输电线路无人机机器人协同作业动态规划方法及系统与流程

本发明涉及电力线路智能检修技术，具体涉及一种输电线路无人机机器人协同作业动态规划方法及系统。

背景技术：

1、输电线路具有电压等级高、输送距离长、线路跨度大、设备结构复杂、运行环境恶劣等特点。随着输电线路规模持续扩大，传统人工巡检和检修方式面临安全风险高、作业效率低、劳动强度大和环境适应能力不足等问题。

2、目前，无人机和线路检修机器人已逐步应用于输电线路运维。无人机具有快速抵近、灵活机动和视角多样等优势，适合执行线路巡视、目标定位和状态感知任务；线路检修机器人能够沿导线行走，并完成缺陷检测、金具状态确认、螺栓紧固、异物清除等带有接触或近距离操作需求的检修任务。

3、然而，现有技术仍存在以下不足：

4、第一，现有无人机与检修机器人多采用分阶段协同方式，通常只关注无人机如何投放机器人、机器人如何上线、机器人如何沿线行走或无人机如何回收机器人，缺少对“投放、附线、作业、回收”全过程条件的统一判断机制。

5、第二，现有规划方法多以单一投放点、路径点或回收点为规划对象，缺少对导线上满足不同作业动作条件的局部可行区域进行统一筛选的方法，导致机器人可能被投放至不利于后续作业或回收的位置。

6、第三，现有路径规划方法多关注路径长度、障碍风险和能耗，未将“未来能否安全回收”作为投放和检修作业前的前置约束，可能出现机器人能够到达检修位置、能够完成检修操作，但任务完成后无法被无人机安全回收的情况。

7、第四，输电线路作业环境中存在导线弧垂明显、导线摆动、强风扰动、金具密集、带电安全距离要求高、电磁环境复杂等特点。现有技术难以将这些因素与无人机投放、机器人附线、检修操作和无人机回收进行统一规划。

8、因此，亟需提出一种能够基于线域作业可行区进行准入判定的无人机—检修机器人协同动态规划方法，在作业前即完成“可投放、可附线、可作业、可回收”的联合判断，从而提高复杂工况下输电线路机器人化检修作业的安全性和连续性。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术中的不足，提供一种输电线路无人机机器人协同作业动态规划方法及系统，通过构建无人机投放可行区、检修机器人附线锁定可行区、检修作业可行区和无人机回收可行区，并基于无人机投放可行度、检修机器人附线锁定成功度、检修作业可执行度和预回收可达度构建协同作业准入判定函数，使无人机—检修机器人协同任务只有在满足“可投放、可附线、可作业、可回收”的条件下执行。本发明进一步将预回收可达度作为投放和检修操作前的前置约束，在机器人进入检修作业区域前预判其未来是否能够被无人机安全回收，从而避免机器人进入“可到达、可作业但不可回收”的危险状态。

2、为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、一种输电线路无人机机器人协同作业动态规划方法，包括以下步骤：

4、s1，获取无人机状态信息、检修机器人状态信息、输电线路的线域状态信息、障碍物语义信息、环境扰动信息和检修任务信息；

5、s2，基于无人机状态信息、检修机器人状态信息、线域状态信息、障碍物语义信息、环境扰动信息和检修任务信息，在目标线路上生成线域作业可行区集合；线域作业可行区集合包括无人机投放可行区、检修机器人附线锁定可行区、检修作业可行区和无人机回收可行区；

6、s3，计算无人机投放可行度、检修机器人附线锁定成功度、检修作业可执行度和预回收可达度；

7、s4，根据无人机投放可行度、检修机器人附线锁定成功度、检修作业可执行度和预回收可达度，构建协同作业准入判定函数；

8、s5，当协同作业准入判定函数满足预设准入条件时，生成协同任务序列；

9、当所述协同作业准入判定函数不满足预设准入条件时，重新选择无人机投放可行区、检修机器人附线锁定可行区、检修作业可行区或无人机回收可行区，并对协同任务序列进行动态重规划；

10、s6，在协同任务执行过程中，实时更新线域作业可行区集合，并持续计算在线修正触发值，当满足触发条件时，对协同任务序列进行在线修正；

11、s7，当检修任务完成、预回收可达度低于预设回收准入阈值或无人机状态不满足后续协同作业要求，控制检修机器人移动至满足回收条件的无人机回收可行区，并控制无人机执行对接回收、安全等待或应急返航。

