一種自動巡檢輸電線路的多旋翼無人機及方法技術

本發明專利技術公開了一種自動巡檢輸電線路的多旋翼無人機及方法，無人機包括機器視覺單元、飛行控制單元、線路拍攝單元和電池供電單元；機器視覺單元和線路拍攝單元均與飛行控制單元相連；機器視覺單元實時捕獲輸電線路的圖像信息，并根據捕獲的圖像信息計算出各條輸電線路位于圖像中的位置和方向，以及各條輸電線路在圖像中的相對距離，然后將此數據發送給飛行控制模塊以穩定無人機相對輸電線路的位置、方向和高度，使無人機平行跟隨線路飛行；所述線路拍攝單元，用于無人機平行跟隨線路飛行時，獲取輸電線路的圖像信息。本發明專利技術提高了無人機巡檢輸電線路的準確性和安全性，改善了拍攝畫面的穩定性，降低了無人機巡檢的人力成本。

Multi rotor unmanned aerial vehicle and method for automatic patrolling transmission line

The invention discloses a multi rotor UAV automatic inspection of transmission line and method of UAV flight control unit, including machine vision unit, line shooting unit and a battery power supply unit; machine vision unit and line shooting unit are connected with the flight control unit; the image information of the machine vision unit real-time capture and transmission lines, and according to the image information acquisition to calculate each transmission line in position and orientation in the image, the relative distance in the image and the transmission line, and then sends this data to the stability of the UAV relative transmission line position, direction and height of the UAV flight control module, parallel lines follow the line of flight; a photographing unit for UAV flight line parallel to follow, the acquisition of image information transmission line. The invention improves the accuracy and the safety of the patrol line of the unmanned aerial vehicle, improves the stability of the shooting picture and reduces the manpower cost of the unmanned aerial vehicle patrolling.

