基于北斗定位的集群无人机自主除架空线覆冰系统及方法与流程

本发明属于输电线路除冰，具体涉及基于北斗定位的集群无人机自主除架空线覆冰系统及方法。

背景技术：

1、受寒潮冻雨天气的影响输电线路将出现覆冰，覆冰严重会导致输电线路出现断线、跳闸等事故，严重时将引发倒塔，带来大面积停电的事件，给人民生活带来了极大的不便。

2、现有的除冰方式较多，如无人机敲击除冰、机器人除冰等，但是这些方式在现场应用起来都会受到一定的局限，并且除冰的速度比较慢；因此，开发一种能够快速度、大规模应用的除冰方式成为现在电力行业的一个迫切的需求。

3、人攀登铁塔进行除冰的方式受地形的因素限制很大，随着无人机技术的成熟逐渐将其应用在输电线路的除冰，现有的采用无人机除冰方法主要是通过人为操纵无人机移动，挂载研制的除冰装置对线路除冰，缺点是无法实现快速的除冰；专利公开号cn114094531a公开了一种用于高压输电线路的除冰系统，其采用机械除冰和火烤的方式除冰，可以调节除冰装置与输电线路的距离，使其不会损坏输电线路；但是一架无人机的除冰速度很慢，要除整根导线的覆冰需要耗费很久的时间，并且需要人眼识别导线与无人机的距离，容易导致无人机的坠落；专利公开号cn116014656a公开了一种基于无人机控制的输电线路除冰装置及方法，无人机挂载的吊舱内具有边缘计算单元和超声波定位传感器，能够实现对导线的识别和定位，减少了人工操纵的困难，但是这种方式同样除冰的效率低，单架无人机无法实现大规模的除冰。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供基于北斗定位的集群无人机自主除架空线覆冰系统及方法，能够根据监测的输电线路覆冰情况，对无人机编队进行合理的控制，提高无人机编队的除冰效率和除冰速度。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：基于北斗定位的集群无人机自主除架空线覆冰系统，包括无人机机群、北斗定位装置、中央cpu、测距激光雷达、燃料容器、除冰装置和集群控制系统；所述除冰装置、测距激光雷达和北斗定位装置被挂载在无人机的挂载平台上；所述燃料容器安装在无人机的下部；?所述中央cpu是无人机的数据处理中心与控制中心，与北斗定位装置、测距激光雷达、除冰装置通过导线相连；所述集群控制系统是地面终端，与每架无人机远程连接，集群控制系统包括无人机间距计算单元、编队单元、画面显示单元；无人机间距计算单元对每架无人机的间隔距离进行计算配置；画面显示单元能够实时的展示每架无人机前的除冰画面，通过远程无线的方式将视频信息传输至地面终端；编队单元将集群的无人机进行分队，分别飞行至指定的起始位置，通过等分法和遗传算法计算无人机的初始目标位置，建立距离函数，距离函数为每架无人机的间距总和，以距离函数值最大为目标，选择无人机的最优初始目标位置，将最优无人机的初始目标位置作为贪心算法的初始解，进行迭代得到飞行总路程最短的飞行航线。

3、进一步优选，编队单元计算飞行航线的步骤包括：

4、步骤一：根据设定的无人机数量，对每一架无人机给予唯一的编号；

5、步骤二：将需要除冰的输电线路每间隔d记为一个位置点，得到位置点集合{r1，r2，r3，…，rm}，其中m=l/d；d表示相邻的两个无人机之间的距离，l?为除冰的输电线路长度，r1，r2，r3，…，rm分别代表第1，2，3，…，m个位置点；

6、步骤三：通过等分法和遗传算法计算无人机的初始目标位置，建立距离函数，以距离函数值最大为目标，选择无人机的最优初始目标位置；

7、步骤四：将最优无人机的初始目标位置作为贪心算法的初始解，进行迭代，求解局部的最优解，每架无人机搜索最近的位置点，然后飞行至最近的位置点；若两架无人机需要飞行的目标位置点一样，则以路程更近原则优先，若两架无人机的飞行路程一样时则随机一架无人机飞行至该位置点；

8、步骤五：重复步骤四，直至把所有的位置点都飞行完毕，计算得到飞行总路程；其中，为所有无人机从起飞点飞至最优初始目标位置的路程和，为所有无人机第i次巡检飞行的飞行路程和，k为切换位置点的巡检飞行总次数；

