[發明專利]一種基于旋翼無人機實現風機巡檢拍攝的路徑規劃方法

在審

• 申請號: 202210088479.3
• 申請日: 2022-01-25
• 公開（公告）號: CN114564031A
• 公開（公告）日: 2022-05-31
• 發明（設計）人: 李定涌;閆泳馳;陳朋印
• 申請（專利權）人: 西安因諾航空科技有限公司
• 主分類號: G05D1/08
• 分類號: G05D1/08;G05D1/10
• 代理公司: 北京科家知識產權代理事務所(普通合伙) 11427
• 代理人: 郭晶

1.一種基于旋翼無人機實現風機巡檢拍攝的路徑規劃方法，包括以下步驟：步驟一，風機輪方位角和旋轉角圖像采集路徑規劃；步驟二，風機葉片與塔筒夾角圖像采集路徑規劃；步驟三，風機葉片前緣圖像采集路徑規劃；步驟四，風機葉片正/反面圖像采集路徑規劃；其特征在于：

其中在上述步驟一中，風機輪方位角和旋轉角圖像采集路徑規劃包括以下步驟：

1)建立風機葉片的三維模型f；模型的尺寸參數包含如下：

f＝[h L ΔL Δd] (1-1)

其中，h表示塔筒的高度，L表示葉片長度(葉片根部到彎曲部)，ΔL表示葉片彎曲部分垂直長度，Δd表示塔筒中心線與輪轂面的垂直距離；

2)采集風機安裝位置數據；風機的安裝位置在大地坐標系使用公式表示如下：

P_e＝[B L H] (1-2)

其中，B代表風機安裝位置緯度，L代表風機安裝位置經度，H代表風機安裝位置海拔高度；

3)根據公式(1-1)和(1-2)獲取塔筒中心軸線與風機輪轂中心軸線交點處的經緯度信息，使用公式表達如下：

P_o＝[B L H+h] (1-3)

后續步驟將以該點為原點建立風機圖像坐標系、風機機體坐標系和風機導航系；

4)設計并計算風機輪轂軸線方位角圖像采集的路徑；該飛行路徑共包含2個航點，第一個航點在風機輪轂中心正上方，是距離風機輪轂中心位置L+ΔL+δz的H點，H點在風機圖像坐標系使用公式表示如下：

第二個航點為F點，是在第一個航點的基礎上增加20m的高度，F點在風機圖像坐標系使用公式表達如下：

其中，P表示位置向量，上標c表示風機圖像坐標系，H表示點H，F表示點F；

5)獲取航點經緯度以及海拔高度數據；上述步驟4)中兩個航點位于輪轂正上方位置，由于步驟3)獲取了輪轂中心的正下方的經緯度信息，則可以根據公式(1-3)得到H點和F點的經緯度以及海拔高度數據，使用表達式表達為：

P_H＝[B L H+(L+ΔL+δz)] (1-6)

P_F＝[B L H+(L+ΔL+δz)+20] (1-7)

其中，P_H為H點的經緯高向量，P_F為F點的經緯高數據；

6)生成風機方位角的圖像采集路徑規劃KML文件：獲取到風機的方位角度圖像信息后，通過圖像處理得到風機的方位角ψ，通過上述步驟5)的計算后可獲取航點信息，航點信息可通過軟件轉換為KML文件；

其中在上述步驟二中，風機葉片與塔筒夾角圖像采集路徑規劃包括以下步驟：

1)建立風機圖像坐標系OX_cY_cZ_c，X軸與輪轂的軸線方向相反，Y軸與X軸垂直并指向右側，Z軸符合“右手定則”，垂直向下，原點在塔筒中心軸線與輪轂中心軸線的交點上；建立風機機體坐標系OX_bY_bZ_b，X軸與輪轂軸線方向相同，Y軸與X軸垂直并指向右側，Z軸符號“右手定則”，垂直向下，原點在塔筒中心軸線與輪轂中心軸線的交點上；風機圖像坐標系OX_cY_cZ_c與風機機體坐標系OX_bY_bZ_b轉換關系如下：

其中，R_c為風機圖像坐標系OX_cY_cZ_c的向量，R_c為風機機體坐標系OX_bY_bZ_b的向量，為從圖像視覺坐標系OX_cY_cZ_c到風機機體坐標系OX_bY_bZ_b的轉換矩陣，的表示如(1-9)所示：

3)設計和計算拍攝風機葉片與塔筒夾角圖像的路徑；該飛行路徑包含B點和R點共2個航點；B點在輪轂縱軸上，并與F點同等高度，距離輪轂中心水平距離為d，其在風機圖像坐標系的表示式為：

其中，Δd為塔筒中心軸線至輪轂平面的距離；

R點在輪轂縱軸上，并與輪轂中心同等高度，距離輪轂中心水平距離為d，其在風機坐標系的表達式為：

通過坐標轉換即可得到B點和R點的經緯度信息，轉換步驟如下：

a)將在風機圖像坐標系的向量轉換為風機機體坐標系，以OR^c為例：

b)將向量由風機機體坐標系轉換到大地直角坐標系(ECEF)：

其中，局部地理坐標系OX_nY_nZ_n為北-東-地；大地直角坐標系為OX_gY_gZ_g；定義從風機坐標系到局部地理坐標系的轉換矩陣為旋轉矩陣實用3-2-1旋轉順序描述；定義從局部地理坐標系到大地直角坐標系的轉換矩陣為P_e為風機圖像坐標，是原點在ECEF坐標系的坐標；

