CN203102023U - 一种电力巡线无人机自动拍照控制设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种电力巡线无人机自动拍照控制设备，固定于无人机机体前端的金属结构上，位于检测云台的上方，主要由控制电路和电池两部分构成，所述控制电路和电池放置于盒体内；所述控制电路包括单片机、伺服舵机、无线接收机、LCD液晶显示器、按键、相机拍照控制模块和电源管理模块、电池；所述单片机分别连接伺服舵机、无线接收机、LCD液晶显示器、按键、相机拍照控制模块、电源管理模块、电池；电池还与电源管理模块连接。本实用新型在无人机电力巡检过程中实验和实际需求中提炼出来的，能够完成无人机在电力巡线中高效、快速、简易的拍照操作。

Description

一种电力巡线无人机自动拍照控制设备

技术领域

本实用新型属于无人机电力巡检领域，尤其涉及的是一种电力巡线无人机自动拍照控制设备。

背景技术

输电线路分布点多面广，所处地形复杂，自然环境恶劣，电力线及杆塔附近长期暴露在野外，因受外部环境的影响而产生断股、磨损、腐蚀等损伤，必须及时修复或更换。定期的检查输电线路的运行情况，及时消除隐患，确保电力安全。传统的人工巡线工作量大，对山区、河流等复杂环境的线路巡检，存在着很多的难度。

无人机巡线可以有效的解决这些问题。无人机巡线主要是指无人直升机飞行平台搭载通讯设备和检测设备完成对输电线路的巡检，其中检测设备是无人机巡线的任务执行机构，其设计包括检测终端、吊舱/云台和后台软件三部分。检测设备的检测终端（包括机载照相机、机载摄像机、红外热像仪）检测精度和成效，以及检测设备集成的好坏，都是无人机巡线***的关键因素。

现有关于介绍无人直升机电力巡检专用吊舱的专利，如中国专利专利号为201010153913.9的《电力巡检无人直升机专用光电吊舱》，和中国专利专利号为201020156034.7的《一种用于直升机电力巡检的吊舱》，设计了结构紧凑的高性能的光电任务载荷，其具有自稳定功能和自跟踪功能，但是未涉及自动拍照功能；如中国专利专利号为201010174736.2的《一种无人直升机空中拍照控制装置》，实现了地面单元通过无线方式进行空中拍照的功能，并设有报警器，没有关于自动拍照的功能，以及对焦时间设定，自动拍照数量，步进值设定算法等；中国专利专利号为201010551166.4的《用于控制无人直升机空中拍照快门的装置及方法》，介绍了利用接受遥控信号控制而转动的步进电机控制无人直升机空中拍照快门的装置及方法，但没有关于自动拍照完成对杆塔及导线的全覆盖拍摄的功能描述。实用新型内容

本实用新型的目的就是为了解决上述问题，提供一种电力巡线无人机自动拍照控制设备及控制方法，它在无人机电力巡检过程中实验和实际需求中提炼出来的，能够完成无人机在电力巡线中高效、快速、简易的拍照操作。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种电力巡线无人机自动拍照控制设备，它包括安装在无人机体前端的两根平行的金属杆，两根金属杆通过支架连接，支架上方安装盒体，盒体下方通过第一伺服舵机安装检测云台，第一伺服舵机控制检测云台水平转动，检测云台正下方设有相机托，相机托的前后摇摆通过第二伺服电机来控制，所述相机托上设有照相机，盒体内安装控制电路和电池。

所述检测云台包括两个倒U形机械手，所述两个机械手通过若干横杆连接，所述两个机械手的末端通过固定装置连接，圆弧形相机托安装在所述两个固定装置的中心圆孔上，第二伺服舵机固定在至少一个固定装置的外侧，第二伺服舵机穿过固定装置的中心圆孔控制相机托的摇摆，所述相机托的圆心角大于180°，所述相机托的圆弧的两个开口端向圆心内延伸，所述机械手上设有若干大圆孔和小圆孔，所述横杆的两端和固定装置的两端分别固定在两个机械手的小圆孔上。

