一种无人机巡检输电线路的方法技术

本发明专利技术提出了一种无人机巡检输电线路的方法，其步骤如下：将无人机的姿态控制器分为内环角速度控制器和外环角度控制器；将无人机的位置控制器设计为串行PID控制器；通过卡尔曼滤波进行数据融合获取无人机的竖直高度和水平位置；无人机自主起飞；无人机自主航线巡检；绝缘子串的采集和输电线路异物检测与定位；无人机自主返航降落。本发明专利技术提高了姿态解算结果的精度，有效提高了系统的抗干扰能力，使用卡尔曼滤波算法分别对气压计数据、GPS数据进行了数据融合滤波，提高了高度数据和水平位置数据的准确性；通过图像处理技术可以有效地对绝缘子串缺陷检测和定位，检测输电线路是否存在异物，由无人机及图像处理技术替代人力完成电力巡检。

【技术实现步骤摘要】
一种无人机巡检输电线路的方法
本专利技术涉及输电线路巡检的
，尤其涉及一种无人机巡检输电线路的方法。
技术介绍
输电线路是电力系统中重要的组成部分，输电线路主要由线路杆塔、高压输电线、绝缘子、线路金具等设备构成，架设在地面的电塔之上，主要作用是把电厂输入的电能经过变压器增压之后输送给用电方。但我国幅员辽阔且地势复杂多样，输电线路多半常年暴露在野外以及一些荒无人烟的地方，其中一些地方地势复杂自然环境恶劣，输电线路经受雨雪天气、雷击等恶劣的天气以及鸟类在电塔上筑巢对输电线路造成的破坏以及形成的安全隐患，都是导致电力系统发生故障的主要因素，一旦电力系统发生故障，会对人们的生活带来很多的不方便也会导致巨大的经济损失。所以电力系统中输电线路的安全保障是必需的，必须定期的检查和维护。电力工人为了保障输电线路的安全，保障人们安全正常的使用家用电器，电力公司会制定相应的计划，电力工人会定期的巡检输电线路，一般分为线上巡检和登杆巡检。但在一些恶劣的环境下或是一些特殊的测量和巡检要求下，电力工人身穿防止电压伤害的工作服，在高空测量一些指定数据以及观察电力器件是否受到损坏，比如输电线路异物，绝缘子串是否有破损，线夹和接线管是否有异常发热，螺帽螺栓是否松动，以上这些工作都是需要几个工作人员相互配合才能够安全有效的完成。传统人工巡检输电线路的方式存在如下缺点：1.高空作业难度太高。一些需要巡检的电力器件在高架线路上，而目前的高压塔大多在十米以上，攀爬到如此高的高空中执行巡检的任务，对巡检人员的技术和心理素质都是很大的考验。在一些恶劣的气候或险峻的地理环境下，即使对有经验的技术人员来说也是一个很大的挑战。2.高空巡检作业安全隐患比较多。在十几米的高空中长时间作业，巡检人员若是出现一些意外状况如安全绳索断裂、注意力不集中、身体不适等都可能会造成人员的伤亡，给国家单位家庭带来不可挽回的损失。3.人力巡检精度不高。有些输电线路两端的高压塔相距非常远，巡检人员即使攀登高压塔之后也只能用望远镜进行观看，由于在高压塔上无法多角度观察器件，光照等因素会导致产生较大的误差，另外长时间用眼之后眼睛的疲劳也会造成巡检质量的降低。4.人力成本太高。高空巡检不仅需要巡检人员，还需要地面上的工作人员提供安全支持来给高空巡检人员提供安全保障。在一些复杂险恶的地势或需要巡检的目标较多时，甚至需要几组工作人员巡检一处输电线路，很大程度上提高了人力成本。5.人力巡检效率低下。传统人工巡检需要攀爬十几米的高压电塔，攀爬电塔本身就降低巡检效率。