CN106873627A - 一种自动巡检输电线路的多旋翼无人机及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自动巡检输电线路的多旋翼无人机及方法，无人机包括机器视觉单元、飞行控制单元、线路拍摄单元和电池供电单元；机器视觉单元和线路拍摄单元均与飞行控制单元相连；机器视觉单元实时捕获输电线路的图像信息，并根据捕获的图像信息计算出各条输电线路位于图像中的位置和方向，以及各条输电线路在图像中的相对距离，然后将此数据发送给飞行控制模块以稳定无人机相对输电线路的位置、方向和高度，使无人机平行跟随线路飞行；所述线路拍摄单元，用于无人机平行跟随线路飞行时，获取输电线路的图像信息。本发明提高了无人机巡检输电线路的准确性和安全性，改善了拍摄画面的稳定性，降低了无人机巡检的人力成本。

Description

一种自动巡检输电线路的多旋翼无人机及方法

技术领域

本发明涉及无人机输电线路巡检领域，尤其是涉及一种可以自动巡检输电线路的多旋翼无人机及方法。

背景技术

2020年中国输电线路总长或超159万千米，而输电线路巡检工作是保证安全、可靠供电的重要的、不可缺少的工作。近年来，随着遥控无人机技术的发展，采用无人机巡检电力线路已经具备了技术上的可行性。

目前，电力巡检领域采用遥控无人机巡检的方式虽然相比于之前的人工巡检方式，效率有了很大提升，但在线路巡检时，遥控无人机的方式仍然面临难以稳定跟随输电线路，难以保证平行线路拍摄角度，需要专业飞行人员操作等问题。

发明内容

本发明目的是为了解决遥控无人机在输电线路巡检过程中所面临的技术难题，提供一种自动巡检输电线路的多旋翼无人机及方法，本发明基于机器视觉技术，能自动跟随输电线路飞行，提高了无人机巡检输电线路的准确性和安全性，改善了拍摄画面的稳定性，降低了无人机巡检的人力成本。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种自动巡检输电线路的多旋翼无人机，包括机器视觉单元、飞行控制单元、线路拍摄单元和电池供电单元；所述机器视觉单元和线路拍摄单元均与飞行控制单元相连；所述电池供电单元为无人机***提供电压；

所述机器视觉单元，用于实时捕获输电线路的图像信息，并根据捕获的图像信息计算出各条输电线路位于图像中的位置和方向，以及各条输电线路在图像中的相对距离，然后将此数据发送给飞行控制模块以稳定无人机相对输电线路的位置、方向和高度，使无人机平行跟随线路飞行；

所述线路拍摄单元，用于平行线路飞行时，获取输电线路的图像信息；

所述机器视觉单元，包括图像处理模块和数字摄像头。图像处理模块采用Cortex-A53架构芯片为嵌入处理器，搭载Linux操作***，具有较快的运算速度，图像处理模块具有供电单元，可使用5V电源作为输入电源。所述图像处理模块，用于实时计算出各条输电线路位于图像中的位置和方向，以及各条输电线路在图像中的相对距离，并将此数据发送给飞行控制模块以稳定无人机相对输电线路的位置、方向和高度。数字摄像头采用OV系列，具有200W以上像素，用于捕获输电线路的图像信息。

所述飞行控制单元，包括主控板，采用Cortex-M4架构芯片为嵌入处理器，用于实时处理机器视觉单元的探测数据，控制无人机自动跟随输电线路飞行；处理无人机各传感器数据，维持无人机本体飞行稳定；处理电池电压检测单元数据，控制无人机安全返航。

所述线路拍摄单元，包括电动云台和高清摄像头。所述电动云台，可以根据地面人员的指令实时调整高清摄像头拍摄的角度。

本发明机器视觉单元和线路拍摄单元均搭载摄像头，但是搭载的摄像头类型和功能不同。机器视觉单元使用数字摄像头，对其拍摄到的图像进行实时处理，数字摄像头的优点是单幅图像数据量小，因此嵌入处理器对图像信息实时计算所需的时间少，但是它拍摄到的图像不够清晰。而线路拍摄单元则搭载不同型号的高清摄像头(可以选择高清晰度的模拟摄像头)，其优点在于图像分辨率高，可以弥补上述数字摄像头在拍摄清晰度方面的不足，专门用于拍摄输电线路的细节，然后进行存储或通过无线传输发送至地面终端，进行地面监控。本发明充分利用了数字摄像头虽然拍摄到的图像不够清晰但单幅图像数据量小、高清摄像头虽然单幅图像数据量大不适合实时处理但是图像分辨率高的特点，在机器视觉单元中搭载数字摄像头、在线路拍摄单元中搭载高清摄像头，既满足了实时处理的时间要求，又满足了地面监控的清晰度要求。