由式(1-13)得到R在ECEF坐標系的坐標表達式：

OR^e＝[x_bg y_bg z_bg] (1-14)；

通過如下轉換關系即可得到R的經緯高坐標為[B_R，L_R，H_R]：

其中：

其中，a為地球半徑，e為地球第一偏心率，b為橢球短半軸；以同樣的方式可計算得到B點的經緯度坐標；

4)生成風機葉片旋轉角度的圖像采集路徑規劃KML文件：獲取到風機的方位角度圖像信息后，通過圖像處理得到風機的方位角度ψ，通過上述步驟3)的計算后可獲取航點信息，航點信息可通過軟件轉換為KML文件；

其中在上述步驟三中，風機葉片前緣圖像采集路徑規劃包括以下步驟：

1)葉片中心軸線的長度為l，表示式為：

l＝L+ΔL (1-17)

其中，L表示葉片長度(葉片根部到彎曲部)，Δl表示航線補償長度；

2)設計并計算風機葉片前緣圖像采集的路徑，該飛行路徑共包含5個航點；

第一個航點在輪轂的中心軸線上，并距離輪轂Δd₁，其在風機圖像坐標系的表示式為：

其中，上標c表示風機圖像坐標系，下標1表示第一個航點的序號，[0 0 -Δd]為輪轂中心點在風機圖像坐標系的向量表達式；

第二個航點計算表達式如下：

其中，γ為塔筒與葉片的旋轉夾角；

第三個航點計算表達式如下：

第四個航點計算表達式如下：

第五個航點計算表達式如下：

通過坐標轉換并且結合風機圖像坐標系原點在ECEF坐標系的坐標P_e可得，以的轉換為例：

a)將在風機圖像坐標系的向量轉換為風機機體坐標系，以為例：

b)將向量由風機機體坐標系轉換到大地直角坐標系(ECEF)：

其中，局部地理坐標系OX_nY_nZ_n為北-東-地；大地直角坐標系為OX_gY_gZ_g，定義從風機坐標系到局部地理坐標系的轉換矩陣為定義從局部地理坐標系到大地直角坐標系的轉換矩陣為P_e為風機圖像坐標系原點在ECEF坐標系的左邊，通過已知的風機圖像坐標系原點的經緯度信息，再通過經緯度轉換為ECEF可得P_e，由式(1-13)得到R在ECEF坐標系的坐標表達式：

通過如下轉換關系即可得到P₁的經緯高坐標為

其中：

其中，a為地球半徑，e為地球第一偏心率，b為橢球短半軸；以同樣的方式計算其余的經緯度坐標；

其中在上述步驟四中，風機葉片正/反面圖像采集路徑規劃包括以下步驟：

1)對于風機葉片正/方面圖像采集路徑共設計有13個航點，其中包含12拍攝航點以及一個返航退出航點；

第1個航點的計算在風機圖像坐標系的表達式如下：

其中，F點從輪轂中心到沿第一個葉片距離為Δf，A點與F點垂直距離為Δv，γ表示第一個葉片與塔筒的夾角，Δd以及Δd₁的定義參見前面步驟；

第2個航點在風機圖像坐標系的表達式如下：

第3個航點在風機圖像坐標系的表達式如下：

第4個航點在風機圖像坐標系的表達式如下：

2)通過坐標轉換以及結合風機圖像坐標系原點在ECEF坐標系的坐標P_e可得上述4個航點的經緯度以及海拔高度坐標，以為例：

a)將在風機圖像坐標系的向量轉換為風機機體坐標系，以為例：

b)將向量由風機機體坐標系轉換到大地直角坐標系(ECEF)：

其中，局部地理坐標系OX_nY_nZ_n為北-東-地；大地直角坐標系為OX_gY_gZ_g，定義從風機坐標系到局部地理坐標系的轉換矩陣為定義從局部地理坐標系到大地直角坐標系的轉換矩陣為P_e為風機圖像坐標系原點在ECEF坐標系的左邊，通過已知的風機圖像坐標系原點的經緯度信息，再通過經緯度轉換為ECEF可得P_e，由式(1-13)得到R在ECEF坐標系的坐標表達式：

通過如下轉換關系即可得到P₁的經緯高坐標為

其中：

其中，a為地球半徑，e為地球第一偏心率，b為地球橢球短半軸；以同樣的方式可計算出其余航點的經緯度坐標；

3)生成風機葉片正/反面圖像采集路徑規劃KML文件：獲取到風機的方位角度圖像信息后，通過圖像處理得到風機的方位角度ψ，通過上述步驟2)的計算后可獲取航點信息，航點信息可通過軟件轉換為KML文件。