另外在巡检过程中可能需要多角度的通过望远镜观察电力器件，导致巡检人员在高空中需要来回的变换位置，这不仅降低了效率，也增加了安全隐患。近几年随着科学技术的发展，国内外的电力部门和相关企业都在开展无人机巡检输电线路方面的研究。无人机的英文简称为UAV(UnmannedAerialVehicle)，用无人机巡检代替电力工人在地面或攀爬电塔用肉眼观察巡检有很多方面的好处，如下：1.降低巡检难度。由于是无人机进行高空巡检作业，所以可以避免攀爬高空电塔等危险系数高的动作，只需在地面操纵无人机飞行即可，对高压电塔上零部件以及输电线路的观测可以在无人机上挂载摄像头和云台等设备，可以把无人机检测到的图像通过无线图传传输到地面端的显示器上，可以清晰观测到一些因为距离和角度导致人眼无法观测到的细节。另外一些高难度巡检作业任务也可以通过给无人机挂载特殊的外设来解决，如通过喷火器对输电线路上的异物进行灼烧清除。2.提高巡检效率。操作无人机进行巡检，避免电力巡检人员攀爬电塔，这已经是一种效率的提高，电力巡检人员在高压电塔上很难多角度的观测被巡检的器件，而无人机巡检可以很轻易的做到这一点，通过镜头的缩进能观察到比人力巡检更清晰的画面。3.降低了人力成本。使用无人机进行输电线路的巡检能大幅度提高巡检效率，以往数组巡检人员才能够巡检完成的输电线路，只需要一组人员控制飞行器和观察地面站就够了，降低了人力成本。
技术实现思路
针对人力巡检方法高空作业难度大，巡检精度不高，成本大，效率低的技术问题，本专利技术提出一种无人机巡检输电线路的方法，提高无人机姿态解算精度和抗干扰能力，由无人机及图像处理技术替代人力完成电力巡检。为了达到上述目的，本专利技术的技术方案是这样实现的：一种无人机巡检输电线路的方法，其步骤如下：步骤一：将无人机的姿态控制器分为内环角速度控制器和外环角度控制器，内环角速度控制器为ADRC控制器，外环角度控制为角度PID控制器；将无人机的位置控制器设计为串行PID控制器，对无人机在水平和竖直高度上的位置、速度、加速度进行控制；步骤二：实时获取无人机的实际位置：通过卡尔曼滤波将加速度计获取的数据和气压计获取的数据进行数据融合获取无人机的竖直高度；通过卡尔曼滤波将加速度计获取的数据和GPS模块得到的位置信息进行数据融合获取无人机的水平位置；步骤三：无人机自主起飞：将步骤二得到的竖直高度作为位置实际值传送至串级PID控制器，将起飞的指定高度作为期望位置值，串级PID控制器调整无人机载竖直方向方向上的位置、速度和加速度自动起飞到指定高度；步骤四：无人机自主航线巡检：测量各个电塔的坐标并存储在一个数组中；依次读取数组中的竖直高度或水平位置的位置信息作为期望位置，通过步骤二的卡尔曼滤波进行数据融合得到的无人机的竖直高度或水平位置作为实际位置，串级PID控制器进行位置、速度、加速度的PID控制，实现高度PID控制或水平位置PID控制；数组中的位置信息读取完毕，完成航线飞行；步骤五：绝缘子串的采集和输电线路异物检测与定位：无人机载杆塔上悬停10秒对电力器件进行图像采集，进行预处理后传输至地面显示器；无人机上搭载的Openmv模块，实时采集输电线路的图像并检测输电线路上是否有异物存在；步骤六：自主返航降落：设定期望返航高度为10米，串级PID控制器进行高度PID控制；将起飞前的初始坐标点作为水平位置的期望值，串级PID控制器进行水平位置控制，如果无人机的实际水平位置和初始坐标点误差小于一定阈值，串级PID控制器进行高度PID控制，若串级PID控制器持续检测到速度反馈值和加速度反馈值为0，则判定无人机降落至地面。