本发明涉及输电线路智能监拍领域，尤其涉及一种基于北斗的输电线路空中监拍方法及系统。
背景技术：
1、随着现代社会的发展和经济的快速增长，电力需求不断增加，电网规模和复杂性日益扩大。输电线路作为电力系统的重要组成部分，其安全稳定运行对电力供应的可靠性和稳定性至关重要。传统的输电线路巡检方式主要依赖人工巡检，这种方法不仅工作量大、效率低下，而且受环境条件影响较大，特别是在山区、森林等复杂地形条件下，人工巡检的难度和风险显著增加。如何提高输电线路巡检效率和精度，成为电力行业亟需解决的问题。近年来，随着无人机技术、北斗导航系统及人工智能技术的发展，利用无人机进行输电线路巡检逐渐成为一种新的趋势。无人机凭借其灵活性和高效性，可以显著提升输电线路巡检的效率。而北斗导航系统作为中国自主研发的全球卫星导航系统，不仅提供了高精度的定位服务，还具备抗干扰能力强、覆盖范围广等优势，为无人机的精准定位和航线规划提供了有力支持。鉴于此，本发明提出一种基于北斗的输电线路空中智能监拍方法，通过融合智能监拍和北斗导航定位技术实现对输电线路缺陷的及时发现和处理，提高输电线路的维护水平，保障电网的安全稳定运行。
技术实现思路
1、有鉴于此，本发明提供一种基于北斗的输电线路空中监拍方法，目的在于：1)利用北斗卫星采集输电线路铁塔的位置信息，并建立输电网络拓扑，将输电网络拓扑划分为若干待巡检的输电导线线路，并构建多无人机任务分配模型，求解得到巡检无人机数目最少、无人机飞行成本低于预设成本阈值且无人机巡检连续性函数值最小的最优巡检路径，避免无人机的飞行路线过长导致电量不足，无法对所有输电导线线路进行监拍，其中无人机巡检连续性函数越小，则表示无人机的巡检监拍结果的连续程度越高，所监拍输电线路为连续的输电线路图像，提高输电线路缺陷监控的准确性，并基于北斗卫星获取的地面高度信息，对无人机在最优巡检路径的飞行高度进行自适应高度调整，避免无人机飞行高度异常导致无法监拍到有效图像；2)无人机在巡检过程中拍摄输电线路图像数据，并根据图像数据中输电导线的识别情况，若识别到输电导线则说明巡检姿态正确，否则利用无人机姿态调控模型求解到无人机姿态调控参数，对无人机的偏航角、翻滚角以及俯仰角进行调整，并重新拍摄输电线路图像数据，提高输电线路监控的完备性，避免遗漏部分输电线路，无人机将所拍摄的输电线路图像数据上传至后台服务器，后台服务器根据输电线路图像数据进行输电线路监控。
2、为实现上述目的，本发明提供的一种基于北斗的输电线路空中监拍方法，包括以下步骤：
3、s1：利用北斗卫星获取输电线路的地理信息构建输电网络拓扑，根据输电网络拓扑构建基于无人机飞行成本的多无人机任务分配模型；
4、s2：对多无人机任务分配模型进行优化求解，得到无人机的最优巡检路径，并基于北斗卫星获取的地面高度信息，对无人机在最优巡检路径的飞行高度进行自适应高度调整，无人机按照自适应高度调整后的最优巡检路径进行巡检；
5、s3：构建无人机姿态调控模型，所述无人机姿态调控模型以无人机飞行坐标和输电线路坐标为输入，以无人机姿态调控参数为输出；
6、s4：无人机在巡检过程中使用高分辨率摄像头拍摄输电线路图像数据，对采集的输电线路图像数据进行图像识别，若识别到输电导线则说明巡检姿态正确，否则利用无人机姿态调控模型求解到无人机姿态调控参数，进行巡检姿态校正。
7、作为本发明的进一步改进方法：
8、可选地，所述s1步骤中利用北斗卫星获取输电线路的地理信息构建输电网络拓扑，包括：
9、利用北斗卫星获取输电线路的地理信息，构成输电网络拓扑g＝(e，v)，其中e表示输电网络拓扑g中n个输电节点所对应位置坐标集合：
10、e＝{en＝(xn，hn)|n∈[1，n]}
11、其中：
12、en表示输电网络拓扑中第n个输电节点所对应的位置坐标，n表示输电网络拓扑中的输电节点总数，其中输电网络拓扑中的输电节点表示用于支撑输电导线的输电线路铁塔；