9、步骤六：对步骤五获得飞行总路程结果进行判断，若出现小于0或者贪心算法陷入局部循环无法得出结果的情况，则随机改变最优初始目标位置，再进行步骤四和步骤五的计算，计算得到总路程p，若不出现小于0或者贪心算法陷入局部循环无法得出结果的情况，则飞行总路程p为最短路程，获得无人机集群的飞行航线。

10、进一步优选，步骤三的具体过程如下：

11、步骤1、建立距离函数n，该距离函数的描述为每架无人机的间距总和n=n1,2+n2,3+…+nn-1,n；n1,2代表第1架无人机与第2架无人机的距离，n2,3代表第2架无人机与第3架无人机的距离，?nn-1,n代表第n-1架无人机与第n架无人机的距离，在初始目标位置的选取时，使距离函数值最大，无人机机群的分布比较分散，这样能保证无人机在飞巡每基杆塔时飞行路线不会重叠；因此需要找到使距离函数最大的无人机集群巡检的初始目标位置；

12、步骤2、等分法计算无人机的初始目标位置的过程为：采用等分法将步骤二所得的位置点集合分为n等分，得到等分法计算的无人机的初始目标位置；

13、步骤3、通过遗传算法计算无人机的初始目标位置：

14、步骤31、设置最大迭代的次数e，设置遗传算法进行计算的起始位置集合，并对起始位置进行二进制的编码，以距离函数n作为个体适应度评价函数；

15、步骤s32、设置交叉概率w，变异概率u；

16、步骤s33、评价无人机的当前位置的距离函数值是否最大，若不是则进行交叉、变异操作，把适应度低的基因剔除，得到新的位置再进行距离函数值的计算；不断的进行迭代，得到距离函数值最大的一组位置作为遗传算法输出的无人机的初始目标位置集合{td1，td?2，td3，…，tdn}，td1，td?2，td3，…，tdn分别为遗传算法输出的第1，2，3，…，n架无人机的初始目标位置;

17、步骤4、将遗传算法输出的第1，2，3，…，n架无人机的初始目标位置的距离函数值与等分法计算的无人机的初始目标位置的距离函数值对比，选择距离函数值大的无人机的初始目标位置作为无人机的最优初始目标位置。

18、进一步优选，所述除冰装置由喷管、电子阀、电子点火器、喷嘴、燃料供给装置组成，且喷管连接燃料容器和喷嘴，喷管的材质为环氧树脂，喷管的长度超过无人机旋翼的最外端；喷嘴与电子点火器相连，电子点火器与中央cpu相连，电子点火器通过接收中央cpu的控制信号进行点火，燃料供给装置通过电子泵向喷管输送燃料。

19、进一步优选，所述北斗定位装置由rtk定位?？楹捅倍沸藕沤邮仗煜咦槌?，北斗信号接收天线接收卫星信号，基于接收的北斗信息，使用rtk定位?？槭迪掷迕准侗鸬亩ㄎ?；

20、进一步优选，所述测距激光雷达与中央cpu通过导线相连，用于测量导线和无人机间的距离；激光雷达发出激光的时间为t1，收到回波的时间为t2，则无人机与导线的距离q=（t2-t1）*v/2，v为光在空气中的速度。

21、进一步优选，所述中央cpu中的控制单元通过导线和电子阀、电子点火器连接，中央cpu中的数据中心通过导线与北斗定位装置、高清摄像头和测距激光雷达相连；中央cpu中的控制中心输出数字信号，控制电子点火器的点火和电子泵开阀向喷管输送燃料。

22、进一步优选，所述喷嘴后方挂载高清摄像头，高清摄像头与中央cpu相连，通过边缘检测的算法识别输电线路，使喷嘴对准导线。

23、作为本发明的一种优选的技术方案，每架无人机具有避障的算法，若两架无人机的飞行路线有重叠则无人机会在空间上形成前、后的错位，保证无人机不会相撞。

24、作为本发明的一种优选的技术方案，无人机通过pid控制算法基于测距激光雷达实现自主飞行，具体的方法为：

25、测距激光雷达检测无人机与导线的距离为m，无人机与水平面的夹角为g，边缘检测算法识别的导线位置为y，通过这3个变量建立pid控制，通过负反馈的机制使无人机在锚定导线的同时跟随导线飞行；

26、pid控制的输入变量是无人机与导线的距离m、无人机与水平面的夹角g、边缘检测算法识别框的位置y，执行机构是无人机的动力系统，通过无人机的动力系统可以调节这三个变量；测量元件分别为测距激光雷达、无人机陀螺仪、边缘检测算法；

