一种基于数字孪生的5g+无人机输电线路巡检方法及系统
技术领域
1.本发明涉及输电线路智能巡检技术领域，特别是一种基于数字孪生的5g+无人机输电线路巡检方法及系统。
背景技术：2.目前输电线路分布广泛且有很多线路位于郊区，地形复杂，地势险峻，需要定期巡视检修才可以保障输电线路安全可靠的运行。随着输电线路巡检的力度加大，传统的人工巡检已经不能满足输电线路的巡检要求，无人机因其不同角度的高精度的拍摄图像，能够及时发现线路隐患，降低巡检人员的劳动强度以及高效可靠等优点，已经快速发展成为输电线路巡检的重要方式。但无人机有对输电线路的存在状态感知不全面，评估模型构建困难等问题。由于输电线路特殊的运行工况，在设备状态出现劣化趋势时，无法及时进行停电检修。
技术实现要素：3.本发明所要解决的技术问题是提供一种基于数字孪生的5g+无人机输电线路巡检方法及系统，基于数字孪生智能输电线路巡检总体构架采用5g+技术和无人机作为巡检工具和传输渠道，应用数字孪生技术创造一个虚拟输电线路环境，动态获取巡检路径并记录问题、智能化提出故障问题和应急方案以及预测预警。
4.为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种基于数字孪生的5g+无人机输电线路巡检方法，包括以下步骤：
5.步骤一、建立无人机数字孪生模型和巡检目标标准模型的虚拟场景，无人机在运行过程中通过北斗通信卫星实时将自身的位置信息同步到无人机数字孪生模型上；
6.步骤二、依据无人机虚拟模型的位置形态和虚拟场景下的待检测目标位置来计算无人机的目标转角，并将目标转角发送至无人机，无人机接收到转角数据后驱动无人机朝向待检测的区域稳定运行达到无人机相机朝向实时优化的目的；
7.步骤三、无人机将检测的输电线路视频图像等数据发送至平台层，平台层将输电线路视频结构化，根据输电线路进行设计建模及分析；
8.步骤四、将处理完的数据进行融合，建立全要素静态场景，数据驱动模型，最后建立一个实时更新的“数字孪生体”，用来支撑输电线路生命周期各项活动的决策。
9.优选的，所述无人机相机朝向实时优化通过虚实无人机来构建物理与信息的数据相互传输通道，来实现用实物来映射虚物，用虚物来控制实物的目的；
10.首先，在虚拟空间中构建无人机巡检和待巡检区域的数字孪生模型，然后通过数据传输通道，将无人机位置信息传输到平台层，使得数字孪生模型可以实时跟踪实体无人机的位置状态情况，从而形成具有分析、决策能力的数字孪生模型；在接收到无人机的位置信息后，虚拟无人机数字孪生模型根据自身位置和待检测位置计算出无人机目标转角，将转角信息发送至实体无人机上，实体无人机通过接收到的转角数据进行转动。
11.优选的，所述计算无人机的目标转角的方法为：
12.将世界坐标系o-xyz中待检测区域点坐标变换到坐标系o
4-x4y4z4中需要经过多步移轴、转轴变换，具体描述为：
13.m＝(t0r
0xr0yr0z
)t
01r12xr23x
t
34
14.将各变换矩阵相乘可得总变换矩阵m相乘，即可得到待检测目标在o
4-x4y4z4坐标系下的坐标p4，将p4转换为极坐标表示，γ和即为云台无人机转角，计算完成后，具体描述为：
[0015][0016][0017]
式中：m为总变换矩阵；p4为待监测目标在无人机自身坐标系下的坐标；x，y，z为无人机在世界坐标系下的待监测点x轴，y轴，z轴坐标值；x4，y4，z4为无人机自身坐标系下的x轴，y轴，z轴坐标值；为p4转换为极坐标下的坐标值所需要的数值；γ和θ为云台的无人机转角。
[0018]
实现所述无人机输电线路巡检方法的巡检系统，包括设备及物理层、输电线路iaas、平台层及人机交互层，设备及物理层通过输电线路iaas与平台层无线连接，平台层与人机交互层连接；
[0019]
