CN112304304B - 一种适用于变电站的巡检无人机、***及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于变电站的巡检无人机、***及方法，包括：无人机本体，所述无人机本体上分别设有惯性导航模块、磁罗盘传感器、机载端差分GPS模块和视觉里程计模块；通过所述惯性导航模块获取无人机初始姿态、速度和位置信息，将所述惯性导航模块获取的速度和位置数据能够分别与机载端差分GPS模块获得差分信息、单点GPS定位信息或者视觉里程计模块获取的视觉导航信息进行融合，输出有效的无人机速度和位置信息，同时能够对磁罗盘传感器获取的无人机姿态信息进行修正。本发明在变电站线路及设备结构复杂的环境下，通过惯性导航数据融合差分导航数据或视觉里程计数据，能够获得高精度导航数据，实现巡检无人机的准确定位。

Description

一种适用于变电站的巡检无人机、***及方法
技术领域
本发明涉及变电站巡检技术领域，尤其涉及一种适用于变电站的巡检无人机、***及方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
变电站人工巡检工作量大，效率低，且存在高空检测盲区；小型无人机具备体积小，行动灵活的特点，如果能将无人机***应用与变电站，配合可见光云台吊舱或热成像吊舱可以从高空、低空等多个维度对设备、仪器表盘等进行智能巡检，不但能解放部分人工劳动力，避免人工作业的危险，还能提高工作效率，弥补人工巡检的不足；
现有的变电站巡检无人机飞行***，普遍采用单点GPS定位，或利用UWB模块进行高精度定位；但是，单点GPS存在定位精度较低且有被遮挡退出定位模式的可能；UWB虽然能实现高精度定位，但要求通信模块间不能有遮挡，在变电站线路及设备结构复杂的环境下难以实现，且需要架设完善的定位网络，需要部署定位网络，造价较高。
同时，现有技术在变电站线路及设备结构复杂的环境下，没有考虑足够的防电磁干扰设计，避障设计，以及必要的碰撞防护设计及飞行安全策略。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种适用于变电站的巡检无人机、***及方法，采用导电喷漆进行强磁强电干扰防护，通过融合GPS航迹或者视觉航向获得准确飞机航向，同时保障变电站设备及飞机的安全。
根据本发明实施例的第一个方面，提供了一种适用于变电站的巡检无人机，包括：无人机本体，所述无人机本体上分别设有惯性导航模块、磁罗盘传感器、机载端差分GPS模块和视觉里程计模块；
通过所述惯性导航模块获取无人机初始姿态、速度和位置信息，将所述惯性导航模块获取的速度和位置数据能够分别与机载端差分GPS模块获得差分信息、单点GPS定位信息或者视觉里程计模块获取的视觉导航信息进行融合，输出有效的无人机速度和位置信息，同时能够对磁罗盘传感器获取的无人机姿态信息进行修正。
无人机飞行期间，若能接收到有效的差分信息，则将所述差分信息与惯性导航模块获取的信息进行融合；
机载端差分GPS模块失效的情况下，若能获取有效的单点GPS定位信息，则将所述定位信息与惯性导航模块获取的信息进行融合；
若不能获取有效的单点GPS定位信息，则将视觉里程计模块获取的视觉导航信息与惯性导航模块获取的信息进行融合。
根据本发明实施例的第二个方面，提供了一种适用于变电站的巡检无人机***，包括：至少一台上述的巡检无人机，地面中心处理器和GPS差分基站；所述巡检无人机通过无线链路与地面中心处理器进行通信；所述地面中心处理器与GPS差分基站通过无线链路通信；
所述地面中心处理器用于实现对巡检无人机的飞行控制，并实现巡检无人机与GPS差分基站之间的数据交互。
根据本发明实施例的第三个方面，提供了一种适用于变电站的巡检无人机的导航方法，包括：