27、当m的值大于等于设置的距离阈值时，通过负反馈使无人机靠近导线，向前飞行；当m的值小于设置的距离阈值时，通过负反馈使无人机远离导线，向后飞行；

28、当g的值>0度时，通过负反馈使无人机逆时针旋转，使g为0；当g的值<0度时，通过负反馈使无人机顺时针旋转，使g为0；

29、当y在无人机画面中的下方时，通过负反馈使无人机升高高度，使y在正中心；当y在无人机画面中的上方时，通过负反馈使无人机下降高度，使y在正中心。

30、作为本发明的一种优选的技术方案，北斗信号接收天线接收卫星信号，基于接收的北斗信息，使用rtk定位?？槭迪掷迕准侗鸬亩ㄎ?，具体方法如下：

31、北斗信号接收天线负责接收来自北斗卫星的电磁波信号；这些信号以光速传输，包含了卫星的位置和时间信息；接收天线将这些信号转换为电信号，供后续处理使用；

32、rtk定位?？榭脊ぷ?，rtk技术是一种利用载波相位观测值进行实时动态相对定位的技术，能够实时提供测站点在指定坐标系中的三维定位结果，并达到厘米级精度；在rtk定位过程中，至少需要接收来自两个或更多北斗卫星的信号；rtk定位?？槭紫然崂媒邮盏降奈佬切藕?，确定信号从卫星传播到接收机的时间，进而计算出接收机到卫星的距离；这个过程涉及到了信号传播时间的测量以及光速的应用；当同时接收到至少四颗卫星的信号时，可以通过三角定位原理计算出接收机的三维位置；为了实现厘米级别的定位精度，rtk定位?？榛够崂貌罘旨际?；差分技术的基本思想是通过在已知精确位置的参考站上观测卫星，获取卫星到参考站之间的伪距观测值及其载波相位观测值，并与接收机观测到的伪距观测值及载波相位观测值作差，来消除卫星钟差、接收机钟差以及电离层和对流层延迟等大部分误差的影响，从而得到高精度的定位结果；具体来说，rtk定位?？榛岜冉喜慰颊竞徒邮栈涞墓鄄庵挡钜?，利用这些差异来修正接收机的位置计算，通过这种方式，可以显著减少定位误差，实现厘米级别的定位精度。

33、作为本发明的一种优选的技术方案，通过远程无线的方式将视频信息传输至地面终端，采用优化视频压缩算法、多路径传输；优化视频压缩算法：采用高效的视频压缩算法，减少视频数据的大小，从而在相同的通信带宽下传输更高质量的视频画面；同时，通过合理的帧率和分辨率设置，平衡视频质量和传输效率；利用多路径传输技术，将视频信息通过多个通信链路同时传输，当某个链路受到干扰时，其他链路可以补偿，确保视频信息的连续性和稳定性。

34、本发明还公开了基于北斗定位的集群无人机自主除架空线覆冰方法，步骤如下：

35、步骤s1：根据监测的覆冰情况，获得需要除冰的输电线路总长，设置无人机的数量和间隔，集群控制系统开始作业：设定每架无人机的起始位置，基于北斗定位对起始位置定位，然后定位?？楣婊妹考芪奕嘶姆尚新废?；中央cpu控制每架无人机自主飞行至初始目标位置；

36、步骤s2：喷嘴后方的高清摄像头拍摄导线，经过中央cpu的边缘计算，不断调整无人机的位置，使喷嘴对准输电线路，当无人机对准导线后，测距激光雷达测量无人机与导线的距离，当无人机与导线的距离大于等于设置的距离阈值时，无人机靠近导线；当无人机与导线的距离小于设置的距离阈值时，无人机远离导线；

37、步骤s3：编队单元完成对集群无人机的编队飞行后，远程控制信号传输至中央cpu，集群无人机按照规划的路径，沿着导线侧飞；中央cpu的控制中心发出信号使电子阀打开，电子点火器点火进行喷火除冰，先除地线的覆冰，再有序的除三相导线的覆冰；

38、步骤s4：在完成对所有位置除冰后，集群无人机统一返回起始位置。

39、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

40、本发明充分运用数字化、智能化的方式，研制了一种能够多无人机协同控制的方法，提出了改进的贪心算法对无人机进行编队实现机群的飞行路程最短，提高机群的作业效率；能够根据监测的输电线路覆冰情况，对无人机编队进行合理的控制，提高无人机编队的除冰效率和除冰速度；

41、利用北斗定位技术实现无人机集群的精准定位，通过集群协同工作，实现了架空线覆冰的自主、高效清除；同时，利用测距激光雷达确保无人机在除冰作业中的安全飞行，提高了作业的安全性。