设备及物理层包括5g+无人机系统和输电线路5g专用网络、北斗卫星通信网络、wifi网络；
[0020]
输电线路iaas为输电线路云基础设施，包括服务器、存储器、5g网络、北斗卫星通信网络，
[0021]
平台层包括输电线路视频结构化模块、输电线线路数据建模和分析模块、输电线路组件智能库及数字孪生场景平台；
[0022]
人机交互层包括电脑显示屏、投影仪。
[0023]
优选的，所述5g+无人机系统包括无人机机库、无人机系统、通信系统及指挥中心，无人机机库用于无人机的作业起降、充电、存放以及维护；
[0024]
无人机系统是信息采集的前端设备，具有数据采集，视频采集和定位识别追踪、巡检任务；
[0025]
通信系统是通信运营管理商搭建的覆盖巡检设计的主要监管区域的5g网络，满足无人机联网控制和监测数据传输需求，兼容北斗卫星通信网络，是输电线路智能巡检，数据采集及传输、视频采集的能力支撑；
[0026]
指挥中心满足无人机看管的要求，用于数据采集与分析，巡检故障预警及告警，报告自助生成；覆盖飞行前的准备工作，飞行中的监控工作及飞行后处理工作。
[0027]
本发明提供一种基于数字孪生的5g+无人机输电线路巡检方法及系统，具有以下有益效果：
[0028]
1、采用虚实空间的数据交换同步无人机位置信息，获取待监测区域的真实图像信息并以此为数据通过图像处理等算法判断位置，角度是否正确。相比于传统的无人机监测，效率更高，结果更为精确。
[0029]
2、采用基于数字孪生的5g+无人机输电线路巡检方法，有着监测结果信息传输速度快，信息传输结果准确性更高，数字图像结果标准化提高的优点。为实现规范化、标准化的无人机安全巡检作业奠定了基础。
[0030]
3、数字孪生技术打通了实体—感知—建模—应用的流程，对输电线路的运行状态进行全面感知，依靠大数据分析构件孪生体，实现了输电线路巡检中状态差异花评价，故障精准诊断以及状态准确预测等优点。
附图说明
[0031]
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
[0032]
图1为本发明的结构示意图；
[0033]
图2为本发明的空间坐标变换示意图；
[0034]
图3为本发明的5g+无人机输电线路巡检部署视图。
具体实施方式
[0035]
一种基于数字孪生的5g+无人机输电线路巡检方法，包括以下步骤：
[0036]
步骤一、建立无人机数字孪生模型和巡检目标标准模型的虚拟场景，无人机在运行过程中通过北斗通信卫星实时将自身的位置信息同步到无人机数字孪生模型上；
[0037]
步骤二、依据无人机虚拟模型的位置形态和虚拟场景下的待检测目标位置来计算无人机的目标转角，并将目标转角发送至无人机，无人机接收到转角数据后驱动无人机朝向待检测的区域稳定运行达到无人机相机朝向实时优化的目的；
[0038]
步骤三、无人机将检测的输电线路视频图像等数据发送至平台层，平台层将输电线路视频结构化，根据输电线路进行设计建模及分析；
[0039]
步骤四、将处理完的数据进行融合，建立全要素静态场景，数据驱动模型，最后建立一个实时更新的“数字孪生体”，用来支撑输电线路生命周期各项活动的决策。
[0040]
优选的，所述无人机相机朝向实时优化通过虚实无人机来构建物理与信息的数据相互传输通道，来实现用实物来映射虚物，用虚物来控制实物的目的；
[0041]
首先，在虚拟空间中构建无人机巡检和待巡检区域的数字孪生模型，然后通过数据传输通道，将无人机位置信息传输到平台层，使得数字孪生模型可以实时跟踪实体无人机的位置状态情况，从而形成具有分析、决策能力的数字孪生模型；在接收到无人机的位置信息后，虚拟无人机数字孪生模型根据自身位置和待检测位置计算出无人机目标转角，将转角信息发送至实体无人机上，实体无人机通过接收到的转角数据进行转动。无人机在输电线路巡检过程中可能由于相机的转动或者外界因素的干扰产生了晃动和偏转的现象，导致相机的视角偏离巡检的目标区域。为使无人机的相机可以稳定地朝向巡检的待测区域前进。