【技術實現步驟摘要】
一種自動巡檢輸電線路的多旋翼無人機及方法
本專利技術涉及無人機輸電線路巡檢領域，尤其是涉及一種可以自動巡檢輸電線路的多旋翼無人機及方法。
技術介紹
2020年中國輸電線路總長或超159萬千米，而輸電線路巡檢工作是保證安全、可靠供電的重要的、不可缺少的工作。近年來，隨著遙控無人機技術的發展，采用無人機巡檢電力線路已經具備了技術上的可行性。目前，電力巡檢領域采用遙控無人機巡檢的方式雖然相比于之前的人工巡檢方式，效率有了很大提升，但在線路巡檢時，遙控無人機的方式仍然面臨難以穩定跟隨輸電線路，難以保證平行線路拍攝角度，需要專業飛行人員操作等問題。
技術實現思路
本專利技術目的是為了解決遙控無人機在輸電線路巡檢過程中所面臨的技術難題，提供一種自動巡檢輸電線路的多旋翼無人機及方法，本專利技術基于機器視覺技術，能自動跟隨輸電線路飛行，提高了無人機巡檢輸電線路的準確性和安全性，改善了拍攝畫面的穩定性，降低了無人機巡檢的人力成本。為了實現上述目的，本專利技術采用如下技術方案：一種自動巡檢輸電線路的多旋翼無人機，包括機器視覺單元、飛行控制單元、線路拍攝單元和電池供電單元；所述機器視覺單元和線路拍攝單元均與飛行控制單元相連；所述電池供電單元為無人機系統提供電壓；所述機器視覺單元，用于實時捕獲輸電線路的圖像信息，并根據捕獲的圖像信息計算出各條輸電線路位于圖像中的位置和方向，以及各條輸電線路在圖像中的相對距離，然后將此數據發送給飛行控制模塊以穩定無人機相對輸電線路的位置、方向和高度，使無人機平行跟隨線路飛行；所述線路拍攝單元，用于平行線路飛行時，獲取輸電線路的圖像信息；所述機器視覺單元，包括圖像處理模塊和數字攝像頭。圖像處理模塊采用Cortex-A53架構芯片為嵌入處理器，搭載Linux操作系統，具有較快的運算速度，圖像處理模塊具有供電單元，可使用5V電源作為輸入電源。所述圖像處理模塊，用于實時計算出各條輸電線路位于圖像中的位置和方向，以及各條輸電線路在圖像中的相對距離，并將此數據發送給飛行控制模塊以穩定無人機相對輸電線路的位置、方向和高度。數字攝像頭采用OV系列，具有200W以上像素，用于捕獲輸電線路的圖像信息。所述飛行控制單元，包括主控板，采用Cortex-M4架構芯片為嵌入處理器，用于實時處理機器視覺單元的探測數據，控制無人機自動跟隨輸電線路飛行；處理無人機各傳感器數據，維持無人機本體飛行穩定；處理電池電壓檢測單元數據，控制無人機安全返航。所述線路拍攝單元，包括電動云臺和高清攝像頭。所述電動云臺，可以根據地面人員的指令實時調整高清攝像頭拍攝的角度。本專利技術機器視覺單元和線路拍攝單元均搭載攝像頭，但是搭載的攝像頭類型和功能不同。機器視覺單元使用數字攝像頭，對其拍攝到的圖像進行實時處理，數字攝像頭的優點是單幅圖像數據量小，因此嵌入處理器對圖像信息實時計算所需的時間少，但是它拍攝到的圖像不夠清晰。而線路拍攝單元則搭載不同型號的高清攝像頭(可以選擇高清晰度的模擬攝像頭)，其優點在于圖像分辨率高，可以彌補上述數字攝像頭在拍攝清晰度方面的不足，專門用于拍攝輸電線路的細節，然后進行存儲或通過無線傳輸發送至地面終端，進行地面監控。本專利技術充分利用了數字攝像頭雖然拍攝到的圖像不夠清晰但單幅圖像數據量小、高清攝像頭雖然單幅圖像數據量大不適合實時處理但是圖像分辨率高的特點，在機器視覺單元中搭載數字攝像頭、在線路拍攝單元中搭載高清攝像頭，既滿足了實時處理的時間要求，又滿足了地面監控的清晰度要求。所述自動巡檢輸電線路的多旋翼無人機，還包括與飛行控制單元相連的自動繞障單元，用于無人機遠距離飛行時自動繞開障礙物(桿塔等)飛行。所述自動繞障單元，包括24GHZ雷達傳感器模塊和北斗衛星定位模塊。所述24GHZ雷達傳感器，用于檢測前方閾值距離內有無障礙物出現；所述北斗衛星定位模塊，用于實時定位無人機本體經緯度坐標，并根據探測障礙物的距離定位障礙物的經緯度坐標，規劃航線，指導無人機自動繞障飛行。所述自動巡檢輸電線路的多旋翼無人機，還包括與飛行控制單元相連的飛行狀態檢測單元，用于檢測無人機實時的飛行狀態。所述飛行狀態檢測單元，包括氣壓計、陀螺儀和加速度計及電子羅盤。所述氣壓計用于檢測當前空域氣壓，以進一步計算得到當前飛行高度；陀螺儀和加速度計用于檢測當前無人機的6個自由度狀態，以進一步計算得到穩定無人機所需的控制基量；電子羅盤用于探測地磁場，以進一步計算得到無人機機頭朝向。所述自動巡檢輸電線路的多旋翼無人機，還包括與飛行控制單元相連的信息傳輸單元，用于飛行控制單元與地面終端通信，將無人機自身狀態信息和圖像信息傳輸至地面終端。所述信息傳輸單元，包括數傳模塊和圖傳模塊。數傳模塊與地面終端通過數傳通信鏈路相連接，用于地面人員實時監測飛行方位及無人機自身狀態(包括當前無人機的位置坐標、海拔、溫度、電池電量、飛行姿態、飛行時間、飛行速度和飛行方向)；圖傳模塊與地面終端通過圖傳通信鏈路相連接，用于將高清攝像頭拍攝的畫面(高清線路信息)實時傳輸至地面終端。所述電池供電單元，包括3S鋰電池和12V-5V電壓轉換模塊，3S鋰電池用于為無人機電機提供工作電壓，12V-5V電壓轉換模塊用于為無人機各電路單元提供工作電壓。所述自動巡檢輸電線路的多旋翼無人機，還包括檢測電池電壓的電壓檢測單元；所述電壓檢測單元包括AD采樣電路，用于檢測電池電壓，以計算出當前電壓是否等于閾值電壓，閾值電壓根據返航所需的基礎電壓進行設定。本專利技術還提供了一種自動巡檢輸電線路的方法，采用上述多旋翼無人機，首先控制無人機垂直起飛，機器視覺單元實時捕獲輸電線路的圖像信息，并對捕獲到的圖像信進行處理，計算出各條輸電線路位于圖像中的位置和方向，以及各條輸電線路在圖像中的相對距離；飛行控制單元根據計算得到的信息，執行PID控制算法，以穩定各條輸電線路位于圖像中的位置和方向，以及各條輸電線路在圖像中的相對距離，即無人機相對輸電線路的位置、方向和高度，使無人機平行跟隨輸電線路飛行，并保證無人機與輸電線路件的距離為安全距離；同時控制線路拍攝單元對輸電線路進行拍攝，實現無人機平行輸電線路巡檢。進一步地，所述機器視覺單元首先對捕獲的圖像采用canny邊緣檢測方法得到其輪廓圖像，接著使用OpenCV中的hough變換方法檢測輪廓圖像中的輸電線路，獲取各條輸電線路在輪廓圖像中的起始點和結束點；然后根據獲得的數據計算各條輸電線路位于輪廓圖像中的位置和方向，以及各條輸電線路在輪廓圖像中的相對距離。進一步地，自動繞障單元利用24GHz雷達傳感器模塊實時探測前方是否存在障礙物(桿塔等)，一旦檢測到閾值距離內存在障礙物且通過連續三次接收的數據確定不是誤判后，執行如下步驟：<1>自動繞障單元從24GHz雷達傳感器模塊中獲取當前障礙物與無人機本體的相對距離，調用北斗衛星定位模塊探測無人機本體的經緯度坐標，根據這兩個數據以及無人機機頭朝向計算障礙物經緯度坐標；并以障礙物經緯度坐標為圓心、當前障礙物與無人機本體的相對距離為半徑作半圓弧，將該半圓弧作為無人機的規劃航線；<2>控制無人機按照規劃航線飛行，并實時定位無人機本體的經緯度坐標，計算無人機本體的經緯度坐標與規劃航線的差值，利用位置式PID控制算法實時糾正飛行方位誤差，保證無人機按照規本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種自動巡檢輸電線路的多旋翼無人機，其特征在于，包括機器視覺單元、飛行控制單元、線路拍攝單元和電池供電單元；所述機器視覺單元和線路拍攝單元均與飛行控制單元相連；所述電池供電單元為無人機系統提供電壓；所述機器視覺單元，用于實時捕獲輸電線路的圖像信息，并根據捕獲的圖像信息計算出各條輸電線路位于圖像中的位置和方向，以及各條輸電線路在圖像中的相對距離，然后將此數據發送給飛行控制模塊以穩定無人機相對輸電線路的位置、方向和高度，使無人機平行跟隨線路飛行；所述線路拍攝單元，用于無人機平行跟隨線路飛行時，獲取輸電線路的圖像信息。