所述自动巡检输电线路的多旋翼无人机，还包括与飞行控制单元相连的自动绕障单元，用于无人机远距离飞行时自动绕开障碍物(杆塔等)飞行。

所述自动绕障单元，包括24GHZ雷达传感器模块和北斗卫星定位模块。所述24GHZ雷达传感器，用于检测前方阈值距离内有无障碍物出现；所述北斗卫星定位模块，用于实时定位无人机本体经纬度坐标，并根据探测障碍物的距离定位障碍物的经纬度坐标，规划航线，指导无人机自动绕障飞行。

所述自动巡检输电线路的多旋翼无人机，还包括与飞行控制单元相连的飞行状态检测单元，用于检测无人机实时的飞行状态。

所述飞行状态检测单元，包括气压计、陀螺仪和加速度计及电子罗盘。所述气压计用于检测当前空域气压，以进一步计算得到当前飞行高度；陀螺仪和加速度计用于检测当前无人机的6个自由度状态，以进一步计算得到稳定无人机所需的控制基量；电子罗盘用于探测地磁场，以进一步计算得到无人机机头朝向。

所述自动巡检输电线路的多旋翼无人机，还包括与飞行控制单元相连的信息传输单元，用于飞行控制单元与地面终端通信，将无人机自身状态信息和图像信息传输至地面终端。

所述信息传输单元，包括数传模块和图传模块。数传模块与地面终端通过数传通信链路相连接，用于地面人员实时监测飞行方位及无人机自身状态(包括当前无人机的位置坐标、海拔、温度、电池电量、飞行姿态、飞行时间、飞行速度和飞行方向)；图传模块与地面终端通过图传通信链路相连接，用于将高清摄像头拍摄的画面(高清线路信息)实时传输至地面终端。

所述电池供电单元，包括3S锂电池和12V-5V电压转换模块，3S锂电池用于为无人机电机提供工作电压，12V-5V电压转换模块用于为无人机各电路单元提供工作电压。

所述自动巡检输电线路的多旋翼无人机，还包括检测电池电压的电压检测单元；所述电压检测单元包括AD采样电路，用于检测电池电压，以计算出当前电压是否等于阈值电压，阈值电压根据返航所需的基础电压进行设定。

本发明还提供了一种自动巡检输电线路的方法，采用上述多旋翼无人机，首先控制无人机垂直起飞，机器视觉单元实时捕获输电线路的图像信息，并对捕获到的图像信进行处理，计算出各条输电线路位于图像中的位置和方向，以及各条输电线路在图像中的相对距离；飞行控制单元根据计算得到的信息，执行PID控制算法，以稳定各条输电线路位于图像中的位置和方向，以及各条输电线路在图像中的相对距离，即无人机相对输电线路的位置、方向和高度，使无人机平行跟随输电线路飞行，并保证无人机与输电线路件的距离为安全距离；同时控制线路拍摄单元对输电线路进行拍摄，实现无人机平行输电线路巡检。

进一步地，所述机器视觉单元首先对捕获的图像采用canny边缘检测方法得到其轮廓图像，接着使用OpenCV中的hough变换方法检测轮廓图像中的输电线路，获取各条输电线路在轮廓图像中的起始点和结束点；然后根据获得的数据计算各条输电线路位于轮廓图像中的位置和方向，以及各条输电线路在轮廓图像中的相对距离。

进一步地，自动绕障单元利用24GHz雷达传感器模块实时探测前方是否存在障碍物(杆塔等)，一旦检测到阈值距离内存在障碍物且通过连续三次接收的数据确定不是误判后，执行如下步骤：

