開了障礙物等），是否符合實際的配網線路布局和巡檢要求等。如果經過分析該坐標滿足所有相關要求，也就是可行的話，那么就正式確定該坐標為邊界點；反之，如果不可行，說明這個初步計算出的邊界點坐標不符合實際情況，不能作為有效的邊界點使用。此時，就需要在之前計算出的所有關鍵巡檢點對之間的距離中，找到次小距離值對應的關鍵巡檢點對，然后重復步驟?b3?和b4，即重新計算邊界點坐標并再次進行可行性分析，如此反復，直到確定出一個滿足可行性要求的邊界點為止。這樣通過不斷迭代調整的方式，確保最終確定的邊界點是符合實際巡檢場景和地理空間條件的有效邊界點。
43、于本發明的一實施例中，所述路徑評估方法包括：
44、根據可達巡檢子路徑的長度、安全值、可行評估值以及附加因素值設置綜合評分模型，得到綜合評分；
45、將綜合評分按照從小到大排序，并選取綜合評分最低的子路徑的作為最優巡檢子路徑；
46、所述綜合評分模型如下：
47、
48、其中，為路徑的評分，為路徑的長度，為路徑安全值，為路徑的可行評估值，為路徑的附加因素值，為路徑長度權重，為安全性權重，為可行性權重，為附加因素權重。
49、實現上述技術方案，對于附加因素可以考量的是無人機數據采集的便捷性，如對某一關鍵變電站設備重點巡檢時，若某路徑能夠讓無人機圍繞設備進行?360?度觀察，這一優勢就可以通過附加因素值和適當的附加因素權重來體現，在通過綜合評分模型計算出每條可達巡檢子路徑的綜合評分?score?(r)?后，按照從小到大的順序對這些綜合評分進行排序。之所以選擇綜合評分最低的子路徑作為最優巡檢子路徑，是因為在這個綜合評分模型的框架下，低分意味著該路徑在長度、安全、可行以及附加因素等多方面綜合表現更優，更符合巡檢工作對于高效、安全、可行以及能滿足其他額外要求的期望。這種多維度的評估方式使得選出的最優巡檢子路徑在長度、安全、可行性以及附加因素等各方面都能達到相對較優的平衡，不僅可以提高無人機巡檢的效率，減少飛行時間和能源消耗，還能最大程度地保障巡檢過程中的安全。
50、于本發明的一實施例中，所述s3包括：
51、根據子區域的巡檢順序，將各個子區域的最優巡檢子路徑依次連接，構建初步巡檢總路徑；
52、對初步巡檢總路徑進行平滑處理，消除路徑中的冗余和重復部分，得到平滑巡檢總路徑；
53、基于平滑巡檢總路徑的長度、飛行能耗、巡檢時間進行全局優化得到最優巡檢總路徑，且確保所述最優巡檢總路徑能夠經過所有關鍵巡檢點。
54、實現上述技術方案，基于子區域的規劃順序將各個子區域最優巡檢子路徑整合起來，形成一個涵蓋所有子區域且經過關鍵巡檢點的初步巡檢總路徑；在初步巡檢總路徑中連接相鄰子區域的最優巡檢子路徑時，可能由于子區域邊界點確定方式或者子路徑規劃的局部最優性，導致連接處出現轉折生硬、部分路徑重疊等情況，采用曲線擬合技術，將原本生硬轉折的路徑段替換為平滑的曲線段，使無人機在飛行過程中的轉向更加自然流暢；在得到平滑巡檢總路徑后，基于長度、飛行能耗和巡檢時間進行全局優化得到的最優巡檢總路徑，能夠在滿足巡檢任務要求（即經過所有關鍵巡檢點）的前提下，實現資源的最優配置。
55、于本發明的一實施例中，所述s4包括：
56、在無人機完成一個關鍵巡檢點后，采集實時位置坐標和剩余能耗信息；
57、計算無人機到達下一關鍵巡檢點的路徑距離，根據路徑距離評估無人機剩余能耗是否能夠前往下一關鍵巡檢點及完成下一關鍵巡檢點任務后是否有足夠的能量返回起始點；
58、如果剩余能耗不足以支持無人機到達一下關鍵巡檢點或下一關鍵巡檢點任務完成之后無法安全返回起始點，則立即規劃返回路徑并返回起始點補充能量。
59、實現上述技術方案，當無人機完成一個關鍵巡檢點的巡檢任務后，會利用自身搭載的定位系統采集實時位置坐標，基于已獲取的實時位置坐標以及預先規劃好的最優巡檢總路徑，計算無人機從當前位置到達下一個關鍵巡檢點的路徑距離，這個計算過程會考慮三維地理信息模型中的實際地形、飛行高度等因素影響，以盡可能精準地確定飛行路程，結合無人機的能耗模型（綜合考慮飛行速度、載重、飛行環境等因素與能耗之間的關系），根據路徑距離來預估前往下一關鍵巡檢點所需的能耗量，如果經過上述能耗評估后，發現剩余能耗不足以支持無人機順利到達下一個關鍵巡檢點，或者即便能到達并完成任務，但后續無法安全返回起始點，依據當前的實時位置坐標，規劃出一條返回起始點的最優路徑，讓無人機沿著該路徑盡快返回起始點補充能量，確保后續巡檢任務能夠在有充足能量保障的情況下繼續順利開展。
60、如上所述，本發明一種基于油電混合無人機配網線路巡檢路徑規劃的方法，具有以下有益效果：通過全面采集配網線路的地理信息數據以及電力設備數據構建三維地理信息模型，并依據配網線路的分布情況、電力設備的密集程度以及無人機的續航能力將整個巡檢區域劃分為多個子區域，同時綜合考慮配網線路的重要性、電力設備的關鍵程度、歷史故障頻率以及周邊環境的敏感性等因素設定評分模型確定子區域的巡檢順序。在路徑評估過程中，綜合考慮可達巡檢子路徑的長度、安全值、可行評估值以及附加因素值設置綜合評分模型選出最優巡檢子路徑，然后按照子區域巡檢順序，將各個子區域的最優巡檢子路徑依次連接起來并優化處理，最終得到經過所有關鍵巡檢點的最優巡檢總路徑，大大縮短了整體巡檢時間，提高了巡檢作業的效率。