[0042]
优选的，所述计算无人机的目标转角的方法为：
[0043]
如图2所示，将世界坐标系o-xyz中待检测区域点坐标变换到坐标系o
4-x4y4z4中需要经过多步移轴、转轴变换，具体描述为：
[0044]
m＝(t0r
0xr0yr0z
)t
01r12xr23x
t
34
[0045]
将各变换矩阵相乘可得总变换矩阵m相乘，即可得到待检测目标在o
4-x4y4z4坐标系下的坐标p4，将p4转换为极坐标表示，γ和即为云台无人机转角，计算完成后，具体描述为：
[0046][0047][0048]
式中：m为总变换矩阵；p4为待监测目标在无人机自身坐标系下的坐标；x，y，z为无人机在世界坐标系下的待监测点x轴，y轴，z轴坐标值；x4，y4，z4为无人机自身坐标系下的x轴，y轴，z轴坐标值；为p4转换为极坐标下的坐标值所需要的数值；γ和θ为云台的无人机转角。
[0049]
实现所述无人机输电线路巡检方法的巡检系统，如图1所示，包括设备及物理层、输电线路iaas、平台层及人机交互层，设备及物理层通过输电线路iaas与平台层无线连接，平台层与人机交互层连接；
[0050]
设备及物理层包括5g+无人机系统和输电线路5g专用网络、北斗卫星通信网络、wifi网络；
[0051]
输电线路iaas为输电线路云基础设施，包括服务器、存储器、5g网络、北斗卫星通信网络，
[0052]
平台层包括输电线路视频结构化模块、输电线线路数据建模和分析模块、输电线路组件智能库及数字孪生场景平台；
[0053]
人机交互层包括电脑显示屏、投影仪。
[0054]
优选的，所述5g+无人机系统包括无人机机库、无人机系统、通信系统及指挥中心，无人机机库用于无人机的作业起降、充电、存放以及维护；
[0055]
无人机系统是信息采集的前端设备，具有数据采集，视频采集和定位识别追踪、巡检任务；
[0056]
通信系统是通信运营管理商搭建的覆盖巡检设计的主要监管区域的5g网络，满足无人机联网控制和监测数据传输需求，兼容北斗卫星通信网络，是输电线路智能巡检，数据采集及传输、视频采集的能力支撑；
[0057]
指挥中心满足无人机看管的要求，用于数据采集与分析，巡检故障预警及告警，报告自助生成；覆盖飞行前的准备工作，飞行中的监控工作及飞行后处理工作。
[0058]
本发明根据巡检线路上的数据利用数字孪生技术协助模拟及仿真，模拟在多种环境下的巡检过程的有效性；自动识别无人机拍摄的图像并对其进行定位，再与故障知识和维修知识库进行对比，对工作状态进行预测或预警提示；通过数据分析预测在多种环境下发生故障的可能性，并给出辅助决策预警，以便可以做到对出现的问题快速发现、处理并及时做出调整和记录。
[0059]
上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。
技术特征：1.一种基于数字孪生的5g+无人机输电线路巡检方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、建立无人机数字孪生模型和巡检目标标准模型的虚拟场景，无人机在运行过程中通过北斗通信卫星实时将自身的位置信息同步到无人机数字孪生模型上；步骤二、依据无人机虚拟模型的位置形态和虚拟场景下的待检测目标位置来计算无人机的目标转角，并将目标转角发送至无人机，无人机接收到转角数据后驱动无人机朝向待检测的区域稳定运行达到无人机相机朝向实时优化的目的；步骤三、无人机将检测的输电线路视频图像等数据发送至平台层，平台层将输电线路视频结构化，根据输电线路进行设计建模及分析；步骤四、将处理完的数据进行融合，建立全要素静态场景，数据驱动模型，最后建立一个实时更新的“数字孪生体”，用来支撑输电线路生命周期各项活动的决策。