所述固定装置为矩形铁片，所述矩形铁片的四个边成内凹的圆弧形，所述矩形铁片的中心处为圆孔。

所述控制电路包括单片机、所述两个伺服舵机、无线接收机、LCD液晶显示器、按键、相机拍照控制模块和电源管理模块、电池；所述单片机分别连接所述两个伺服舵机、无线接收机、LCD液晶显示器、按键、相机拍照控制模块、电源管理模块、电池；电池还与电源管理模块连接。

所述单片机选取dsPIC30F6015型号，用于编译和解算控制命令，控制与其相连接各部分完成任务和功能；

所述两个伺服舵机都与检测云台连接，主要用来控制检测云台的角度转动，实现对目标物照片的准确获取；

所述无线接收机主要用于与地面站之间的控制命令和信息的交互；

所述LCD液晶显示器主要用于展示电池及各机载设备电源情况；

所述按键为一简单人机交互设置，为多个轻触式开关，主要可进行通电、断电和自动拍照控制设备的一些简单命令设置，如拍照间隔时间选取、角度选取、快门速度选取等，其他控制命令仍需通过地面站设置并无线传输；

所述相机拍照控制模块与相机相连，为控制相机快门进行拍照的结构；

所述电源管理模块与电池相连，所述电源管理模块还与控制电路电源、摄像头电源、照相机电源、云台舵机电源、图传电源连接，所述电源管理模块主要是对照相机电源，图传电源，控制电路电源，摄像头电源，云台舵机电源进行监控与管理。

上述一种电力巡线无人机自动拍照控制设备所采用的控制方法，具体步骤如下：

步骤（1）：启动，***初始化；

步骤（2）：参数设定，所述参数包括步进值、对焦时间、照片数量、所述两个伺服舵机需要转动的角度的范围、电源电量报警值；

步骤（3）：判断控制指令是手动还是自动，如果是手动就远程无线控制，结束；如果是自动就进入步骤（4）；

步骤（4）：计算巡检时检测云台的垂直方向摇摆角度范围与水平方向转动角度范围；

步骤（5）：根据步骤（2）的预设参数进行步进自动拍照；

步骤（6）：结束。

所述步骤（4）中计算方法如下：

无人机飞行距地面高度为H，杆塔高度为h，无人机飞行位置在地面的垂直投影与输电导线间垂直距离为d，设定巡检时检测云台的垂直方向摇摆角度范围为α₁～α₂，则应满足：

α₁=arctan[（H-h）/d],α₂=arctan（H/d）,

杆塔最宽处宽度为a，无人机飞行位置在地面的垂直投影与输电导线间垂直距离为d，无人机飞行位置在地面的垂直投影与杆塔间垂直距离为b，输电导线档距为L，设定巡检时检测云台水平方向转动角度范围为β₁～β₂，则应满足：

β₁=arctan（d/b）,β₂=arctan[（a+d）/b],

而无人机在拍摄输电导线的图片时，为沿导线弧垂方向匀速缓慢前行途中拍摄，记无人机飞行速度为v，所用相机镜头的拍摄广角为γ，飞行过程中，检测云台角度不变，一般取[（β₁+β₂）/2]，此时，应设定拍摄时间间隔为

Δt=0.6{d/tan[（β₁+β₂）/2-γ/2]-d/tan[（β₁+β₂）/2+γ/2]}/v

综上所述，步骤（4）中最终算出的无人机在拍摄杆塔图片时，所述两个伺服舵机所需要转动角度：垂直方向摇摆角度范围α₁～α₂，水平方向转动角度范围为β₁～β₂；无人机在拍摄输电导线的图片时，设定拍摄时间间隔为Δt。