13、xn表示位置坐标en中的经纬度坐标，即输电线路铁塔的经纬度坐标；
14、hn表示位置坐标en中的高度坐标，即输电线路铁塔的高度；
15、v表示输电网络拓扑g中n个输电节点之间的连接关系集合：
16、v＝{vn，i|n∈[1，n]，i∈[1，n]}
17、其中：
18、vn，i表示输电网络拓扑g中第n个输电节点与第i个输电节点之间的连接关系，若第n个输电节点与第i个输电节点之间存在不间断的输电导线，则vn，i＝1，否则vn，i＝0，其中不间断的输电导线表示导线中间不存在输电节点的输电导线；在本发明实施例中，vn，n＝0；
19、根据输电网络拓扑构建基于无人机飞行成本的多无人机任务分配模型，其中多无人机任务分配模型以最小化无人机数目为飞行成本目标，以能够遍历输电节点之间输电导线的多个无人机的巡检路径为输出。
20、可选地，所述根据输电网络拓扑构建基于无人机飞行成本的多无人机任务分配模型，包括：
21、根据输电网络拓扑构建基于无人机飞行成本的多无人机任务分配模型，其中多无人机任务分配模型以最小化无人机数目为飞行成本目标，以能够遍历输电节点之间输电导线的多个无人机的巡检路径为输出，所构建多无人机任务分配模型的表示形式为：
22、
23、其中：
24、f(θk)表示多无人机任务分配模型中的无人机巡检连续性函数，θk表示k组无人机巡检路径，θ(k)表示第k组无人机的巡检路径，k∈[1，k]；
25、θ(k，1)，θ(k，2)，...，θ(k，mk)，...，θ(k，mk)表示多无人机任务分配模型分配给第k组无人机的mk段巡检路线，θ(k，mk)表示分配给第k组无人机的第mk段巡检路线，mk∈[1，mk]；
26、dis(θ(k，mk)，θ(k，mk+1))表示巡检路线θ(k，mk)，θ(k，mk+1)之间的最近距离；
27、计算k组无人机巡检路径θk的无人机飞行成本：
28、
29、其中：
30、cost(θk)表示k组无人机巡检路径θk的无人机飞行成本；
31、dis(θ(k， mk))表示巡检路线θ(k， mk)的路线长度；
32、表示第k组无人机的巡检路线总长度。
33、可选地，所述s2步骤中对多无人机任务分配模型进行优化求解，得到无人机的最优巡检路径，包括：
34、对多无人机任务分配模型进行优化求解，得到无人机的最优巡检路径，其中优化求解流程为：
35、s21：设置当前进行巡检的无人机数目为k，其中k为无人机总数；
36、s22：将条输电线路随机分配至k个无人机，并重复步骤s22，得到u种分配方式，即u种k组无人机巡检路径，其中第u种k组无人机巡检路径为：
37、
38、其中：
39、表示第u种k组无人机巡检路径，θu，0(k)表示第k组无人机的巡检路径；
40、表示第k组无人机的段巡检路线，表示第u种k组无人机巡检路径中第k组无人机的巡检路线总数；
41、s23：设置k组无人机巡检路径的当前变异次数为d，d的初始值为0，最大值为max，则k组无人机巡检路径的第d次变异结果为
42、s24：计算得到每种k组无人机巡检路径的变异概率，其中的变异概率为：
43、
44、其中：
45、表示k组无人机巡检路径的变异概率，表示k组无人机巡检路径在无人机巡检连续性函数的函数值；
46、s25：k组无人机巡检路径基于变异概率进行变异，其中的变异公式为：
47、
48、其中：
49、rand(·)表示变异处理，表示按照预设选取次数选取待变异的k组无人机巡检路径中任意两组无人机的巡检路径，并对所选取的两组巡检路径中30％的巡检路线进行调换处理；
50、表示的变异结果；
51、对于未发生变异的k组无人机巡检路径，则令其第d+1次变异结果与第d次变异结果一致；