<1>自动绕障单元从24GHz雷达传感器模块中获取当前障碍物与无人机本体的相对距离，调用北斗卫星定位模块探测无人机本体的经纬度坐标，根据这两个数据以及无人机机头朝向计算障碍物经纬度坐标；并以障碍物经纬度坐标为圆心、当前障碍物与无人机本体的相对距离为半径作半圆弧，将该半圆弧作为无人机的规划航线；

<2>控制无人机按照规划航线飞行，并实时定位无人机本体的经纬度坐标，计算无人机本体的经纬度坐标与规划航线的差值，利用位置式PID控制算法实时纠正飞行方位误差，保证无人机按照规划航线飞行，绕过障碍物；当飞过障碍物后无人机继续巡检下一段线路。机器视觉模块实时检测天空图像中是否再次出现完整的输电线路特征；直至持续2幅图像检测到完整的输电线路特征，说明已飞过障碍物，则机停止绕飞动作，继续平行跟随输电线路飞行。

进一步地，飞行控制单元控制无人机平行跟随线路飞行的同时，地面终端享有优先控制权；地面人员通过地面终端无线发送指令来更改无人机的当前飞行速度、飞行方向、相对输电线路的方位，线路拍摄单元的拍摄角度；无人机本体将实时根据最新的指令来调整自身参数。

在无人机跟随输电线路巡检的过程中，电动云台将默认跟随左侧第一条输电线路拍摄，但地面控制人员享有优先权，可随时调整云台拍摄角度，聚焦其他电线且不会影响无人机跟随输电线路飞行的动作。

进一步地，电压检测单元实时检测无人机电池电压，以保证安全返航；

无人机起飞后，飞行控制单元实时调用北斗卫星定位模块来获取当前无人机本体的经纬度坐标，并计算无人机本体的当前位置和起飞位置之间的距离，然后结合预设的返航速度计算返航时间，参考当前无人机的电池电量信息判断此时是否应该返航；

在执行返航任务时，根据起飞地点坐标和当时无人机坐标规划出最短返航路径，控制无人机按照规划路径返航；

在返航途中，实时计算当前无人机本体的经纬度坐标与规划路径的差值，利用位置式PID控制算法实时纠正飞行方位误差，保证无人机按照规划路径返航。

本发明的有益效果:

依据本发明，可以解决遥控无人机输电线路巡检所面临的难以稳定跟随输电线路，拍摄输电线路图像不平行等技术难题。自动无人机巡检输电线路，提高了无人机巡检输电线路的准确性和安全性，提高了拍摄画面的稳定性和利用率，降低了无人机巡检的人力成本。

附图说明

图1多旋翼无人机自动跟随线路飞行和巡检流程图

图2多旋翼无人机自动长距离飞行和自动绕障流程图

图3多旋翼无人机自动控制***结构图

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明

如图1所示，一种无人机自动跟随线路飞行和巡检的控制算法及流程：

1.无人机垂直起飞，飞行控制单元实时处理机器视觉单元中的数据

2.机器视觉单元将输电线路中的图像送入到图像处理模块中，图像处理模块先对图像采用canny边缘检测以得到轮廓图像，接着使用OpenCV中的hough变换检测轮廓图像中的输电线路，获取各条输电线路在图像的起始点和结束点，同时得到输电线路在图像中的宽度。机器视觉单元根据获得这一数据去计算各条输电线路位于图像中的位置和方向，以及各条输电线路在图像中的相对距离。机器视觉单元将处理完成之后的信息发送给飞行控制单元。

3.在地面人员锁定无人机相对输电线路位置时，飞行控制单元保存一组图像处理模块发送过来的输电线路的数据。接下来飞行控制单元会不断重复如下的过程：

<1>飞行控制单元将当前图像处理模块提供的输电线路的位置信息和保存的位置作比较，以位置的变化量作为控制量调整无人机的飞行姿态和飞行高度，使图像中输电线始终保持在无人机相对位置锁定时的位置。

<2>飞行控制单元将当前图像处理模块提供的输电线路的方向信息和保存的方向作比较，以方向变化量作为控制量调整无人机的飞行姿态和飞行高度，使图像中输电线路始终保持在无人机相对位置锁定时的方向。