所述步骤（5）的具体步骤如下：

步骤（5-1）：自动拍照开始，检测云台自动设定垂直位置与水平位置初始角度拍照模式，俯仰值i=0，水平值j=0；

步骤（5-2）：判断i%2==0是否成立，如果是就进入步骤（5-3）；如果否就执行（5-4）；

步骤（5-3）：对焦，拍照，水平方位角加水平步进值P，j++；判断j<Y是否成立，Y为照片数量，如果成立就返回步骤（5-3）；如果不成立就进入步骤（5-5）；

步骤（5-4）：对焦，拍照，水平方位角减水平步进值P，j++；判断j<Y是否成立，Y为照片数量，如果成立就返回步骤（5-4）；如果不成立就进入步骤（5-5）；

步骤（5-5）：俯仰方位角加俯仰步进值W；i++，判断i<X是否成立，X为对焦时间，如果是就返回步骤（5-2）；如果否就将检测云台的俯仰与水平位置复位，结束。

所述俯仰步进值W的计算方法为：

$W=\frac{\mathrm{\&alpha;}2-\mathrm{\&alpha;}1}{X},$

所述水平步进值P的计算方法为：

$P=\frac{\mathrm{\&beta;}2-\mathrm{\&beta;}1}{Y},$

其中，X：杆塔俯仰方位分割值，Y：杆塔水平方位分割值；α₁：检测云台俯仰角度上，从检测云台初始化位置转到杆塔的最上方的角度；α₂：检测云台俯仰角度上，从检测云台初始化位置转到杆塔的最下方的角度；β₁：检测云台水平角度上，从检测云台初始化位置转到杆塔的最左边的角度；β₂：检测云台水平角度上，从检测云台初始化位置转到杆塔的最右方的角度。

本实用新型的有益效果：

1.本实用新型的机械手上设有大圆孔，所述大圆孔的目的在于减轻检测云台的重量，给无人机的飞行减轻负担；

2.本实用新型的所述相机托的圆弧的端部向圆心内延伸，目的在于更好的支撑相机，防止飞行过程中，相机掉落下来；

3.本实用新型能够完成无人机在电力巡线中对输电导线和杆塔等电力设备高效、快速、简易的拍照操作。

4.电力巡线无人机自动拍照控制设备中设有自动拍照的功能，只需要在无人机进行巡线之前，将线路参数和无人机飞行参数输入地面站***，即能够计算出拍摄角度、步进值和自动拍照数量，对焦时间设定后，即可完成对杆塔的自动拍照，避免了手动设置角度的延时、可靠性低的可能性。

5.上述自动拍照功能能够通过参数设定，通过检测云台的水平方向的左右转动和垂直方向上的前后摇摆完成对杆塔及导线的全覆盖拍摄，并能够满足图像拼技术对相邻图片重合度的要求。

附图说明

图1(a)为电力巡线无人机自动拍照控制设备左视图；

图1(b)为电力巡线无人机自动拍照控制设备右视图；

图2为设备控制电路结构图；

图3为电池供电分配图图；

图4为无人机巡检时沿输电导线方向的侧视图；

图5为无人机巡检时导线正上方俯视图；

图6为自动拍照的区域划分图；

图7为本实用新型的控制方法流程示意图；

图8为本实用新型的自动拍照的工作流程示意图；

其中，1金属杆，2检测云台，3盒体，4单片机，5第二伺服舵机，6无线接收机，7LCD液晶显示器，8按键，9相机拍照控制模块，10电源管理模块，11电池，12图传电源，13云台舵机电源，14照相机电源，15摄像头电源，16控制电路电源，17无人机巡检时飞行位置，18杆塔，19输电导线，20固定装置，21第一伺服舵机。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本实用新型作进一步说明。

如图1(a)和图1（b）所示，一种电力巡线无人机自动拍照控制设备，它包括安装在无人机体前端的两根平行的金属杆1，两根金属杆1通过支架连接，支架上方安装盒体3，支架下方安装检测云台2，检测云台2正下方设有相机托，所述相机托上设有照相机，盒体3内安装控制电路和电池。

所述检测云台2包括两个倒U形机械手，所述两个机械手通过若干横杆连接，所述两个机械手的末端通过固定装置20固定，所述固定装置20上安装圆弧形相机托，所述相机托的圆心角大于180°，所述相机托的圆弧的两个开口端向圆心内延伸，所述机械手上设有若干大圆孔和小圆孔，所述横杆的两端和固定装置20的两端分别固定在两个机械手的小圆孔上。

所述固定装置20为矩形铁片，所述矩形铁片的四个边成内凹的圆弧形，所述矩形铁片的中心处为圆孔。

如图2所示，所述控制电路包括单片机4、所述两个伺服舵机、无线接收机6、LCD液晶显示器7、按键8、相机拍照控制模块9和电源管理模块10、电池11；所述单片机4分别连接所述两个伺服舵机、无线接收机6、LCD液晶显示器7、按键8、相机拍照控制模块9、电源管理模块10、电池11；电池11还与电源管理模块10连接。