52、s26：令d＝d+1，返回步骤s24，直到达到最大迭代次数，并选取u种k组无人机巡检路径中无人机巡检连续性函数值最小的5种k组无人机巡检路径，计算所选取k组无人机巡检路径的无人机飞行成本，选取无人机飞行成本低于预设成本阈值且无人机巡检连续性函数值最小的k组无人机巡检路径作为当前k组无人机的最优巡检路径，并令k＝k-1，返回步骤s21；
53、若所选取k组无人机巡检路径的无人机飞行成本均不低于预设成本阈值，则将当前k+1组无人机的最优巡检路径作为求解结果，令k*＝k+1，其中第k*组无人机的最优巡检路径为θ*(k*)，k*∈[1，k*]。
54、可选地，所述基于北斗卫星获取的地面高度信息，对无人机在最优巡检路径的飞行高度进行自适应高度调整，包括：
55、基于北斗卫星获取的地面高度信息，对无人机在最优巡检路径的飞行高度进行自适应高度调整，其中第k*组无人机的最优巡检路径θ*(k*)中巡检路线θ*(k*，m)的飞行高度调整结果为：
56、
57、其中：
58、h1(θ*(k*，m))表示巡检路线θ*(k*，m)起点所对应输电节点的高度坐标；
59、h2(θ*(k*，m))表示巡检路线θ*(k*，m)终点所对应输电节点的高度坐标；
60、dis(θ*(k*，m))表示巡检路线θ*(k*，m)的总长度；
61、h(θ*(k*，m)，s)表示无人机沿巡检路线θ*(k*，m)飞行s米的飞行高度调整结果，s∈[0，dis(θ*(k*，m))]。
62、可选地，所述s3步骤中构建无人机姿态调控模型，包括：
63、构建无人机姿态调控模型，所述无人机姿态调控模型以无人机飞行坐标和输电线路坐标为输入，以无人机姿态调控参数为输出，其中无人机姿态调控模型部署在无人机的飞行控制单元中，飞行控制单元用于接收无人机拍摄的输电线路图像并将识别到的输电线路转换至世界坐标系下，得到输电线路坐标；无人机姿态调控模型接收无人机飞行坐标和输电线路坐标，并获取当前无人机所有旋翼的动力，以无人机飞行坐标和输电线路坐标的坐标重合度最高为目标，计算得到无人机姿态调控参数，将无人机姿态调控参数发送至飞行控制单元对无人机的姿态角进行调控，其中无人机姿态调控参数包括无人机的俯仰角、翻滚角以及偏航角。
64、可选地，所述s4步骤中无人机在巡检过程中使用高分辨率摄像头拍摄输电线路图像数据，对采集的输电线路图像数据进行图像识别，包括：
65、无人机在巡检过程中使用高分辨率摄像头拍摄输电线路图像数据，对采集的输电线路图像数据进行图像识别，其中输电线路图像数据i的图像识别流程为：
66、对输电线路图像数据i依次进行灰度化处理以及二值化处理；
67、对二值化处理后的输电线路图像数据i′进行卷积处理以及概率映射，得到输电线路图像数据i′中存在输电导线的概率：
68、
69、其中：
70、p(i′)表示输电线路图像数据i′中存在输电导线的概率，若概率高于预设的概率阈值，则表示识别到输电线路图像数据i中的输电导线；
71、w1表示卷积权重矩阵，*表示卷积运算，b表示偏置参数；
72、w2表示映射矩阵；
73、exp(·)表示以自然常数为底的指数函数；
74、若识别到输电导线则说明巡检姿态正确，否则利用无人机姿态调控模型求解到无人机姿态调控参数，进行巡检姿态校正并重新拍摄输电线路图像数据；无人机将所拍摄的输电线路图像数据上传至后台服务器，后台服务器根据输电线路图像数据拍摄结果进行输电线路监控。
75、可选地，所述利用无人机姿态调控模型求解到无人机姿态调控参数，进行巡检姿态校正，包括：
76、利用无人机姿态调控模型求解到无人机姿态调控参数，其中无人机姿态调控参数的求解流程为：
77、s41：飞行控制单元接收上一拍摄时刻无人机拍摄的输电线路图像，并将输电线路图像中的像素坐标依次转换至相机坐标系以及世界坐标系下，将世界坐标系下的转换坐标均值作为输电线路坐标(x0，y0，z0)；