根据接收到的巡检任务航线信息进行巡检；
获取无人机惯性导航数据，基于所述数据确定无人机初始姿态、速度和位置信息；
将所述惯性导航数据与实际测量得到的差分信息、单点GPS定位信息或者视觉导航信息进行融合，输出有效的无人机速度和位置信息，同时对无人机姿态信息进行修正。
其中，将所述惯性导航数据与实际测量得到的差分信息、单点GPS定位信息或者视觉导航信息进行融合，具体过程包括：
通过惯性导航模块分别预估当前时刻的速度和位移量；
将所述预估的速度和位移量分别与实际测量的速度和位移量做差；
通过所述差值，结合卡尔曼增益系数，更新下一时刻的无人机姿态、速度和位移量。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明在变电站线路及设备结构复杂的环境下，通过惯性导航数据融合差分导航数据或视觉里程计数据，能够获得高精度导航数据，实现巡检无人机的准确定位；同时能够对无人机航向信息进行修正。
(2)本发明为保证无人机能够安全稳定的运行在变电站复杂的电磁环境下，提高飞行平台的抗干扰能力，无人机飞行平台机身采用特殊工艺材料，一方面能够屏蔽外部强大的电磁干扰，对内部电路板起到防护作用，另一方面也能减少飞行平台内部高频干扰信号对外界的影响，实现无人机在变电站环境内的安全飞行及数据采集的可靠性。
(3)本发明具备多机同时巡检功能，缩短任务时间，极大提高巡检效率；同时具备信息推送功能，可通过公网登陆服务器访问现场信息。
(4)本发明首次采用导电喷漆进行强磁强电干扰防护；采用全包式防护罩进行防撞安全防护，通过人工示教自动生成禁飞区域，保持飞机始终位于高压设备安全距离之外执行任务。
本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
图1为根据本发明实施例的适用于变电站的巡检无人机***结构示意图；
图2为根据本发明实施例的无人机航向数据融合过程示意图；
图3为根据本发明实施例的无人机导航数据融合示意图；
图4为根据本发明实施例的多机协同巡检示意图；
图5为根据本发明实施例的禁飞区设定过程示意图；
图6为根据本发明实施例的巡检无人机信息推送过程示意图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、***、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例一
首先需要说明的是，无人机导航信息通常包括无人机姿态、速度和位置，其中无人机姿态包括航向、俯仰和翻滚。
根据本发明实施例，提供了一种适用于变电站的巡检无人机的实施例，参照图1，包括：无人机本体，无人机本体上分别设有惯性导航模块、气压计传感器、磁罗盘传感器、机载端差分GPS模块、视觉里程计模块、视觉测距模块以及搭载热成像摄像头及可见光摄像头的云台吊舱。
具体地，惯性导航模块，一般由陀螺仪、加速度计等惯性元件组成，其作用主要是利用惯性元件分别测出无人机相对于惯性空间的角运动信息和线运动信息，进行无人机的初始姿态计算，并能实时推算无人机姿态、航向、速度、位置等导航参数。
气压计传感器用于测量大气压强，通过以下高度转换公式，从而获得无人机高度信息。
H＝(1.0-(Pressure/101325.0)^0.19)*(1.0/(22.558*10-6))
其中，H为相对高度，Pressure为气压计测量大气压强。
热成像摄像头及可见光摄像头，用于变电站设备温度采集、仪器仪表检测。
视觉里程计模块，通过分析处理相关图像序列可确定无人机的位置和姿态，避免GPS失效导致飞机无法定位，提高飞机安全性；视觉里程计定位信息指在室内通过图像获取的相对的位置信息。
