CN107256034A - 一种基于无人机的变配电室多点环境数据采集*** - Google Patents
一种基于无人机的变配电室多点环境数据采集*** Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于无人机的变配电室多点环境数据采集***，括无人机和上位机；所述无人机与上位机通过通信模块进行数据的传输；所述无人机上设置有云台摄像头、避障模块、测距模块、传感装置、数据采集模块、飞行控制模块、图像识别模块；所述上位机上设置有数据管理***；本发明应用机器视觉的目标识别和单目测距技术，可以克服高压变配电室内没有卫星导航信号导致的无人机定位问题；所述方法用一套机载传感器可以替代高压变配电室分布式无线传感器网络，在节省各节点的传感器购置及维护成本，提高采集***的灵活性的同时，还可以有效避免传感器网络中各个传感器之间差异性引起的测量误差。
Description
技术领域
本发明涉及无人机领域，具体涉及一种基于无人机的变配电室多点环境数据采集***。
背景技术
高压变配电室设备的管理和维护是保障电力***安全运行的重中之重，同时也对保障用户可靠供电起着重要作用，为了保障变配电室电气设备的安全运行，应及时准确的检测变配电室温湿度信息，洁净干燥的环境是保障电气设备装置安全、可靠运行的基本条件。高压变配电室内的分布式无线传感器网络具有分布式的拓扑结构，不利于集中处理和维护，通常都是根据特定功能定制的，因此不便于及时更新和扩展其他功能。而且每个节点上的传感器的差异性对所测数据也有一定影响。值得注意的是，在高压变配电室内没有现在应用广发的卫星导航信号。
发明内容
本发明提出通过无人机平台携带一套相关传感器，对各个采集用指向性图案进行标记用以指导无人机的飞行路径，基于无人机的图像识别技术和单目测距技术在封闭空间内进行各点数据采集，可以有效减少检测节点个数，从而有效减少传感器的购置和维护成本，工作路径更加灵活，提高工作效率。
一种基于无人机的变配电室多点环境数据采集***，包括无人机和上位机；所述无人机与上位机通过通信模块进行数据的传输；所述无人机上设置有云台摄像头、避障模块、测距模块、传感装置、数据采集模块、飞行控制模块、图像识别模块；所述上位机上设置有数据管理***；其中：
所述传感装置，用于感受变配电室室内各检测点被测量的信息，并将感受到的信息变换成电信号，通过数据采集模块实时采集传感装置输出的电信号，再将数据采集模块所采集的各检测点的数据通过通信模块传输至上位机；
所述云台摄像头，用于拍摄指向性图案和二维码，并将指向性图案和二维码传输至图像识别模块，其中二维码包含当前检测点对应的设备信息；
所述图像识别模块，用于获取指向性图案中指向无人机飞行方向的信息和QR二维码中包含的设备信息；同时将指向性图案中飞行方向的信息传送至飞行控制模块，将QR二维码中包含的设备信息传送至上位机数据管理***；
所述飞行控制模块，用于根据指向性图案中设置的飞行方向的信息控制无人机的飞行方向，使无人机在完成当前采集工作后根据指向性图案提供的方向信息飞向下一个采集点；
所述避障模块，用于发射超声波信号或红外线来探测无人机距障碍物的距离，当所述距离小于预设阈值T1时，控制无人机对障碍物进行避障；
所述测距模块，用于当云台摄像头拍摄到指向性图案时，探测无人机距指向性图案的距离，当无人机距目标图案的距离等于阈值T2时，控制无人机进行悬停；
所述数据管理***，用于将采集模块得到的数据和二维码中的设备信息传输至上位机的各检测点的数据进行记录、处理和分析，并对异常的检测点数据进行报警。