所述姿态控制器的角度期望值和角度实际值作差后传送至角度PID控制器的输入端，角度PID控制器输出端的输出值作为期望和角速度测量单元的数据作差后传送到ADRC控制器的进行控制。所述串行PID控制器包括位置PID控制器、速度PID控制器和加速度PID控制器，加速度计测量的数据即其积分计算出的速度和位置信息作为反馈分别与位置PID控制器、速度PID控制器和加速度PID控制器的输入端相连接，位置期望值与位置PID控制器的输入端相连接，位置PID控制器的输出值作为速度PID控制器的期望，速度PID控制器的输出值作为加速度PID控制器的期望，加速度PID控制器的输出端与无人机的飞行控制器相连接，飞行控制器的PWM输出值调整电机转速，从而调整在竖直方向或水平方向的位置、速度、加速度。所述步骤二中通过卡尔曼滤波进行数据融合获取无人机的竖直高度的方法是：将加速度计采集的数据作为状态量，气压计采集的数据作为观测量，基于卡尔曼滤波建立无人机竖直高度的数学模型为：状态方程：观测方程：本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无人机巡检输电线路的方法，其特征在于，其步骤如下：步骤一：将无人机的姿态控制器分为内环角速度控制器和外环角度控制器，内环角速度控制器为ADRC控制器，外环角度控制为角度PID控制器；将无人机的位置控制器设计为串行PID控制器，对无人机在水平和竖直高度上的位置、速度、加速度进行控制；步骤二：实时获取无人机的实际位置：通过卡尔曼滤波将加速度计获取的数据和气压计获取的数据进行数据融合获取无人机的竖直高度；通过卡尔曼滤波将加速度计获取的数据和GPS模块得到的位置信息进行数据融合获取无人机的水平位置；步骤三：无人机自主起飞：将步骤二得到的竖直高度作为位置实际值传送至串级PID控制器，将起飞的指定高度作为期望位置值，串级PID控制器调整无人机载竖直方向方向上的位置、速度和加速度自动起飞到指定高度；步骤四：无人机自主航线巡检：测量各个电塔的坐标并存储在一个数组中；依次读取数组中的竖直高度或水平位置的位置信息作为期望位置，通过步骤二的卡尔曼滤波进行数据融合得到的无人机的竖直高度或水平位置作为实际位置，串级PID控制器进行位置、速度、加速度的PID控制，实现高度PID控制或水平位置PID控制；数组中的位置信息读取完毕，完成航线飞行；步骤五：绝缘子串的采集和输电线路异物检测与定位：无人机载杆塔上悬停10秒对电力器件进行图像采集，进行预处理后传输至地面显示器；无人机上搭载的Openmv模块，实时采集输电线路的图像并检测输电线路上是否有异物存在；步骤六：自主返航降落：设定期望返航高度为10米，串级PID控制器进行高度PID控制；将起飞前的初始坐标点作为水平位置的期望值，串级PID控制器进行水平位置控制，如果无人机的实际水平位置和初始坐标点误差小于一定阈值，串级PID控制器进行高度PID控制，若串级PID控制器持续检测到速度反馈值和加速度反馈值为0，则判定无人机降落至地面。...