机载端差分GPS模块，通过无线链路接收地面端固定基站上传的RTCM报文(该报文协议是由RTCM提出，其中，RTCM，Radio Technical Commission for Maritime services，国际海运事业无线电技术委员会)，得到差分GPS数据，并形成GPS航迹信息，实现机身厘米级定位功能；差分GPS数据是在正常的GPS信息基础上附加修正信号，用以改善GPS精度。
磁罗盘传感器用于获取无人机本体的航向信息，无人机航向由磁罗盘传感器获取，由于磁罗盘极易受外界磁环境的干扰，在变电站环境下更容易出现罗盘受干扰的情况。
本实施例中，差分GPS可提供差分航向信息，视觉导航模块可根据地面图标给出有效航向信息，单点GPS在飞行过程中可提供有效航迹信息，通过融合的方式对飞机罗盘航向的准确性进行判断与修正。
具体地，参照图2，无人机起飞前首先进行罗盘校准，获得罗盘航向作为初始飞行航向，如果操作人员已知飞机航向情况下，判断校准后航向是否准确，如果准确则进行下一步，否则对罗盘重新进行校准操作。
获取到罗盘航向后，判断差分定向设备或视觉导航设备是否能提供有效航向信息，如果能则对罗盘航向与差分或视觉航向进行比对，小于设定阈值说明航向角度基本准确，否则说明罗盘航向可能受到干扰，进行航向修正；如果不能则直接继续输出罗盘航向并计算实时航迹角α。
当单点或差分GPS有效的情况下，GPS会提供航迹角αgps，计算两个航迹角之间的差值，角度差低于阈值，则说明航向一致，航迹差超过阈值，则说明罗盘航向受到干扰，用GPS航迹角对罗盘航向角进行修正，输出有效的航向信息。
具体地，通过视觉航向或差分GPS航向角对罗盘航向进行修正的具体过程包括：
计算罗盘航向与差分或视觉航向差值：δ1＝θmag-θm
θmag为罗盘测量的初始航向；
θm为差分或视觉航向；
δ1为差分或视觉航向与罗盘航向差值；
阈值判断：当δ1≤a(设定的阈值差)时说明航向正常，否则执行修正操作步骤如下：
计算旋转四元数:
Figure BDA0002739873260000071
计算修正后四元数
Figure BDA0002739873260000072
修正后四元数转换所得欧拉角，其中的航向角即为修正后航向。
通过单点GPS航迹角对罗盘航向进行修正的具体过程包括：
通过当前航向，计算无人机航迹角：
Figure BDA0002739873260000073
δse：指定时常内东西方向的位置变化量；
δsn：指定时常内南北方向的位置变化量；
进行航迹角阈值判断：当(δ2＝α-αgps)≤a时说明航向正常，否则利用航迹差进行航向修正如下：
计算旋转四元数:
Figure BDA0002739873260000081
计算修正后四元数
Figure BDA0002739873260000082
修正后四元数转换所得欧拉角，其中的航向角即为修正后航向。
同时，本实施例中，惯性导航模块获取的速度和位置数据能够分别与机载端差分GPS模块获得差分信息、单点GPS定位信息或者视觉里程计模块获取的视觉导航信息进行融合，输出有效的无人机速度和位置信息，同时能够对磁罗盘传感器获取的无人机航向信息进行修正。
具体地，参照图3，无人机飞行期间，若能接收到有效的差分信息，则将差分信息与惯性导航信息进行融合，可输出厘米级别高精度导航信息；
差分信息失效的情况下，若能获取有效的单点GPS定位信息，则将单点GPS定位信息与惯性导航信息进行融合，依然可实现稳定飞行定位功能；
若不能接收有效的单点GPS定位信息，在视觉导航有效的情况下，将视觉导航信息与惯性导航信息进行融合，同样输出有效的导航信息。
惯性导航模块获取的速度和位置数据分别与机载端差分GPS模块获得差分信息、单点GPS定位信息或者视觉里程计模块获取的视觉导航信息进行融合的过程，具体包括：