2.根据权利要求1所述一种基于数字孪生的5g+无人机输电线路巡检方法，其特征在于，所述无人机相机朝向实时优化通过虚实无人机来构建物理与信息的数据相互传输通道，来实现用实物来映射虚物，用虚物来控制实物的目的；首先，在虚拟空间中构建无人机巡检和待巡检区域的数字孪生模型，然后通过数据传输通道，将无人机位置信息传输到平台层，使得数字孪生模型可以实时跟踪实体无人机的位置状态情况，从而形成具有分析、决策能力的数字孪生模型；在接收到无人机的位置信息后，虚拟无人机数字孪生模型根据自身位置和待检测位置计算出无人机目标转角，将转角信息发送至实体无人机上，实体无人机通过接收到的转角数据进行转动。3.根据权利要求1所述一种基于数字孪生的5g+无人机输电线路巡检方法，其特征在于，所述计算无人机的目标转角的方法为：将世界坐标系o-xyz中待检测区域点坐标变换到坐标系o
4-x4y4z4中需要经过多步移轴、转轴变换，具体描述为：m＝(t0r
0x
r
0y
r
0z
)t
01
r
12x
r
23x
t
34
将各变换矩阵相乘可得总变换矩阵m相乘，即可得到待检测目标在o
4-x4y4z4坐标系下的坐标p4，将p4转换为极坐标表示，γ和即为云台无人机转角，计算完成后，具体描述为：即为云台无人机转角，计算完成后，具体描述为：式中：m为总变换矩阵；p4为待监测目标在无人机自身坐标系下的坐标；x，y，z为无人机在世界坐标系下的待监测点x轴，y轴，z轴坐标值；x4，y4，z4为无人机自身坐标系下的x轴，y轴，z轴坐标值；为p4转换为极坐标下的坐标值所需要的数值；γ和θ为云台的无人机转角。4.实现如权利要求1-3所述无人机输电线路巡检方法的巡检系统，其特征在于，包括设备及物理层、输电线路iaas、平台层及人机交互层，设备及物理层通过输电线路iaas与平台
层无线连接，平台层与人机交互层连接；设备及物理层包括5g+无人机系统和输电线路5g专用网络、北斗卫星通信网络、wifi网络；输电线路iaas为输电线路云基础设施，包括服务器、存储器、5g网络、北斗卫星通信网络，平台层包括输电线路视频结构化模块、输电线线路数据建模和分析模块、输电线路组件智能库及数字孪生场景平台；人机交互层包括电脑显示屏、投影仪。5.根据权利要求4所述的巡检系统，其特征在于，所述5g+无人机系统包括无人机机库、无人机系统、通信系统及指挥中心，无人机机库用于无人机的作业起降、充电、存放以及维护；无人机系统是信息采集的前端设备，具有数据采集，视频采集和定位识别追踪、巡检任务；通信系统是通信运营管理商搭建的覆盖巡检设计的主要监管区域的5g网络，满足无人机联网控制和监测数据传输需求，兼容北斗卫星通信网络，是输电线路智能巡检，数据采集及传输、视频采集的能力支撑；指挥中心满足无人机看管的要求，用于数据采集与分析，巡检故障预警及告警，报告自助生成；覆盖飞行前的准备工作，飞行中的监控工作及飞行后处理工作。
技术总结一种基于数字孪生的5G+无人机输电线路巡检方法，包括以下步骤：步骤一、建立无人机数字孪生模型和巡检目标标准模型的虚拟场景，无人机在运行过程中通过北斗通信卫星实时将自身的位置信息同步到无人机数字孪生模型上；本发明提供一种基于数字孪生的5G+无人机输电线路巡检方法及系统，基于数字孪生智能输电线路巡检总体构架采用5G+技术和无人机作为巡检工具和传输渠道，应用数字孪生技术创造一个虚拟输电线路环境，动态获取巡检路径并记录问题、智能化提出故障问题和应急方案以及预测预警。能化提出故障问题和应急方案以及预测预警。能化提出故障问题和应急方案以及预测预警。
技术研发人员：张龙斌 唐波 王茜雯 王玥 尚智宇 陈国庆 蔡晨林 刘思煜
受保护的技术使用者：三峡大学
技术研发日：2022.07.22
技术公布日：2022/11/1