12、为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

13、进一步地，s2中，所述线域作业可行区集合表示为：

14、ω(t) = { ω_drop(t)，ω_lock(t)，ω_work(t)，ω_recycle(t) }

15、式中，ω(t) 表示 t 时刻的线域作业可行区集合；ω_drop(t) 表示无人机投放可行区；ω_lock(t) 表示检修机器人附线锁定可行区；ω_work(t) 表示检修作业可行区；ω_recycle(t) 表示无人机回收可行区；

16、所述无人机投放可行区、检修机器人附线锁定可行区、检修作业可行区和无人机回收可行区分别按照对应的作业动作类型生成，生成方式为：

17、ω_type(t)={ s∈s|s_area_type(s,t)≥s_min_type，且c_type(s,t)=1}

18、式中，type表示作业动作类型，；

19、当type=drop时，ω_type(t)对应无人机投放可行区ω_drop(t)；当type =lock时，ω_type(t) 对应检修机器人附线锁定可行区ω_lock(t)；当type=work时，ω_type(t)对应检修作业可行区ω_work(t)；当type=recycle时，ω_type(t)对应无人机回收可行区ω_recycle(t)；s表示目标线路的候选线域位置集合；s表示目标线路上的候选线域位置；s_area_type(s,t)表示候选线域位置s在t时刻对应作业动作类型type的综合评分；s_min_type表示作业动作类型type对应的最小可行评分阈值；c_type(s,t)表示作业动作类型type对应的硬约束满足状态，当候选线域位置满足该类作业动作所需的带电安全距离、空间尺度、姿态匹配和任务操作约束时取值为1，否则取值为0。

20、进一步地，所述候选线域位置s在t时刻对应作业动作类型type的综合评分s_area_type(s,t)通过如下公式计算：

21、s_area_type(s,t)=w1×s_line(s,t) + w2×s_uav(s,t) + w3×s_robot(s,t)+ w4×s_task(s,t)w5×r_obstacle(s,t)w6×r_env(s,t)w7×r_electric(s,t)

22、式中，s_line(s,t) 表示线路稳定度，用于表征导线弧垂、曲率和摆动状态；s_uav(s,t) 表示无人机作业裕度，用于表征无人机剩余电量、载荷能力和悬停稳定性；s_robot(s,t) 表示检修机器人匹配度，用于表征机器人姿态、夹持机构和作业机构与当前位置的匹配程度；s_task(s,t) 表示任务满足度，用于表征当前区域是否满足检修任务所需的空间、角度和操作条件；r_obstacle(s,t)表示障碍物风险；r_env(s,t)表示环境扰动风险；r_electric(s,t) 表示带电安全距离风险；w1～w7表示各评价项的权重系数。

23、进一步地，s3中，所述无人机投放可行度通过如下公式计算：

24、f_drop(s,t) = σ[ a1×s_uav(t) + a2×s_position(s,t) + a3×s_line(s,t)+ a4×s_pose(s,t)a5×r_collision(s,t)a6×r_env(t) ]

25、其中，f_drop(s,t) 表示候选线域位置 s 在 t 时刻的无人机投放可行度；σ为归一化函数：，

x为被归一化的量，s_uav(t) 表示无人机状态裕度；s_position(s,t) 表示投放位置匹配度；s_line(s,t) 表示线路稳定度；s_pose(s,t) 表示检修机器人附线姿态匹配度；r_collision(s,t) 表示投放碰撞风险；r_env(t) 表示环境扰动风险；a1～a6 表示投放可行度中各项的评价权重；

26、当 f_drop(s,t) ≥ t_drop 时，判定候选线域位置 s 满足无人机投放准入条件；其中，t_drop 表示无人机投放准入阈值。

27、进一步地，s3中，所述检修机器人附线锁定成功度通过如下公式计算：

28、f_lock(s,t) = σ[ b1×s_clamp(s,t) + b2×s_force(s,t) + b3×s_pose(s,t) + b4×s_speed(s,t)b5×r_impact(s,t) ]