进一步地，所述传感装置至少包括温度传感器、湿度传感器、SF6浓度传感器、氧气浓度传感器。
进一步地，所述避障模块分别安装于无人机的前、后、左、右四个方向上。
进一步地，所述通信模块包括无线通信。
进一步地，测距模块通过云台摄像头视觉测定距无人机距目标图案的距离，所述云台摄像头为单目或双目摄像头。
进一步地，通过式(1)得到测距模块通过云台摄像头单目视觉测定距无人机距指向性图案的距离s：
式(1)中，L为指向性图案中箭头两端点A、B的长度，f为云台摄像头的有效焦距，A′、B′分别是A、B两端点在像平面的成像点，x′A′为点A在像平面坐标系下的横坐标，x′B′为点B在像平面坐标系下的横坐标，y′A′为点A在像平面坐标系下的纵坐标，y′B′为点B在像平面坐标系下的纵坐标；
像平面坐标坐标系是以像平面的中心点为原点，以像平面相邻两边的长边为X′轴，短边为Y′轴。
进一步地，获取指向性图案中指向无人机飞行方向的信息，包括以下步骤：
步骤1，任选云台摄像头采集到的视频中的连续三帧彩色图像，其中连续三帧彩色图像的中间一帧的图像为当前图像，对选取的连续三帧彩色图像进行中值自适应滤波处理，得到连续三帧滤波后的图像；
步骤2，将连续三帧滤波后的图像转化为连续三帧的灰度图像，其中连续三帧的灰度图像的中间一帧的图像为当前灰度图像k,k＝1,2,…,K,K为大于等于1的自然数；
步骤3，以灰度图像的中心为坐标原点，水平方向为x轴，竖直方向为y轴建立图像坐标系；
步骤2中得到的连续三帧的灰度图像通过式(2)进行帧间差分，得到当前图像边缘轮廓图像点集合Dk(x,y)：
Dk(x,y)＝fk-1(x,y)+fk+1(x,y)-2fk(x,y) (2)
其中，fk(x,y)为当前灰度图像；fk-1(x,y)为当前灰度图像的前一帧图像；fk(x,y)为当前灰度图像的后一帧图像；
步骤4，通过式(4)对Dk(x,y)进行二值化处理，得到二值化后的图像Rk(x,y)，再提取Rk(x,y)的边缘点，得到边缘图像；
其中，t∈G，G＝{0,1,...,L-1}，L为大于等于1的自然数；
步骤5，获取模板指向性图案的边缘图像U(x,y)；
步骤6，若d(U,Rk)＜D，则当前图像为模板指向性图案，执行步骤6，0＜D＜50；
其中，d(U,Rk)为U(x,y)的所有边缘点与Rk(x,y)中距离最近点之间的距离的平均值，Ui为U(x,y)中的第i个边缘点，i＝1,2,..,n，n为大于等于1的自然，n为U(x,y)中所有边缘点的个数；Rk,j为Rk(x,y)中第j个边缘点；
步骤7，设模板指向性图案的主轴角为θ1和当前图像的主轴角为θ2,则旋转角度为Δθ＝θ1-θ2，无人机飞行方向即为在无人机当前飞行方向的基础上旋转Δθ的角度。
进一步地，所述上位机上还设有监控界面，用于实时显示各检测点的历史数据和当前数据，并且当任一检测数据出现异常时发出报警信息。
进一步地，上位机监控界面上还设有紧急按钮，用于控制无人机停机。
进一步地，所述指向性图案设置在各检测点对应设备的顶部，且其方向指向下一个检测点。
进一步地，所述二维码包含的信息有当前采集点的设备ID、厂家、型号信息。
与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：
(1)本发通过无人机的图像识别和单目测距技术寻找并靠近被标记的检测点，克服高压变配电室内没有卫星导航信号导致的无人机定位问题，无需构建室内三维坐标进行定位来采集数据，适用于高压变配电室；
(2)本发明可以有效减少检测节点个数，从而有效减少传感器的购置和维护成本，工作路径更加灵活，提高工作效率；同时可以有效避免传感器网络中各传感器之间的差异性带来的测量误差。
