融合RTK视觉导航的无人机自主绕塔巡检方法及系统与流程

本发明涉及输电线路无人机巡检领域，更具体地说，涉及一种融合rtk视觉导航的无人机自主绕塔巡检方法及系统。

背景技术：

1、随着输电线路无人机巡检向自主化发展，rtk定位、视觉识别和惯性导航已用于杆塔航迹规划与位姿控制。专利cn110850889b公开了基于rtk定位并依据输电网图像走向调整无人机航向和高度的巡检系统；专利cn110133440a公开了匹配预建杆塔模型、获取无人机与杆塔相对位置并按照检视点实施巡检的方法；专利cn112229845a公开了通过杆塔类型数据库、多角度图像点云及部件识别模型形成绕塔航线的方案。上述技术侧重绝对定位、预建模型或部件识别，未针对杆塔金属构件造成的周向遮挡和多路径效应建立rtk环向可信度场，也未利用构件连接、层级、方位及延伸关系形成扇区语义拓扑指纹。当杆塔对称结构导致视觉匹配产生90°或180°跳变时，现有方法难以结合绕飞连续性排除伪闭环；rtk恢复后，亦缺少基于低可信航段入口、出口位姿回代修正视觉轨迹的机制。因此，有必要提出本发明的自主绕塔巡检方案。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种融合rtk视觉导航的无人机自主绕塔巡检方法及系统，其解决杆塔周向卫星信号可信程度分布不均、对称构件容易引起视觉扇区误匹配、rtk低可信航段的视觉惯性轨迹累积误差难以消除以及导航坐标域切换时航迹不连续的问题。

2、本发明通过以下技术方案来实现上述目的：融合rtk视觉导航的无人机自主绕塔巡检方法，所述方法包括：

3、获取待巡检杆塔的地理位置和多视角图像，识别杆塔中心轴，以所述杆塔中心轴为基准建立由环向角度、径向距离及相对高度表征的杆塔结构坐标系，并划分环向空间单元；

4、控制无人机执行绕塔探测飞行，采集rtk观测数据、惯性测量数据和视觉图像数据，依据rtk解算状态、载波相位残差、卫星空间分布以及rtk位置增量与视觉位移增量的一致性，确定各环向空间单元的rtk可信等级并构建rtk环向可信度场；