29、式中，f_lock(s,t)表示候选线域位置s在t时刻的检修机器人附线锁定成功度；σ为归一化函数；s_clamp(s,t)表示夹持闭合度；s_force(s,t)表示夹持力稳定度；s_pose(s,t)表示机器人姿态对准度；s_speed(s,t)表示机器人与导线之间相对速度衰减程度；r_impact(s,t)表示投放冲击风险；b1～b5表示附线锁定成功度中各项的评价权重；

30、当f_lock(s,t) ≥t_lock时，判定检修机器人附线锁定成功；其中，t_lock表示附线锁定准入阈值。

31、进一步地，s3中，所述检修作业可执行度通过如下公式计算：

32、f_work(s,t)=σ[c1×s_dof(s,t) + c2×s_space(s,t) + c3×s_task(s,t) +c4×s_stable(s,t)c5×r_env(s,t)c6×r_block(s,t) ]

33、式中，f_work(s,t)表示候选线域位置s在t时刻的检修作业可执行度；σ为归一化函数；s_dof(s,t)表示作业末端自由度匹配度；s_space(s,t)表示线路局部空间匹配度；s_task(s,t)表示任务操作约束满足度；s_stable(s,t)表示机器人姿态稳定度；r_env(s,t)表示环境扰动风险；r_block(s,t)表示障碍阻碍风险；c1～c6表示检修作业评价权重；

34、当f_work(s,t) ≥t_work时，判定该位置满足检修作业准入条件；其中，t_work表示检修作业准入阈值。

35、进一步地，s3中，所述预回收可达度通过如下公式计算：

36、f_recycle_pre(s,t) = σ[ d1×s_battery(t) + d2×s_reach(s,t) + d3×s_dock(s,t)

37、d4×r_obstacle_recycle(s,t)d5×r_wind(t)d6×c_return(s,t) ]

38、式中，f_recycle_pre(s,t) 表示检修机器人位于候选线域位置 s在t 时刻的预回收可达度；σ为归一化函数；s_battery(t) 表示无人机剩余电量裕度；s_reach(s,t) 表示无人机抵近回收位置的几何可达性；s_dock(s,t) 表示无人机与检修机器人的对接姿态匹配度；r_obstacle_recycle(s,t) 表示回收路径障碍风险；r_wind(t) 表示回收过程风扰风险；c_return(s,t) 表示检修机器人当前位置至安全回收可行区的返回距离代价，d1～d6 表示预回收可达度评价权重；

39、返回距离代价 c_return(s,t) 通过如下公式计算：

40、c_return(s,t) = d_return(s,ω_recycle) / d_max

41、式中，d_return(s,ω_recycle) 表示检修机器人从当前位置 s 沿导线移动至无人机回收可行区ω_recycle 的最短线域距离；d_max 表示允许最大返回距离；

42、当 f_recycle_pre(s,t) ≥ t_recycle 时，判定该位置满足预回收准入条件；其中，t_recycle 表示回收准入阈值；

43、当 f_recycle_pre(s,t)

44、进一步地，s4中，所述协同作业准入判定函数具体为：

45、当且仅当同时满足以下四个条件：

46、f_drop(s,t) ≥ t_drop；

47、f_lock(s,t) ≥ t_lock；

48、f_work(s,t) ≥ t_work；

49、f_recycle_pre(s,t) ≥ t_recycle，a(s,t) = 1，

50、否则：

51、a(s,t) = 0；

52、式中：a(s,t) 表示候选线域位置 s 在 t 时刻的协同作业准入判定函数；a(s,t)= 1 表示允许执行当前协同任务序列；a(s,t) = 0 表示禁止执行当前协同任务序列，并触发线域作业可行区重选或任务序列重规划；f_drop(s,t) 表示候选线域位置 s 在 t 时刻的无人机投放可行度；t_drop 表示无人机投放准入阈值；f_lock(s,t)表示候选线域位置s在t时刻的检修机器人附线锁定成功度；t_lock表示附线锁定准入阈值；f_work(s,t)表示候选线域位置s在t时刻的检修作业可执行度；t_work 表示检修作业准入阈值；f_recycle_pre(s,t) 表示检修机器人位于候选线域位置 s在t 时刻的预回收可达度；t_recycle 表示回收准入阈值。