附图说明
图1为本发明的整体***模块构成图；
图2(a)为无人机在变配电室水平平面工作示意图，图2(b)为无人机在变配电室垂直平面工作示意图；
图3为本发明中指向性图案和二维码的示意图；
图4为本发明中单目摄像头测距的原理图；
图5(a)为本发明中模板指向性图案主轴角计算示意图，图5(b)为本发明中当前图像主轴角计算示意图。
具体实施方式
一种基于无人机的高压变配电室多点环境数据采集***，可以检查高压变配电室中温湿度、SF6和氧气的变化。在自动采集情况下，无人机执行完本次采集任务后，会按照一定的间隔时间再次执行采集任务；也可以根据具体需求，在上位机的人机交互界面手动点击采集按钮进行数据采集。对采集数据分析后，发现有任何异常，上位机在人机交互界面发出报警信息。
本发明并不限于下述实施例，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，一些简单的改进都应当视为属于本发明的保护范围。
下面通过附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
本实施例提供了一种基于无人机的变配电室多点环境数据采集***，如图1所示，包括无人机平台和上位机；所述无人机与上位机通过通信模块进行数据的传输；所述无人机平台上设置有云台摄像头、避障模块、测距模块、传感装置、数据采集模块、飞行控制模块、指向图像识别模块；所述上位机上设置有数据管理***；其中：
本实施例所采用的无人机为大疆M100，云台摄像头为大疆禅思Z3，所述避障模块安装于无人机的底部；
所述通信模块包括无线通信，本实施例中，所述通信模块采用的为无线通信模块Zigbee模块。
所述传感装置，用于感受高压变配电室室内各检测点被测量的信息，并将感受到的信息变换成电信号，通过数据采集模块实时采集传感装置输出的电信号，再将数据采集模块所采集的各检测点的数据通过通信模块传输至上位机；
本实施例中，所述传感装置包括温度传感器、湿度传感器、SF6浓度传感器、氧气浓度传感器。
所述云台摄像头，用于拍摄指向性图案和二维码，并将指向性图案和二维码传输至图像识别模块，其中二维码包含当前检测点对应的设备信息；
本实施例中的二维码位于指向性图案旁；
本实施例中的指向性图案和二维码如图3所示，箭头作为方向性几何图案，其方向为箭头所指方向。
本实施例中的指向性图案设置在各检测点对应设备的顶部，且其方向指向下一个检测点。
所述图像识别模块，用于获取指向性图案中指向无人机飞行方向的信息和QR二维码中包含的具体设备信息；同时将指向性图案中飞行方向的信息传送至飞行控制模块，将QR二维码中包含的设备信息传送至上位机数据管理***；
所述飞行控制模块，用于根据指向性图案中设置的飞行方向的信息控制无人机的飞行方向，使无人机在完成当前采集点工作后根据指向性图案提供的方向信息飞向下一个采集点；
所述避障模块，用于发射超声波信号或红外线来探测无人机距障碍物的距离，当所述距离小于预设阈值T1(1m-3m)时，控制无人机对障碍物进行避障；
本实施例准，所述避障模块分别安装于无人机的前、后、左、右四个方向上。
所述测距模块，用于当云台摄像头拍摄到目标图案时，探测无人机距指向性图案的距离，当无人机距指向性图案的距离等于阈值T2(0.5m-1m)时，控制无人机进行悬停；
本实施例中，测距模块通过云台摄像头视觉测定距无人机距目标图案的距离，所述云台摄像头为单目或双目摄像头。
所述数据管理***，用于将数据采集模块传输至上位机的各检测点的数据进行记录、处理和分析，并对异常的检测点数据进行报警。