(1)通过惯性导航模块分别预估当前时刻的速度和位移量；
通过当前坐标系预估当前时刻速度与位移量：
Figure BDA0002739873260000083
Figure BDA0002739873260000084
其中，
Figure BDA0002739873260000085
地系下的速度向量(NED)，
Figure BDA0002739873260000086
地系下的速度向量(NED)，
Figure BDA0002739873260000091
当前地系下的的位置向量(NED)，
Figure BDA0002739873260000092
上一时刻地系下的的位置向量(NED)，
Figure BDA0002739873260000093
体坐标系转地坐标系转换矩阵，dt积分时间。
(2)将所述预估的速度和位移量分别与机载端差分GPS模块、单点GPS或者视觉里程计模块获取到的实际测量的速度和位移量做差；
计算当前预估量与GPS实测量差值：
Figure BDA0002739873260000094
Figure BDA0002739873260000095
其中，
Figure BDA0002739873260000096
为预测位移与实际测量位移的位置差；
Figure BDA0002739873260000097
为预测速度与实际测量速度的速度差；
Figure BDA0002739873260000098
为当前地系下机载端差分GPS模块或单点GPS或视觉里程计模块实际测量的速度向量(NED)；
Figure BDA0002739873260000099
为当前地系下机载端差分GPS模块或单点GPS或视觉里程计模块实际测量或计算获得的位置向量(NED)；
Figure BDA00027398732600000910
为当前地系下通过惯导及历史数预估的位置向量(NED)，
Figure BDA00027398732600000911
当前地系下通过惯导及历史数预估的速度向量(NED)。
(3)通过差值更新下一时刻的无人机姿态、速度和位移量。
计算姿态修正量并获得最终被修正后的导航信息：
Figure BDA00027398732600000912
其中，Kp为卡尔曼增益系数，
Figure BDA00027398732600000913
分别为更新后的状态信息，包括姿态、位置以及速度信息，
Figure BDA00027398732600000914
为四元数向量，包含四元数Q1～Q4,三轴位移变量Sx、Sy、Sz以及三轴速度Vx、Vy、Vz变量等。
四元数向量经过换算后可提供欧拉角度信息，进而可以得到修正后的无人机航向信息；当δ值越大时，说明通过上一时刻姿态分解获得的速度及位置误差越大，则Kp×δ对无人机姿态产生的修正量越大，从而实现对航向角的修正。
作为一种可选的实施方式，无人机飞行器配有视觉测距模块，视觉测距模块提供飞机与被检设备实时距离，在设定距离及以外进行悬停巡视，同时当通过测距模块的信息判断前向有障碍物时，飞机将不继续前向飞行，并进行地面报警。
无人机首先利用自身携带的视觉等传感器感知周围环境，构建三维空间模型，无人机飞行过程中结合GPS信号等信息，与构建的三维空间模型进行比对，从而识别前方障碍物。
变电站磁环境复杂，为提高飞行平台抗磁干扰能力，提高飞机飞行安全性，无人机本体采用绝缘的塑料材质，内部喷涂石墨烯抗电磁波干扰金属辐射防静电喷剂，该喷剂干燥后能形成导电的涂膜层，这层能导电的涂膜层可以导电是因为膜层是由导电粉末一粒一粒或一片一片连通接触起来组成的一层薄薄的导电膜，当外部有强电场存在时在机壳形成屏蔽层，从而降低电场对电路板的影响。
绝缘高弹性塑料材质覆盖于整个无人机，避免因意外碰撞时无人机桨叶对变电站设备造成伤害，同时将飞机损伤降到最低。