78、s42：无人机姿态调控模型接收无人机飞行坐标(x，y， z)和输电线路坐标(x0，y0，z0)，并获取当前无人机所有旋翼的动力f，以无人机飞行坐标和输电线路坐标的坐标重合度最高为目标，计算得到无人机姿态调控参数，其中计算公式为：
79、
80、其中：
81、(α0，β0，y0)表示无人机在上一拍摄时刻的无人机姿态，依次对应偏航角、翻滚角以及俯仰角；
82、(α，β，γ)表示待计算求解的无人机姿态调控参数，依次对应偏航角、翻滚角以及俯仰角；
83、g表示无人机的质量，g表示重力加速度；
84、s43：将无人机姿态调控参数发送至飞行控制单元对无人机的姿态角进行调控。
85、为了解决上述问题，本发明提供一种基于北斗的输电线路空中监拍系统，其特征在于，所述系统包括：
86、巡检路径分配模块，用于利用北斗卫星获取输电线路的地理信息构建输电网络拓扑，根据输电网络拓扑构建基于无人机飞行成本的多无人机任务分配模型，对多无人机任务分配模型进行优化求解，得到无人机的最优巡检路径，并基于北斗卫星获取的地面高度信息，对无人机在最优巡检路径的飞行高度进行自适应高度调整，无人机按照自适应高度调整后的最优巡检路径进行巡检；
87、监拍模块，用于无人机在巡检过程中使用高分辨率摄像头拍摄输电线路图像数据，对采集的输电线路图像数据进行图像识别；
88、无人机姿态调整装置，用于构建无人机姿态调控模型，若输电线路图像数据中未识别到输电导线，利用无人机姿态调控模型求解到无人机姿态调控参数，进行巡检姿态校正。
89、为了解决上述问题，本发明还提供一种电子设备，所述电子设备包括：
90、存储器，存储至少一个指令；
91、通信接口，实现电子设备通信；及
92、处理器，执行所述存储器中存储的指令以实现上述所述的基于北斗的输电线路空中监拍方法。
93、为了解决上述问题，本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有至少一个指令，所述至少一个指令被电子设备中的处理器执行以实现上述所述的基于北斗的输电线路空中监拍方法。
94、相对于现有技术，本发明提出一种基于北斗的输电线路空中监拍方法，该技术具有以下优势：
95、首先，本方案提出一种多无人机任务分配方法，根据输电网络拓扑构建基于无人机飞行成本的多无人机任务分配模型，其中多无人机任务分配模型以最小化无人机数目为飞行成本目标，以能够遍历输电节点之间输电导线的多个无人机的巡检路径为输出，所构建多无人机任务分配模型的表示形式为：
96、
97、θk＝(θ(1)，θ(2)，...，θ(k)，...，θ(k))
98、θ(k)＝(θ(k，1)，θ(k，2)，...，θ(k，mk)，...，θ(k，mk))
99、
100、其中：f(θk)表示多无人机任务分配模型中的无人机巡检连续性函数，θk表示k组无人机巡检路径，θ(k)表示第k组无人机的巡检路径，k∈[1，k]；dis(θ(k，mk)，θ(k，mk+
101、1))表示巡检路线θ(k，mk)，θ(k，mk+1)之间的最近距离；计算k组无人机巡检路径θk的无人机飞行成本：
102、
103、其中：cost(θk)表示k组无人机巡检路径θk的无人机飞行成本；dis(θ(k，mk))表示巡检路线θ(k，mk)的路线长度；表示第k组无人机的巡检路线总长度。对多无人机任务分配模型进行优化求解，得到无人机的最优巡检路径。本方案利用北斗卫星采集输电线路铁塔的位置信息，并建立输电网络拓扑，将输电网络拓扑划分为若干待巡检的输电导线线路，并构建多无人机任务分配模型，求解得到巡检无人机数目最少、无人机飞行成本低于预设成本阈值且无人机巡检连续性函数值最小的最优巡检路径，避免无人机的飞行路线过长导致电量不足，无法对所有输电导线线路进行监拍，其中无人机巡检连续性函数越小，则表示无人机的巡检监拍结果的连续程度越高，所监拍输电线路为连续的输电线路图像，提高输电线路缺陷监控的准确性，并基于北斗卫星获取的地面高度信息，对无人机在最优巡检路径的飞行高度进行自适应高度调整，避免无人机飞行高度异常导致无法监拍到有效图像。