本实施例中，所述无人机的前、后、左、右和底部均以无人机机头正前方的方向作为参考。
本实施例中所述上位机上还设有监控界面，用于实时显示各检测点的历史数据和当前数据，并且当任一检测数据出现异常时发出报警信息。监控界面上还设有紧急按钮，用于控制无人机停机。
实施例2
本实施例在实施例1的基础上，如图4所示，提供了通过式(1)得到测距模块通过云台摄像头单目视觉测定距无人机距指向性图案的距离s：
式(1)中，L为指向性图案中箭头两端点A、B的长度，f为云台摄像头的有效焦距，A′、B′分别是A、B两端点在像平面的成像点，x′A′为点A在像平面坐标系下的横坐标，x′B′为点B在像平面坐标系下的横坐标，y′A′为点A在像平面坐标系下的纵坐标，y′B′为点B在像平面坐标系下的纵坐标；
像平面坐标坐标系是以像平面的中心点为原点，以像平面相邻两边的长边为X′轴，短边为Y′轴。
实施例3
本实施例在实施例1的基础上，提供了图案识别算法包括以下步骤：
步骤1，任选云台摄像头采集到的视频中的连续三帧彩色图像，其中连续三帧彩色图像的中间一帧的图像为当前图像，对选取的连续三帧彩色图像进行中值自适应滤波处理，得到连续三帧滤波后的图像；
步骤2，将连续三帧滤波后的图像转化为连续三帧的灰度图像，其中连续三帧的灰度图像的中间一帧的图像为当前灰度图像k,k＝1,2,…,K,K为大于等于1的自然数；
步骤3，以灰度图像的中心为坐标原点，水平方向为x轴，竖直方向为y轴建立图像坐标系；
步骤2中得到的连续三帧的灰度图像通过式(2)进行帧间差分，得到当前图像边缘轮廓图像点集合Dk(x,y)：
Dk(x,y)＝fk-1(x,y)+fk+1(x,y)-2fk(x,y) (2)
其中，fk(x,y)为当前灰度图像；fk-1(x,y)为当前灰度图像的前一帧图像；fk(x,y)为当前灰度图像的后一帧图像；
步骤4，通过式(4)对Dk(x,y)进行二值化处理，得到二值化后的图像Rk(x,y)，再提取Rk(x,y)的边缘点，得到边缘图像；
其中，t∈G，G＝{0,1,...,L-1}，L为大于等于1的自然数；
假设当前图像边缘轮廓图像点集合Dk(x,y)中灰度级为i的像素个数为Ni，则Dk(x,y)里的像素总数为：灰度级为i的像素出现的概率为：且
以分割阈值t为分界将灰度级分为背景区{0,1,...,t}和目标区{t+1,t+2,...,L-1}两类。
背景区像素的比例为P(t)＝c，则背景区和目标区的平均灰度分别为：
其中，u0为背景区的平均灰度，u1为目标区的平均灰度；
背景区和目标区之间的像素方差为：σ2＝P(t)(1-P(t))(u1-u0)；
当方差σ2取最大值时，变量t即为所求的最优门限值。
步骤5，获取模板指向性图案的边缘特征图像U(x,y)；
步骤6，若d(U,Rk)＜D，则当前图像为模板指向性图案，执行步骤6，0＜D＜50；
其中，d(U,Rk)为U(x,y)的所有边缘点与Rk(x,y)中距离最近点之间的距离的平均值，Ui为U(x,y)中的第i个边缘点，i＝1,2,..,n，n为大于等于1的自然，n为U(x,y)中所有边缘点的个数；Rk,j为Rk(x,y)中第j个边缘点；
步骤7，设模板指向性图案的主轴角为θ1和当前图像的主轴角为θ2,则旋转角度为Δθ＝θ1-θ2，无人机飞行方向即为在无人机当前飞行方向的基础上旋转Δθ的角度。
如图5所示，(a)为模板指向性图案,其中O1是模板指向性图案的中心,A1是模板指向性图案的重心,θ1是O1和A1连线与X轴正方向的夹角；(b)是当前图像,A2是当前图像的重心,θ2是O1和A1连线与X轴正方向的夹角；
工作过程：