所述单片机4选取dsPIC30F6015型号，用于编译和解算控制命令，控制与其相连接各部分完成任务和功能；

所述两个伺服舵机与检测云台2连接，主要用来控制检测云台2的角度转动，实现对目标物照片的准确获取；

所述无线接收机6主要用于与地面站之间的控制命令和信息的交互；

所述LCD液晶显示器7主要用于展示电池11及各机载设备电源情况；

所述按键8为一简单人机交互设置，为多个轻触式开关，主要可进行通电、断电和自动拍照控制设备的一些简单命令设置，如拍照间隔时间选取、角度选取、快门速度选取等，其他控制命令仍需通过地面站设置并无线传输；

所述相机拍照控制模块9与相机相连，为控制相机快门进行拍照的结构；

如图3所示，所述电源管理模块10与电池11相连，所述电源管理模块10还与控制电路电源16、摄像头电源15、照相机电源14、云台舵机电源13、图传电源12连接，所述电源管理模块10主要是对照相机电源14，图传电源12，控制电路电源16，摄像头电源15，云台舵机电源13进行监控与管理。

电池11最大提供电压为12V，通过电源管理模块10向图传电源12提供12V电压、云台舵机电源13提供5V电压、照相机电源14提供7.4V电压、摄像头电源15提供12V电压、控制电路电源16提供5V电压。

如图7所示，上述一种电力巡线无人机自动拍照控制设备所采用的控制方法，具体步骤如下：

步骤（1）：启动，***初始化；

步骤（2）：参数设定，所述参数包括步进值、对焦时间、照片数量、第一伺服舵机21或第二伺服舵机5需要转动的角度的范围、电源电量报警值；

步骤（3）：判断控制指令是手动还是自动，如果是手动就远程无线控制，结束；如果是自动就进入步骤（4）；

步骤（4）：计算巡检时检测云台2的垂直方向摇摆角度范围与水平方向转动角度范围；

步骤（5）：根据步骤（2）的预设参数进行步进自动拍照；

步骤（6）：结束。

所述步骤（4）中计算方法如下：

如图4所示，无人机飞行距地面高度为H，杆塔18高度为h，无人机巡检时飞行位置17在地面的垂直投影与输电导线19间垂直距离为d，设定巡检时检测云台2的垂直方向摇摆角度范围为α₁～α₂，则应满足：

α₁=arctan[（H-h）/d],α₂=arctan（H/d）,

如图5和6所示，杆塔18最宽处宽度为a，无人机巡检时飞行位置17在地面的垂直投影与输电导线19间垂直距离为d，无人机巡检时飞行位置17在地面的垂直投影与杆塔18间垂直距离为b，输电导线19档距为L，设定巡检时巡检云台2水平方向转动角度范围为β₁～β₂，则应满足：

β₁=arctan（d/b）,β₂=arctan[（a+d）/b],

而无人机在拍摄输电导线的图片时，为沿导线弧垂方向匀速缓慢前行途中拍摄，记无人机飞行速度为v，所用相机镜头的拍摄广角为γ，飞行过程中，检测云台2角度不变，一般取[（β₁+β₂）/2]，此时，应设定拍摄时间间隔为

Δt=0.6{d/tan[（β₁+β₂）/2-γ/2]-d/tan[（β₁+β₂）/2+γ/2]}/v

综上所述，步骤（4）中最终算出的无人机在拍摄杆塔图片时，所述两个伺服舵机所需要转动角度：垂直方向摇摆角度范围α₁～α₂，水平方向转动角度范围为β₁～β₂；无人机在拍摄输电导线的图片时，设定拍摄时间间隔为Δt。