104、同时，本方案提出一种无人机监拍姿态调整方法，无人机在巡检过程中使用高分辨率摄像头拍摄输电线路图像数据，对采集的输电线路图像数据进行图像识别，其中输电线路图像数据i的图像识别流程为：对输电线路图像数据i依次进行灰度化处理以及二值化处理；对二值化处理后的输电线路图像数据i′进行卷积处理以及概率映射，得到输电线路图像数据i′中存在输电导线的概率：
105、
106、其中：p(i′)表示输电线路图像数据i′中存在输电导线的概率，若概率高于预设的概率阈值，则表示识别到输电线路图像数据i中的输电导线；w1表示卷积权重矩阵，*表示卷积运算，b表示偏置参数；w2表示映射矩阵；exp(·)表示以自然常数为底的指数函数；若识别到输电导线则说明巡检姿态正确，否则利用无人机姿态调控模型求解到无人机姿态调控参数，其中无人机姿态调控参数的求解流程为：飞行控制单元接收上一拍摄时刻无人机拍摄的输电线路图像，并将输电线路图像中的像素坐标依次转换至相机坐标系以及世界坐标系下，将世界坐标系下的转换坐标均值作为输电线路坐标(x0，y0，z0)；无人机姿态调控模型接收无人机飞行坐标(x，y，z)和输电线路坐标(x0，y0，z0)，并获取当前无人机所有旋翼的动力f，以无人机飞行坐标和输电线路坐标的坐标重合度最高为目标，计算得到无人机姿态调控参数，其中计算公式为：
107、
108、其中：(α0，β0，γ0)表示无人机在上一拍摄时刻的无人机姿态，依次对应偏航角、翻滚角以及俯仰角；(α，β，γ)表示待计算求解的无人机姿态调控参数，依次对应偏航角、翻滚角以及俯仰角；g表示无人机的质量，g表示重力加速度；将无人机姿态调控参数发送至飞行控制单元对无人机的姿态角进行调控。无人机在巡检过程中拍摄输电线路图像数据，并根据图像数据中输电导线的识别情况，若识别到输电导线则说明巡检姿态正确，否则利用无人机姿态调控模型求解到无人机姿态调控参数，对无人机的偏航角、翻滚角以及俯仰角进行调整，并重新拍摄输电线路图像数据，提高输电线路监控的完备性，避免遗漏部分输电线路，无人机将所拍摄的输电线路图像数据上传至后台服务器，后台服务器根据输电线路图像数据进行输电线路监控。
1.一种基于北斗的输电线路空中监拍方法，其特征在于，所述方法包括：
2.如权利要求1所述的一种基于北斗的输电线路空中监拍方法，其特征在于，所述s1步骤中利用北斗卫星获取输电线路的地理信息构建输电网络拓扑，包括：
3.如权利要求2所述的一种基于北斗的输电线路空中监拍方法，其特征在于，所述根据输电网络拓扑构建基于无人机飞行成本的多无人机任务分配模型，包括：
4.如权利要求3所述的一种基于北斗的输电线路空中监拍方法，其特征在于，所述s2步骤中对多无人机任务分配模型进行优化求解，得到无人机的最优巡检路径，包括：
5.如权利要求4所述的一种基于北斗的输电线路空中监拍方法，其特征在于，所述基于北斗卫星获取的地面高度信息，对无人机在最优巡检路径的飞行高度进行自适应高度调整，包括：
6.如权利要求1所述的一种基于北斗的输电线路空中监拍方法，其特征在于，所述s3步骤中构建无人机姿态调控模型，包括：
7.如权利要求1所述的一种基于北斗的输电线路空中监拍方法，其特征在于，所述s4步骤中无人机在巡检过程中使用高分辨率摄像头拍摄输电线路图像数据，对采集的输电线路图像数据进行图像识别，包括：
8.如权利要求7所述的一种基于北斗的输电线路空中监拍方法，其特征在于，所述利用无人机姿态调控模型求解到无人机姿态调控参数，进行巡检姿态校正，包括：
9.一种基于北斗的输电线路空中监拍系统，其特征在于，所述系统包括：