(1)在高压变配电室的每个需要检测的电气柜顶部各设置一个检测点，每个待检测点的地面张贴一张A4大小的箭头图案(如图3所示)，其方向指向下一个待检测点。
(2)所述无人机通信模块时刻与所述上位机保持连接，等待上位机下达的采集命令；
(3)收到上位机数据采集命令后，无人机携载传感装置从起始点起飞并且上升到高度2.5米，并将云台摄像头的视频实时传送至上位机，起始点位于第一个检测点正前方；
(4)无人机悬停与起始点上方，通过云台摄像头探测(1)中所述箭头图案，若没有探测到箭头图案，无人机以适度速度匀速向前飞行，一旦探测到箭头图案，无人机实时通过云台摄像头的机器视觉进行测距，获取目标图案的距离和旋转角度，立即悬停在该几何图案上方并且下降至距离所述几何图案0.8米的正上方；
(5)嵌入式计算机控制传感装置开始采集所需数据，并且通过通信模块上传至上位机，30秒后停止采集，一旦发现有任何数据异常，上位机立即发出报警信息；
(6)无人机上升至高度2.5米，按照测量得到的箭头图案的指向角度，转向下一个检测点，重复步骤(4)、(5)、(6)，直到采集完所有待检测点的数据，无人机飞回并降落起始点待命；
(7)无人机在飞行过程中，避障模块一旦探测到去人机前进路径上有障碍物，会立即自主采取避障措施，实时利用人工势场算法对现有的飞行路径进行纠正，绕行至目标点。
Claims (10)
1.一种基于无人机的变配电室多点环境数据采集***，其特征在于，包括无人机和上位机；所述无人机与上位机通过通信模块进行数据的传输；所述无人机上设置有云台摄像头、避障模块、测距模块、传感装置、数据采集模块、飞行控制模块、图像识别模块；所述上位机上设置有数据管理***；其中：
所述传感装置，用于感受变配电室室内各检测点被测量的信息，并将感受到的信息变换成电信号，通过数据采集模块实时采集传感装置输出的电信号，再将数据采集模块所采集的各检测点的数据通过通信模块传输至上位机；
所述云台摄像头，用于拍摄指向性图案和二维码，并将指向性图案和二维码传输至图像识别模块，其中二维码包含当前检测点对应的设备信息；
所述图像识别模块，用于获取指向性图案中指向无人机飞行方向的信息和QR二维码中包含的设备信息；同时将指向性图案中飞行方向的信息传送至飞行控制模块，将QR二维码中包含的设备信息传送至上位机数据管理***；
所述飞行控制模块，用于根据指向性图案中设置的飞行方向的信息控制无人机的飞行方向，使无人机在完成当前采集工作后根据指向性图案提供的方向信息飞向下一个采集点；
所述避障模块，用于发射超声波信号或红外线来探测无人机距障碍物的距离，当所述距离小于预设阈值T1时，控制无人机对障碍物进行避障；
所述测距模块，用于当云台摄像头拍摄到指向性图案时，探测无人机距指向性图案的距离，当无人机距目标图案的距离等于阈值T2时，控制无人机进行悬停；
所述数据管理***，用于将采集模块得到的数据和二维码中的设备信息传输至上位机的各检测点的数据进行记录、处理和分析，并对异常的检测点数据进行报警。
2.如权利要求1所述的一种基于无人机的变配电室多点环境数据采集***，其特征在于，所述传感装置至少包括温度传感器、湿度传感器、SF6浓度传感器、氧气浓度传感器。
3.如权利要求1所述的一种基于无人机的变配电室多点环境数据采集***，其特征在于，所述避障模块分别安装于无人机的前、后、左、右四个方向上。
4.如权利要求1所述的一种基于无人机的变配电室多点环境数据采集***，其特征在于，所述通信模块包括无线通信。
5.如权利要求1所述的一种基于无人机的变配电室多点环境数据采集***，其特征在于，测距模块通过云台摄像头视觉测定距无人机距目标图案的距离，所述云台摄像头为单目或双目摄像头。