Δt=0.6{d/tan[（β₁+β₂）/2-γ/2]-d/tan[（β₁+β₂）/2+γ/2]}/v

综上所述，步骤（4）中最终算出的无人机在拍摄杆塔18图片时，所述两个伺服舵机所需要转动角度：垂直方向摇摆角度范围α₁～α₂，水平方向转动角度范围为β₁～β₂。

如图8所示，所述步骤（5）的具体步骤如下：

步骤（5-1）：自动拍照开始，检测云台2自动设定垂直位置与水平位置初始角度拍照模式，俯仰值i=0，水平值j=0；

步骤（5-2）：判断i%2==0是否成立，如果是就进入步骤（5-3）；如果否就执行（5-4）；

步骤（5-3）：对焦，拍照，水平方位角加步进值P，j++；判断j<Y是否成立，Y为照片数量，如果成立就返回步骤（5-3）；如果不成立就进入步骤（5-5）；

步骤（5-4）：对焦，拍照，水平方位角减步进值P，j++；判断判断j<Y是否成立，Y为照片数量，如果成立就返回步骤（5-4）；如果不成立就进入步骤（5-5）；

步骤（5-5）：俯仰方位角加步进值W；i++，判断i<X是否成立，X为对焦时间，如果是就返回步骤（5-2）；如果否就将检测云台2的俯仰与水平位置复位，结束。

所述俯仰步进值W的计算方法为：

$W=\frac{\mathrm{\&alpha;}2-\mathrm{\&alpha;}1}{X},$

所述水平步进值P的计算方法为：

$P=\frac{\mathrm{\&beta;}2-\mathrm{\&beta;}1}{Y},$

其中，X：杆塔俯仰方位分割值，Y：杆塔水平方位分割值；α₁：检测云台俯仰角度上，从检测云台初始化位置转到杆塔的最上方的角度；α₂：检测云台俯仰角度上，从检测云台初始化位置转到杆塔的最下方的角度；β₁：检测云台水平角度上，从检测云台初始化位置转到杆塔的最左边的角度；β₂：检测云台水平角度上，从检测云台初始化位置转到杆塔的最右方的角度。

上述虽然结合附图对本实用新型的具体实施方式进行了描述，但并非对本实用新型保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本实用新型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实用新型的保护范围以内。

Claims (6)

1.一种电力巡线无人机自动拍照控制设备，其特征是，它包括安装在无人机体前端的两根平行的金属杆，两根金属杆通过支架连接，支架上方安装盒体，盒体下方通过第一伺服舵机安装检测云台，第一伺服舵机控制检测云台水平转动，检测云台正下方设有相机托，相机托的前后摇摆通过第二伺服电机来控制，所述相机托上设有照相机，盒体内安装控制电路和电池。

2.如权利要求1所述的一种电力巡线无人机自动拍照控制设备，其特征是，所述检测云台包括两个倒U形机械手，所述两个机械手通过若干横杆连接，所述两个机械手的末端通过固定装置连接，圆弧形相机托安装在所述两个固定装置的中心圆孔上，第二伺服舵机固定在至少一个固定装置的外侧，第二伺服舵机穿过固定装置的中心圆孔控制相机托的摇摆，所述相机托的圆心角大于180°，所述相机托的圆弧的两个开口端向圆心内延伸，所述机械手上设有若干大圆孔和小圆孔，所述横杆的两端和固定装置的两端分别固定在两个机械手的小圆孔上。

3.如权利要求2所述的一种电力巡线无人机自动拍照控制设备，其特征是，所述固定装置为矩形铁片，所述矩形铁片的四个边成内凹的圆弧形，所述矩形铁片的中心处为圆孔。

4.如权利要求1所述的一种电力巡线无人机自动拍照控制设备，其特征是，所述控制电路包括单片机、所述两个伺服舵机、无线接收机、LCD液晶显示器、按键、相机拍照控制模块和电源管理模块、电池；所述单片机分别连接所述两个伺服舵机、无线接收机、LCD液晶显示器、按键、相机拍照控制模块、电源管理模块、电池；电池还与电源管理模块连接。

5.如权利要求4所述的一种电力巡线无人机自动拍照控制设备，其特征是，所述两个伺服舵机与检测云台连接。

6.如权利要求4所述的一种电力巡线无人机自动拍照控制设备，其特征是，所述按键为为多个轻触式开关；所述相机拍照控制模块与相机相连；所述电源管理模块与电池相连，所述电源管理模块还与控制电路电源、摄像头电源、照相机电源、云台舵机电源、图传电源连接，所述电源管理模块主要是对照相机电源，图传电源，控制电路电源，摄像头电源，云台舵机电源进行监控与管理。

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