【技術特征摘要】
1.一種自動巡檢輸電線路的多旋翼無人機，其特征在于，包括機器視覺單元、飛行控制單元、線路拍攝單元和電池供電單元；所述機器視覺單元和線路拍攝單元均與飛行控制單元相連；所述電池供電單元為無人機系統提供電壓；所述機器視覺單元，用于實時捕獲輸電線路的圖像信息，并根據捕獲的圖像信息計算出各條輸電線路位于圖像中的位置和方向，以及各條輸電線路在圖像中的相對距離，然后將此數據發送給飛行控制模塊以穩定無人機相對輸電線路的位置、方向和高度，使無人機平行跟隨線路飛行；所述線路拍攝單元，用于無人機平行跟隨線路飛行時，獲取輸電線路的圖像信息。2.根據權利要求1所述的自動巡檢輸電線路的多旋翼無人機，其特征在于，還包括與飛行控制單元相連的自動繞障單元；自動繞障單元包括24GHZ雷達傳感器模塊和北斗衛星定位模塊；飛行控制單元根據自動繞障單元探測到的信息規劃航線，指導無人機自動繞障飛行。3.根據權利要求1所述的自動巡檢輸電線路的多旋翼無人機，其特征在于，還包括與飛行控制單元相連的飛行狀態檢測單元；所述飛行狀態檢測單元包括氣壓計、陀螺儀和加速度計及電子羅盤；所述氣壓計用于檢測當前空域氣壓，以進一步計算得到當前飛行高度；陀螺儀和加速度計用于檢測當前無人機的6個自由度狀態，以進一步計算得到穩定無人機所需的控制基量；電子羅盤用于探測地磁場，以進一步計算得到無人機機頭朝向。4.根據權利要求1所述的自動巡檢輸電線路的多旋翼無人機，其特征在于，還包括用于飛行控制單元與地面終端通信的信息傳輸單元；所述信息傳輸單元包括數傳模塊和圖傳模塊；數傳模塊與地面終端通過數傳通信鏈路相連接，用于地面人員實時監測無人機狀態；圖傳模塊與地面終端通過圖傳通信鏈路相連接，用于將線路拍攝單元拍攝的畫面實時傳輸至地面終端。5.根據權利要求1所述的自動巡檢輸電線路的多旋翼無人機，還包括電壓檢測單元，用于實時檢測電池供電單元的輸出電壓，以計算出當前電壓是否等于閾值電壓，閾值電壓根據返航所需的基礎電壓進行設定。6.一種自動巡檢輸電線路的方法，其特征在于，采用權利要求1～5中任一項所述的多旋翼無人機，控制無人機起飛，通過機器視覺單元實時捕獲輸電線路的圖像信息，并對捕獲到的圖像信息進行處理，計算出各條輸電線路位于圖像中的位置和方向，以及各條輸電線路在圖像中的相對距離；飛行控制單元根據計算得到的信息，執行PID控制算法，以穩定無人機相對輸電線路的位置、方向和高度，使無人機平行跟隨輸電線路飛行，并保證無...

【專利技術屬性】
技術研發人員：陳洋卓，張濱，杜鑫，石躍祥，孫權，汪惟楨，郭佳威，魯尚軍，
申請(專利權)人：湘潭大學，
類型：發明
國別省市：湖南,43