6.如权利要求5所述的一种基于无人机的变配电室多点环境数据采集***，其特征在于，通过式(1)得到测距模块通过云台摄像头单目视觉测定距无人机距指向性图案的距离s：
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式(1)中，L为指向性图案中箭头两端点A、B的长度，f为云台摄像头的有效焦距，A′、B′分别是A、B两端点在像平面的成像点，x′A′为点A在像平面坐标系下的横坐标，x′B′为点B在像平面坐标系下的横坐标，y′A′为点A在像平面坐标系下的纵坐标，y′B′为点B在像平面坐标系下的纵坐标；
像平面坐标坐标系是以像平面的中心点为原点，以像平面相邻两边的长边为X′轴，短边为Y′轴。
7.如权利要求1所述的一种基于无人机的变配电室多点环境数据采集***，其特征在于，获取指向性图案中指向无人机飞行方向的信息，包括以下步骤：
步骤1，任选云台摄像头采集到的视频中的连续三帧彩色图像，其中连续三帧彩色图像的中间一帧的图像为当前图像，对选取的连续三帧彩色图像进行中值自适应滤波处理，得到连续三帧滤波后的图像；
步骤2，将连续三帧滤波后的图像转化为连续三帧的灰度图像，其中连续三帧的灰度图像的中间一帧的图像为当前灰度图像k,k＝1,2,…,K,K为大于等于1的自然数；
步骤3，以灰度图像的中心为坐标原点，水平方向为x轴，竖直方向为y轴建立图像坐标系；
步骤2中得到的连续三帧的灰度图像通过式(2)进行帧间差分，得到当前图像边缘轮廓图像点集合Dk(x,y)：
Dk(x,y)＝fk-1(x,y)+fk+1(x,y)-2fk(x,y) (2)
其中，fk(x,y)为当前灰度图像；fk-1(x,y)为当前灰度图像的前一帧图像；fk(x,y)为当前灰度图像的后一帧图像；
步骤4，通过式(4)对Dk(x,y)进行二值化处理，得到二值化后的图像Rk(x,y)，再提取Rk(x,y)的边缘点，得到边缘图像；
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其中，t∈G，G＝{0,1,...,L-1}，L为大于等于1的自然数；
步骤5，获取模板指向性图案的边缘图像U(x,y)；
步骤6，若d(U,Rk)＜D，则当前图像为模板指向性图案，执行步骤6，0＜D＜50；
其中，d(U,Rk)为U(x,y)的所有边缘点与Rk(x,y)中距离最近点之间的距离的平均值，Ui为U(x,y)中的第i个边缘点，i＝1,2,..,n，n为大于等于1的自然，n为U(x,y)中所有边缘点的个数；Rk,j为Rk(x,y)中第j个边缘点；
步骤7，设模板指向性图案的主轴角为θ1和当前图像的主轴角为θ2,则旋转角度为Δθ＝θ1-θ2，无人机飞行方向即为在无人机当前飞行方向的基础上旋转Δθ的角度。
8.如权利要求1所述的一种基于无人机的变配电室多点环境数据采集***，其特征在于，所述上位机上还设有监控界面，用于实时显示各检测点的历史数据和当前数据，并且当任一检测数据出现异常时发出报警信息；上位机监控界面上还设有紧急按钮，用于控制无人机停机。
9.如权利要求1所述的一种基于无人机的变配电室多点环境数据采集***，其特征在于，所述指向性图案设置在各检测点对应设备的顶部，且其方向指向下一个检测点。
10.如权利要求1所述的一种基于无人机的变配电室多点环境数据采集***，其特征在于，所述二维码包含的信息有当前采集点的设备ID、厂家、型号信息。
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