实施例二
根据本发明实施例，提供了一种适用于变电站的巡检无人机***的实施例，参照图1，包括：实施例一中公开的适用于变电站的巡检无人机，地面中心处理器和GPS差分基站；巡检无人机通过无线链路与地面中心处理器进行通信；地面中心处理器与GPS差分基站通过无线链路通信；
地面中心处理器用于实现对巡检无人机的飞行控制，并实现巡检无人机与GPS差分基站之间的数据交互。地面中心处理器将无人机差分数据转发给差分定位基站，同时将差分定位基站提供的RTCM数据转发给巡检无人机。
地面中心处理器与手机或者遥控器通信，以实现飞行指令的发送。
本实施例中，参照图4，飞机***具备多机协同的巡检功能，多机协同巡检功能包括两台或两台以上的无人机，两台无人机通过地面站同时接收任务信息，由飞机操作人员在地面站分别设定两条不同航迹、不同任务的航线，通过无线链路发送给不同无人机，无人机根据地面站指令，自动完成各自航线任务，两者共同完成协同巡检任务。
本实施例中，参照图5，设定禁飞区，操作人员根据实际情况进行无人机飞行操作，在允许飞行区域与禁飞区域进行打点标记，地面端在无三维点云图的情况下根据打点情况自动生成区域划分图，以区分允许飞行区域与禁飞区域；由用户设定禁飞区域及允许飞行区域，禁飞区设定后，自主飞行或任务飞行中如果即将进入禁飞区的情况将进行报警提醒。
参照图6，无人机具备信息推送功能，由机载端吊舱获得视频图像，通过无线链路将图像及无人机状态信息传输至地面站，手机与遥控器共同构成地面站***，地面站手机能够利用手机4G网络或WIFI网络将地面站获得的信息转发地面至服务器，再由服务器将飞机信息推送至网络；地面站转发执行未解码信息转发，用户可通过网络登陆服务器进行信息提取。
无人机搭载可见光云台吊舱或热成像吊舱从高空、低空等多个维度对设备、仪器表盘等进行智能巡检，通过无线链路将图片、视频、红外数据传输到地面站、手机遥控器，地面站即可实现无人机图片、视频数据接收，也可与无人机实现RTK(差分定位)功能，提高定位精度，手机遥控器即可操控无人机飞行，也可将接收到的图片、视频上传到地面服务器，便于后期数据处理。
实施例三
根据本发明实施例，提供了一种适用于变电站的巡检无人机的导航方法的实施例，包括：
根据接收到的巡检任务航线信息进行巡检；
获取无人机惯性导航数据，基于所述数据确定无人机初始姿态、速度和位置信息；
将所述惯性导航数据与实际测量得到的差分信息、单点GPS定位信息或者视觉导航信息进行融合，输出有效的无人机速度和位置信息，同时对无人机姿态信息进行修正。
将所述惯性导航数据与实际测量得到的差分信息、单点GPS定位信息或者视觉导航信息进行融合的过程参照实施例一中公开的方法，为了简洁，不再赘述。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (11)

1.一种适用于变电站的巡检无人机，包括：无人机本体，其特征在于，所述无人机本体上分别设有惯性导航模块、磁罗盘传感器、机载端差分GPS模块、单点GPS和视觉里程计模块；
通过所述惯性导航模块获取无人机初始姿态、速度和位置信息，将所述惯性导航模块获取的速度和位置数据能够分别与机载端差分GPS模块获得差分信息、单点GPS定位信息或者视觉里程计模块获取的视觉导航信息进行融合，输出有效的无人机速度和位置信息，同时能够对磁罗盘传感器获取的无人机姿态信息进行修正；
无人机飞行期间，若能接收到有效的差分信息，则将所述差分信息与惯性导航模块获取的信息进行融合；
机载端差分GPS模块失效的情况下，若能获取有效的单点GPS定位信息，则将所述定位信息与惯性导航模块获取的信息进行融合；
若不能获取有效的单点GPS定位信息，则将视觉里程计模块获取的视觉导航信息与惯性导航模块获取的信息进行融合；