<3>飞行控制单元将当前图像处理模块提供的输电线路的间距信息和保存的间距作比较，以间距的变化量作为控制量调整无人机的飞行姿态和飞行高度，使图像中各条输电线之间的间距始终保持在无人机相对位置锁定时的间距。

4.无人机在完成上述的控制后，各条输电线路位于图像中的位置和方向以及各条输电线路在图像中的相对距离，即无人机相对输电线路的位置、方向和高度就能够稳定在一个较小的范围内。在这种状态下无人机上的摄像头可以拍摄到相对稳定和清晰的输电线路的图像，并不断的将图像发送给地面的观测人员，同时无人机会按照一定的速度沿着输电线路飞行。

本发明中的自动无人机长距离飞行和自动绕障飞行的控制算法及流程如图2所示：

1.无人机处于平行跟随输电线路飞行的过程中。

2.调度电池电压检测单元响应：

<1>AD采样电路检测电池电压。

<2>12.6V电压为起飞电池电压，飞行控制单元实时地根据坐标计算当前位置和起飞位置之间的距离，然后结合预设的返航速度计算返航时间，参考当前无人机的电池电量信息判断此时是否应该返航。

<3>判断步骤<2>中是否返航，是则进入步骤3，否则跳转至步骤5。

3.无人机首先在水平方向上，朝向远离线路的方向飞行，直至离开输电线路区域，然后快速升高一定高度，进入无障碍空域。

4.执行返航指令，调度北斗卫星定位模块响应：

<1>定位当前无人机本体经纬度坐标。

<2>根据无人机起飞时刻的经纬度坐标和当前坐标，规划无人机返航最短直线路径。在返航途中，实时计算得到无人机坐标与规划航线的差值，利用位置式PID控制算法实时纠正飞行方位误差，保证无人机按照规划航线飞行。

<3>无人机返航飞行至起飞位置，并匀速降落，本次巡检过程结束。

5.24GHZ雷达传感器实时探测前方阈值距离内是否存在障碍物。

6.若自发现障碍物后持续3次接收到障碍物距离信息，确定为障碍物而不是误判，进入步骤7，否则退回步骤1。

7.执行绕障指令，调度北斗卫星定位模块响应：

<1>定位当前无人机本体经纬度坐标。

<2>根据障碍物与无人机本体相对距离及无人机机头朝向角，计算出障碍物经纬度坐标。

<3>以障碍物经纬度坐标为圆心、当前无人机本体与障碍物距离为半径作半圆弧，将该半圆弧作为规划航线；

8.无人机本体根据规划航线飞行，绕过障碍物；并实时计算得到无人机本体经纬度坐标与规划航线的差值，利用位置式PID控制算法实时纠正飞行方位误差，保证无人机按照规划航线飞行。

9.机器视觉模块实时检测天空图像中是否再次出现完整的输电线路特征；若持续2幅图像检测到完整的输电线路特征，则进入步骤10，否则退回步骤8。

10.无人机继续平行跟随输电线路飞行，停止绕飞动作。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。

Claims (10)

1.一种自动巡检输电线路的多旋翼无人机，其特征在于，包括机器视觉单元、飞行控制单元、线路拍摄单元和电池供电单元；所述机器视觉单元和线路拍摄单元均与飞行控制单元相连；所述电池供电单元为无人机***提供电压；

所述机器视觉单元，用于实时捕获输电线路的图像信息，并根据捕获的图像信息计算出各条输电线路位于图像中的位置和方向，以及各条输电线路在图像中的相对距离，然后将此数据发送给飞行控制模块以稳定无人机相对输电线路的位置、方向和高度，使无人机平行跟随线路飞行；

所述线路拍摄单元，用于无人机平行跟随线路飞行时，获取输电线路的图像信息。

2.根据权利要求1所述的自动巡检输电线路的多旋翼无人机，其特征在于，还包括与飞行控制单元相连的自动绕障单元；自动绕障单元包括24GHZ雷达传感器模块和北斗卫星定位模块；飞行控制单元根据自动绕障单元探测到的信息规划航线，指导无人机自动绕障飞行。