5、识别杆塔语义构件，根据构件间的连接、层级、方位及延伸关系构建杆塔语义拓扑图，生成各环向扇区的语义拓扑指纹；

6、将实时语义拓扑指纹与候选环向扇区匹配，并结合上一时刻扇区身份、绕塔方向及扇区连续到达关系确定当前扇区身份，排除不满足环向连续性的视觉伪闭环；

7、依据rtk可信等级在地理坐标域与杆塔结构坐标域之间切换导航；

8、根据低可信航段的入口rtk位姿、出口rtk位姿及视觉相对位姿序列计算闭合偏差，回代修正视觉轨迹并与rtk导航轨迹连接，生成连续绕塔巡检航迹。

9、进一步地，所述建立杆塔结构坐标系并划分环向空间单元，包括：

10、根据塔腿投影位置确定杆塔底部中心，根据不同高度处的杆塔主体轮廓中心及横担中心拟合杆塔中心轴；

11、以无人机绕杆塔中心轴的旋转角度作为环向角度，以无人机至杆塔中心轴的垂直距离作为径向距离，以无人机相对于杆塔基准面的垂直距离作为相对高度；

12、分别按照预设环向角度间隔、横担层级和安全绕飞距离形成环向区间、高度区间及径向区间，并将三者的交集确定为环向空间单元；

13、将处于同一环向区间的环向空间单元归入同一环向扇区，并根据无人机的绕塔方向建立相邻环向扇区的连续到达关系。

14、进一步地，所述构建rtk环向可信度场，包括：

15、在各环向空间单元对应的时间窗口内统计rtk固定解比例、载波相位残差、可用卫星数量及位置精度因子，并将rtk位置增量与视觉位移增量转换至杆塔结构坐标系；

16、根据所述rtk位置增量与视觉位移增量的方向偏差、位移量偏差和变化趋势偏差确定增量一致性；

17、当rtk固定解比例、载波相位残差、可用卫星数量、位置精度因子及增量一致性均满足高可信判据时，将对应环向空间单元标记为高可信空间单元；

18、当任一判定项连续超过对应阈值达到第一持续时长时，将对应环向空间单元标记为低可信空间单元；

19、按照环向角度和相对高度排列各环向空间单元的rtk可信等级，形成rtk环向可信度场。

20、进一步地，所述构建杆塔语义拓扑图，包括：

21、从多视角图像中识别塔腿、主材、斜材、横担、绝缘子、导线、地线支架和非对称附属构件，将识别出的杆塔语义构件作为拓扑节点；

22、根据构件间的物理连接状态、沿杆塔中心轴的排列顺序、相对于杆塔中心轴的左右分布及构件结构走向，分别建立连接边、层级边、方位边及方向边；

23、依据图像采集位姿、构件类别、所属高度层及相邻拓扑关系，关联不同图像中指向同一实体构件的拓扑节点，获得杆塔语义拓扑图。

24、进一步地，所述生成语义拓扑指纹，包括：

25、依据各环向扇区的观察方向，从杆塔语义拓扑图中筛选可见拓扑节点及其拓扑边；

26、按照相对高度和相对于杆塔中心轴的左右位置对可见拓扑节点排序；

27、将排序后的构件类别、连接顺序、横担层级、绝缘子挂接方向、导线延伸方向及非对称附属构件方位编码为有序拓扑特征序列，形成对应环向扇区的语义拓扑指纹；

28、将在相邻图像中连续出现且类别及拓扑邻接关系一致的节点确定为有效指纹节点，剔除低于节点识别置信阈值且未连续出现的节点。

29、进一步地，所述确定当前扇区身份并排除视觉伪闭环，包括：

30、根据实时rtk位置对应的环向角度确定初始候选扇区，将所述初始候选扇区、上一时刻扇区及沿当前绕塔方向相邻的扇区组成候选扇区集合；

31、计算实时语义拓扑指纹与各候选扇区语义拓扑指纹之间的节点类别匹配率、拓扑边匹配率和节点顺序匹配率；

32、从满足指纹匹配阈值的候选扇区中选择符合上一时刻扇区身份及连续到达关系的扇区作为当前扇区；

33、当最高匹配扇区发生90°或180°跳变，且对应环向位移超过依据采样间隔和环向速度确定的可达位移时，将该结果标记为视觉伪闭环并禁止更新扇区身份。

34、进一步地，所述切换导航包括：

35、进入高可信空间单元时，以rtk绝对位置作为地理坐标域的位置基准，根据视觉图像中的杆塔中心轴、塔腿或横担确定径向偏差、高度偏差和拍摄朝向偏差，并修正绕塔飞行控制量；

36、进入低可信空间单元时，保存最后一个稳定rtk位姿，停止将rtk瞬时位置变化量输入飞行控制回路并切换至杆塔结构坐标域；

37、根据视觉位移增量更新环向位移、径向距离和相对高度，根据惯性测量数据更新姿态，并依据当前扇区身份约束环向位移方向；

38、仅在rtk可信等级连续满足高可信判据达到第二持续时长后恢复地理坐标域导航，所述第二持续时长大于第一持续时长。

39、进一步地，所述回代修正包括：

40、以进入低可信空间单元前的稳定rtk位姿作为入口rtk位姿，累计低可信航段的视觉相对位姿序列，获得视觉预测出口位姿；

41、在恢复稳定rtk定位后，将视觉预测出口位姿与出口rtk位姿转换至同一坐标系，计算位置闭合偏差、航向闭合偏差和高度闭合偏差；

42、根据各视觉相对位姿对应的累计飞行距离与低可信航段总飞行距离的比值确定偏差分配比例，将各闭合偏差按照所述偏差分配比例回代至各视觉相对位姿，使修正后的视觉轨迹在航段入口和出口分别与入口rtk位姿和出口rtk位姿连续。