所述惯性导航模块获取的速度和位置数据分别与机载端差分GPS模块获得差分信息、单点GPS定位信息或者视觉里程计模块获取的视觉导航信息进行融合的过程，包括：
通过惯性导航模块分别预估当前时刻的速度和位移量；
将所述预估的速度和位移量分别与机载端差分GPS模块、单点GPS或者视觉里程计模块获取到的实际测量的速度和位移量做差；
通过所述差值更新下一时刻的无人机姿态、速度和位移量。
2.如权利要求1所述的一种适用于变电站的巡检无人机，其特征在于，所述惯性导航模块利用惯性元件分别测出无人机相对于惯性空间的角运动信息和线运动信息，并提供无人机初始姿态信息。
3.如权利要求1所述的一种适用于变电站的巡检无人机，其特征在于，还包括气压计传感器，所述气压计传感器用于测量大气压强，通过高度转换公式获得无人机的高度信息。
4.如权利要求1所述的一种适用于变电站的巡检无人机，其特征在于，根据机载端差分GPS模块、单点GPS或者视觉里程计模块获得的航向信息与磁罗盘传感器获取到的航向信息进行对比，判断磁罗盘传感器获取到的航向信息是否需要修正。
5.如权利要求1所述的一种适用于变电站的巡检无人机，其特征在于，还包括：设置在无人机本体上的视觉测距模块，所述视觉测距模块实时检测无人机本体与被检设备的距离。
6.如权利要求1所述的一种适用于变电站的巡检无人机，其特征在于，所述无人机本体外设有绝缘高弹性塑料材质的保护罩；所述保护罩内侧喷涂导电的涂膜层。
7.如权利要求1所述的一种适用于变电站的巡检无人机，其特征在于，还包括：设置在无人机本体上的分别搭载热成像摄像头和可见光摄像头的云台吊舱。
8.一种适用于变电站的巡检无人机***，其特征在于，包括：至少一台权利要求1-7任一项所述的巡检无人机，地面中心处理器和GPS差分基站；所述巡检无人机通过无线链路与地面中心处理器进行通信；所述地面中心处理器与GPS差分基站通过无线链路通信；
所述地面中心处理器用于实现对巡检无人机的飞行控制，并实现巡检无人机与GPS差分基站之间的数据交互。
9.如权利要求8所述的一种适用于变电站的巡检无人机***，其特征在于，通过地面中心处理器分别设置不同任务的航线，并分别发送至不同的巡检机器人，实现多机协同巡检。
10.如权利要求8所述的一种适用于变电站的巡检无人机***，其特征在于，在允许飞行区域与禁飞区域分别进行打点标记，地面中心处理器根据打点标记信息自动生成区域划分图，以划分禁飞区域和允许飞行区域。
11.一种适用于变电站的巡检无人机的导航方法，其特征在于，包括：
根据接收到的巡检任务航线信息进行巡检；
获取无人机惯性导航数据，基于所述数据确定无人机初始姿态、速度和位置信息；
将所述惯性导航数据与实际测量得到的差分信息、单点GPS定位信息或者视觉导航信息进行融合，输出有效的无人机速度和位置信息，同时对无人机姿态信息进行修正；
将所述惯性导航数据与实际测量得到的差分信息、单点GPS定位信息或者视觉导航信息进行融合，具体过程包括：
通过惯性导航模块分别预估当前时刻的速度和位移量；
将所述预估的速度和位移量分别与实际测量的速度和位移量做差；
通过所述差值，结合卡尔曼增益系数，更新下一时刻的无人机姿态、速度和位移量；
如果机载端差分GPS模块能获得有效航向角，则计算所述航向角与磁罗盘航向角之间的差值，若所述差值超过设定阈值，则根据所述差值对磁罗盘航向角进行修正；
如果机载端单点GPS能获得有效航迹，计算该航迹角与飞机航迹角差值，若所述差值超过设定阈值，则根据所述差值对磁罗盘航迹角进行修正；
如果视觉导航信息有效，则计算视觉航向角与磁罗盘航向角之间的差值，若所述差值超过设定阈值，则根据所述差值对磁罗盘航迹角进行修正。
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