【技术特征摘要】
1.一种无人机巡检输电线路的方法，其特征在于，其步骤如下：步骤一：将无人机的姿态控制器分为内环角速度控制器和外环角度控制器，内环角速度控制器为ADRC控制器，外环角度控制为角度PID控制器；将无人机的位置控制器设计为串行PID控制器，对无人机在水平和竖直高度上的位置、速度、加速度进行控制；步骤二：实时获取无人机的实际位置：通过卡尔曼滤波将加速度计获取的数据和气压计获取的数据进行数据融合获取无人机的竖直高度；通过卡尔曼滤波将加速度计获取的数据和GPS模块得到的位置信息进行数据融合获取无人机的水平位置；步骤三：无人机自主起飞：将步骤二得到的竖直高度作为位置实际值传送至串级PID控制器，将起飞的指定高度作为期望位置值，串级PID控制器调整无人机载竖直方向方向上的位置、速度和加速度自动起飞到指定高度；步骤四：无人机自主航线巡检：测量各个电塔的坐标并存储在一个数组中；依次读取数组中的竖直高度或水平位置的位置信息作为期望位置，通过步骤二的卡尔曼滤波进行数据融合得到的无人机的竖直高度或水平位置作为实际位置，串级PID控制器进行位置、速度、加速度的PID控制，实现高度PID控制或水平位置PID控制；数组中的位置信息读取完毕，完成航线飞行；步骤五：绝缘子串的采集和输电线路异物检测与定位：无人机载杆塔上悬停10秒对电力器件进行图像采集，进行预处理后传输至地面显示器；无人机上搭载的Openmv模块，实时采集输电线路的图像并检测输电线路上是否有异物存在；步骤六：自主返航降落：设定期望返航高度为10米，串级PID控制器进行高度PID控制；将起飞前的初始坐标点作为水平位置的期望值，串级PID控制器进行水平位置控制，如果无人机的实际水平位置和初始坐标点误差小于一定阈值，串级PID控制器进行高度PID控制，若串级PID控制器持续检测到速度反馈值和加速度反馈值为0，则判定无人机降落至地面。2.根据权利要求1所述的无人机巡检输电线路的方法，其特征在于，所述姿态控制器的角度期望值和角度实际值作差后传送至角度PID控制器的输入端，角度PID控制器输出端的输出值作为期望和角速度测量单元的数据作差后传送到ADRC控制器的进行控制。3.根据权利要求1或2所述的无人机巡检输电线路的方法，其特征在于，所述串行PID控制器包括位置PID控制器、速度PID控制器和加速度PID控制器，加速度计测量的数据即其积分计算出的速度和位置信息作为反馈分别与位置PID控制器、速度PID控制器和加速度PID控制器的输入端相连接，位置期望值与位置PID控制器的输入端相连接，位置PID控制器的输出值作为速度PID控制器的期望，速度PID控制器的输出值作为加速度PID控制器的期望，加速度PID控制器的输出端与无人机的飞行控制器相连接，飞行控制器的PWM输出值调整电机转速，从而调整在竖直方向或水平方向的位置、速度、加速度。4.根据权利要求1所述的无人机巡检输电线路的方法，其特征在于，所述步骤二中通过卡尔曼滤波进行数据融合获取无人机的竖直高度的方法是：将加速度计采集的数据作为状态量，气压计采集的数据作为观测量，基于卡尔曼滤波建立无人机竖直高度的数学模型为：状态方程：观测方程：其中，T0为采样时间，s(k)为无人机在kT0时刻的真实位置，x(k+1)为下一时刻的状态值，s(k+1)为下一时刻的真实位置，和分别表示当前时刻的速度和下一时刻的速度，y(k)为在kT0时刻处气压计观测到的观测值；u(k)为竖直方向上的真实加速度，w(k)为加速度计本身的过程噪声，设过程噪声是零均值且方差为Q的白噪声，方差Q可通过大量的加速度计的试验数据统计得到；根据卡尔曼滤波算法对无人机竖直高度的数学模型进行求解：预测过程：x(k|k-1)＝Ax(k-1|k-1)+Bu(k)+Γw(k)，P(k|k-1)＝AP(k-1|k-1)AT+Q；更新过程：Kg(k)＝P(k|k-1)HT/(HP(k|k-1)HT+R)，x(k|k)＝x(k|k-1)+Kg(k)(Z(k)-Hx(k|k-1))，P(k|k)＝(I-Kg(k)H)P(k|k-1)；其中，x(k|k-1)为系统下一时刻的预测结果，x(k-1|k-1)为系统上一时刻的最优估计值；P(k|k-1)为预测结果x(k|k-1)对应的协方差，P(k|k)表示当前时刻协方差，AT为矩阵A的转置；x(k|k)为当前状态的最佳估计值，Z(k)为...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚利娜，陈文浩，李立凡，秦尧尧，李丰哲，刘艳红，
申请(专利权)人：郑州大学，
类型：发明
国别省市：河南,41