53、进一步地，s6具体为：

54、在线修正触发值通过如下公式计算：

55、k(t) = p1×δr_obstacle(t) + p2×δr_stable(t) + p3×δs_area(t) + p4×δf_drop(t) + p5×δf_recycle_pre(t) + p6×e_task(t)

56、式中：k(t) 表示 t 时刻的在线修正触发值，δr_obstacle(t) 表示障碍物风险变化量；δr_stable(t) 表示检修机器人姿态稳定风险变化量；δs_area(t) 表示线域作业可行区综合评分变化量；δf_drop(t) 表示无人机投放可行度变化量；δf_recycle_pre(t) 表示预回收可达度变化量；e_task(t) 表示任务执行误差；p1～p6 表示在线修正触发项的权重系数；

57、当 k(t) ≥ k_th 时，触发协同任务序列的在线修正；其中，k_th 表示预设在线修正触发阈值。

58、本发明还提出一种输电线路无人机机器人协同作业动态规划系统，包括：

59、多源感知模块，用于获取无人机状态信息、检修机器人状态信息、输电线路的线域状态信息、障碍物语义信息、环境扰动信息和检修任务信息；

60、线域作业可行区生成模块，用于基于无人机状态信息、检修机器人状态信息、线域状态信息、障碍物语义信息、环境扰动信息和检修任务信息，在目标线路上生成线域作业可行区集合；线域作业可行区集合包括无人机投放可行区、检修机器人附线锁定可行区、检修作业可行区和无人机回收可行区；

61、投放可行度计算模块，用于计算无人机投放可行度；

62、附线锁定成功度计算模块，用于计算检修机器人附线锁定成功度；

63、检修作业可执行度计算模块，用于计算检修作业可执行度；

64、预回收可达度计算模块，用于计算预回收可达度；

65、协同作业准入判定模块，用于根据无人机投放可行度、检修机器人附线锁定成功度、检修作业可执行度和预回收可达度，构建协同作业准入判定函数；基于协同作业准入判定函数判断是否允许执行协同任务序列；当协同作业准入判定函数满足预设准入条件时，生成协同任务序列；当所述协同作业准入判定函数不满足预设准入条件时，重新选择无人机投放可行区、检修机器人附线锁定可行区、检修作业可行区或无人机回收可行区，并对协同任务序列进行动态重规划；

66、在线重规划模块，用于在协同任务执行过程中，实时更新线域作业可行区集合，并持续计算在线修正触发值，当满足触发条件时，对协同任务序列进行在线修正；

67、回收控制模块，用于当检修任务完成、预回收可达度低于预设回收准入阈值或无人机状态不满足后续协同作业要求，控制检修机器人移动至满足回收条件的无人机回收可行区，并控制无人机执行对接回收、安全等待或应急返航。

68、本发明的有益效果是：

69、第一，本发明由单点投放规划提升为线域作业可行区规划，不再仅针对一个投放点、对接点或路径点进行规划，而是同时构建无人机投放可行区、检修机器人附线锁定可行区、检修作业可行区和无人机回收可行区，实现无人机与检修机器人全过程协同作业条件的统一筛选。

70、第二，本发明由事后回收判断提升为预回收约束，在机器人投放和检修操作前即计算预回收可达度，将回收安全性作为前置约束，避免机器人进入“可作业但不可回收”的危险状态。

71、第三，本发明由单路径最优提升为准入判定下的协同任务序列最优，通过协同作业准入判定函数，将投放可行度、附线锁定成功度、检修作业可执行度和预回收可达度联合判断，使任务规划不再局限于路径最短、能耗最低或单一避障。

72、第四，本发明与具体机械锁定结构和投取装置解耦，不限定夹板、导轨、电磁铁、伸缩腿等具体结构，而是面向不同检修机器人和不同无人机平台提供可复用的协同规划方法。

73、第五，本发明更适合输电复杂工况，将导线弧垂、曲率、摆动、金具密集区、带电安全距离、风扰和回收可行区可达性纳入统一评价，适用于跨江跨海、大跨越、山区、强风和复杂金具区等典型作业场景。

74、第六，本发明能够在作业过程中实时更新线域作业可行区，并根据环境变化、障碍风险变化、机器人姿态变化、无人机状态变化和预回收可达度变化进行在线重规划，提高复杂动态环境下无人机—检修机器人协同作业的连续性和安全性。