43、进一步地，所述生成连续绕塔巡检航迹，包括：

44、根据入口扇区身份、出口扇区身份及绕塔方向校验低可信航段的扇区顺序，删除不满足连续到达关系的异常视觉位姿，并依据相邻有效视觉位姿进行轨迹插补；

45、在视觉轨迹与rtk导航轨迹的连接区间，对环向角度、径向距离、相对高度和航向角进行连续化处理；

46、根据各环向扇区的语义拓扑指纹确定待巡检构件的高度层及环向方位，在连续绕塔巡检航迹上生成拍摄位姿，所述拍摄位姿包括无人机位置、机头航向、云台偏航角及云台俯仰角。

47、融合rtk视觉导航的无人机自主绕塔巡检系统，用于执行上述的融合rtk视觉导航的无人机自主绕塔巡检，所述系统包括：

48、空间建模模块，用于建立杆塔结构坐标系并划分环向空间单元及环向扇区；

49、数据采集模块，用于采集rtk观测数据、惯性测量数据和视觉图像数据；

50、可信度场构建模块，用于根据rtk解算状态、载波相位残差、卫星空间分布以及rtk位置增量与视觉位移增量的一致性确定rtk可信等级，构建rtk环向可信度场；

51、语义拓扑模块，用于构建杆塔语义拓扑图并生成语义拓扑指纹；

52、扇区判定模块，用于匹配实时语义拓扑指纹，结合上一时刻扇区身份、绕塔方向及连续到达关系确定当前扇区身份并排除视觉伪闭环；

53、导航切换模块，用于依据rtk可信等级在地理坐标域与杆塔结构坐标域之间切换导航；

54、航段修正模块，用于根据入口rtk位姿、出口rtk位姿及视觉相对位姿序列计算航段闭合偏差并回代修正视觉轨迹；

55、航迹生成模块，用于连接修正后的视觉轨迹与rtk导航轨迹，生成包含拍摄位姿的连续绕塔巡检航迹。

56、本发明的有益效果在于：

57、1、本发明通过初始探测飞行获得杆塔不同环向空间单元内的rtk解算状态、载波相位残差、卫星空间分布及rtk视觉增量一致性，并构建以杆塔中心轴为基准的rtk环向可信度场，能够表征杆塔遮挡和多路径效应随绕飞方位变化形成的定位可靠性差异，避免仅依据单时刻rtk状态进行导航切换产生误判。

58、2、本发明利用塔腿、主材、斜材、横担、绝缘子、导线、地线支架及非对称附属构件之间的连接关系、层级关系、方位关系和延伸方向关系构建杆塔语义拓扑图，并形成各环向扇区的语义拓扑指纹，使环向位置识别由局部纹理匹配转变为结构语义匹配，提高重复构件和弱纹理环境下的扇区识别稳定性。

59、3、本发明将语义拓扑指纹匹配结果与上一时刻扇区身份、绕塔方向、环向速度及扇区连续到达关系结合，对不满足环向可达位移约束的90°或180°匹配跳变进行排除，能够抑制杆塔对称结构造成的视觉伪闭环，降低无人机错误换向或航迹突跳的风险。

60、4、本发明依据rtk可信等级在地理坐标域与杆塔结构坐标域之间切换导航，在rtk低可信状态下停止利用异常rtk瞬时位置直接修正飞行轨迹，并根据环向位移、径向距离、相对高度及惯性姿态维持绕塔飞行，提高卫星信号遮挡区域内的航迹连续性和飞行安全性。

61、5、本发明利用低可信航段的入口rtk位姿、出口rtk位姿及视觉相对位姿序列计算航段闭合偏差，并按照累计飞行距离将闭合偏差回代至视觉轨迹，使视觉轨迹与rtk导航轨迹在航段入口和出口处连续连接，降低视觉惯性累计误差，提高巡检图像与杆塔空间位置之间的对应精度。