3.根据权利要求1所述的自动巡检输电线路的多旋翼无人机，其特征在于，还包括与飞行控制单元相连的飞行状态检测单元；

所述飞行状态检测单元包括气压计、陀螺仪和加速度计及电子罗盘；所述气压计用于检测当前空域气压，以进一步计算得到当前飞行高度；陀螺仪和加速度计用于检测当前无人机的6个自由度状态，以进一步计算得到稳定无人机所需的控制基量；电子罗盘用于探测地磁场，以进一步计算得到无人机机头朝向。

4.根据权利要求1所述的自动巡检输电线路的多旋翼无人机，其特征在于，还包括用于飞行控制单元与地面终端通信的信息传输单元；

所述信息传输单元包括数传模块和图传模块；数传模块与地面终端通过数传通信链路相连接，用于地面人员实时监测无人机状态；图传模块与地面终端通过图传通信链路相连接，用于将线路拍摄单元拍摄的画面实时传输至地面终端。

5.根据权利要求1所述的自动巡检输电线路的多旋翼无人机，还包括电压检测单元，用于实时检测电池供电单元的输出电压，以计算出当前电压是否等于阈值电压，阈值电压根据返航所需的基础电压进行设定。

6.一种自动巡检输电线路的方法，其特征在于，采用权利要求1～5中任一项所述的多旋翼无人机，控制无人机起飞，通过机器视觉单元实时捕获输电线路的图像信息，并对捕获到的图像信息进行处理，计算出各条输电线路位于图像中的位置和方向，以及各条输电线路在图像中的相对距离；飞行控制单元根据计算得到的信息，执行PID控制算法，以稳定无人机相对输电线路的位置、方向和高度，使无人机平行跟随输电线路飞行，并保证无人机与输电线路件的距离为安全距离；同时控制线路拍摄单元对输电线路进行拍摄，实现无人机平行输电线路巡检。

7.根据权利要求6所述的自动巡检输电线路的方法，其特征在于，所述机器视觉单元首先对捕获的图像采用canny边缘检测方法得到其轮廓图像，接着使用OpenCV中的hough变换方法检测轮廓图像中的输电线路，获取各条输电线路在轮廓图像中的起始点和结束点；然后根据获得的数据计算各条输电线路位于轮廓图像中的位置和方向，以及各条输电线路在轮廓图像中的相对距离。

8.根据权利要求6所述的自动巡检输电线路的方法，其特征在于，自动绕障单元利用24GHz雷达传感器模块实时探测前方是否存在障碍物，一旦检测到阈值距离内存在障碍物且通过连续三次接收的数据确定不是误判后，执行如下步骤：

<1>自动绕障单元从24GHz雷达传感器模块中获取当前障碍物与无人机本体的相对距离，调用北斗卫星定位模块探测无人机本体的经纬度坐标，根据这两个数据以及无人机机头朝向计算障碍物经纬度坐标；并以障碍物经纬度坐标为圆心、当前障碍物与无人机本体的相对距离为半径作半圆弧，将该半圆弧作为无人机的规划航线；

<2>控制无人机按照规划航线飞行，并实时定位无人机本体的经纬度坐标，计算无人机本体的经纬度坐标与规划航线的差值，利用位置式PID控制算法实时纠正飞行方位误差，保证无人机按照规划航线飞行，绕过障碍物；当飞过障碍物后无人机继续巡检下一段线路。

9.根据权利要求6所述的自动巡检输电线路的方法，飞行控制单元控制无人机平行跟随线路飞行的同时，地面终端享有优先控制权；地面人员通过地面终端无线发送指令来更改无人机的当前飞行速度、飞行方向、相对输电线路的方位，线路拍摄单元的拍摄角度；无人机本体将实时根据最新的指令来调整自身参数。

10.根据权利要求6所述的自动巡检输电线路的方法，其特征在于，电压检测单元实时检测无人机电池电压；

无人机起飞后，飞行控制单元实时调用北斗卫星定位模块来获取当前无人机本体的经纬度坐标，并计算无人机本体的当前位置和起飞位置之间的距离，然后结合预设的返航速度计算返航时间，参考当前无人机的电池电量信息判断此时是否应该返航；

在执行返航任务时，根据起飞地点坐标和当时无人机坐标规划出最短返航路径，控制无人机按照规划路径返航；

在返航途中，实时计算当前无人机本体的经纬度坐标与规划路径的差值，利用位置式PID控制算法实时纠正飞行方位误差，保证无人机按照规划路径返航。