一种自动巡检输电线路的多旋翼无人机及方法技术

本发明专利技术公开了一种自动巡检输电线路的多旋翼无人机及方法，无人机包括机器视觉单元、飞行控制单元、线路拍摄单元和电池供电单元；机器视觉单元和线路拍摄单元均与飞行控制单元相连；机器视觉单元实时捕获输电线路的图像信息，并根据捕获的图像信息计算出各条输电线路位于图像中的位置和方向，以及各条输电线路在图像中的相对距离，然后将此数据发送给飞行控制模块以稳定无人机相对输电线路的位置、方向和高度，使无人机平行跟随线路飞行；所述线路拍摄单元，用于无人机平行跟随线路飞行时，获取输电线路的图像信息。本发明专利技术提高了无人机巡检输电线路的准确性和安全性，改善了拍摄画面的稳定性，降低了无人机巡检的人力成本。

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.

【技术实现步骤摘要】
一种自动巡检输电线路的多旋翼无人机及方法
本专利技术涉及无人机输电线路巡检领域，尤其是涉及一种可以自动巡检输电线路的多旋翼无人机及方法。
技术介绍
2020年中国输电线路总长或超159万千米，而输电线路巡检工作是保证安全、可靠供电的重要的、不可缺少的工作。近年来，随着遥控无人机技术的发展，采用无人机巡检电力线路已经具备了技术上的可行性。目前，电力巡检领域采用遥控无人机巡检的方式虽然相比于之前的人工巡检方式，效率有了很大提升，但在线路巡检时，遥控无人机的方式仍然面临难以稳定跟随输电线路，难以保证平行线路拍摄角度，需要专业飞行人员操作等问题。
技术实现思路
本专利技术目的是为了解决遥控无人机在输电线路巡检过程中所面临的技术难题，提供一种自动巡检输电线路的多旋翼无人机及方法，本专利技术基于机器视觉技术，能自动跟随输电线路飞行，提高了无人机巡检输电线路的准确性和安全性，改善了拍摄画面的稳定性，降低了无人机巡检的人力成本。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种自动巡检输电线路的多旋翼无人机，包括机器视觉单元、飞行控制单元、线路拍摄单元和电池供电单元；所述机器视觉单元和线路拍摄单元均与飞行控制单元相连；所述电池供电单元为无人机系统提供电压；所述机器视觉单元，用于实时捕获输电线路的图像信息，并根据捕获的图像信息计算出各条输电线路位于图像中的位置和方向，以及各条输电线路在图像中的相对距离，然后将此数据发送给飞行控制模块以稳定无人机相对输电线路的位置、方向和高度，使无人机平行跟随线路飞行；所述线路拍摄单元，用于平行线路飞行时，获取输电线路的图像信息；所述机器视觉单元，包括图像处理模块和数字摄像头。图像处理模块采用Cortex-A53架构芯片为嵌入处理器，搭载Linux操作系统，具有较快的运算速度，图像处理模块具有供电单元，可使用5V电源作为输入电源。所述图像处理模块，用于实时计算出各条输电线路位于图像中的位置和方向，以及各条输电线路在图像中的相对距离，并将此数据发送给飞行控制模块以稳定无人机相对输电线路的位置、方向和高度。数字摄像头采用OV系列，具有200W以上像素，用于捕获输电线路的图像信息。所述飞行控制单元，包括主控板，采用Cortex-M4架构芯片为嵌入处理器，用于实时处理机器视觉单元的探测数据，控制无人机自动跟随输电线路飞行；处理无人机各传感器数据，维持无人机本体飞行稳定；处理电池电压检测单元数据，控制无人机安全返航。所述线路拍摄单元，包括电动云台和高清摄像头。所述电动云台，可以根据地面人员的指令实时调整高清摄像头拍摄的角度。本专利技术机器视觉单元和线路拍摄单元均搭载摄像头，但是搭载的摄像头类型和功能不同。机器视觉单元使用数字摄像头，对其拍摄到的图像进行实时处理，数字摄像头的优点是单幅图像数据量小，因此嵌入处理器对图像信息实时计算所需的时间少，但是它拍摄到的图像不够清晰。而线路拍摄单元则搭载不同型号的高清摄像头(可以选择高清晰度的模拟摄像头)，其优点在于图像分辨率高，可以弥补上述数字摄像头在拍摄清晰度方面的不足，专门用于拍摄输电线路的细节，然后进行存储或通过无线传输发送至地面终端，进行地面监控。本专利技术充分利用了数字摄像头虽然拍摄到的图像不够清晰但单幅图像数据量小、高清摄像头虽然单幅图像数据量大不适合实时处理但是图像分辨率高的特点，在机器视觉单元中搭载数字摄像头、在线路拍摄单元中搭载高清摄像头，既满足了实时处理的时间要求，又满足了地面监控的清晰度要求。所述自动巡检输电线路的多旋翼无人机，还包括与飞行控制单元相连的自动绕障单元，用于无人机远距离飞行时自动绕开障碍物(杆塔等)飞行。所述自动绕障单元，包括24GHZ雷达传感器模块和北斗卫星定位模块。所述24GHZ雷达传感器，用于检测前方阈值距离内有无障碍物出现；所述北斗卫星定位模块，用于实时定位无人机本体经纬度坐标，并根据探测障碍物的距离定位障碍物的经纬度坐标，规划航线，指导无人机自动绕障飞行。所述自动巡检输电线路的多旋翼无人机，还包括与飞行控制单元相连的飞行状态检测单元，用于检测无人机实时的飞行状态。所述飞行状态检测单元，包括气压计、陀螺仪和加速度计及电子罗盘。所述气压计用于检测当前空域气压，以进一步计算得到当前飞行高度；陀螺仪和加速度计用于检测当前无人机的6个自由度状态，以进一步计算得到稳定无人机所需的控制基量；电子罗盘用于探测地磁场，以进一步计算得到无人机机头朝向。所述自动巡检输电线路的多旋翼无人机，还包括与飞行控制单元相连的信息传输单元，用于飞行控制单元与地面终端通信，将无人机自身状态信息和图像信息传输至地面终端。所述信息传输单元，包括数传模块和图传模块。数传模块与地面终端通过数传通信链路相连接，用于地面人员实时监测飞行方位及无人机自身状态(包括当前无人机的位置坐标、海拔、温度、电池电量、飞行姿态、飞行时间、飞行速度和飞行方向)；图传模块与地面终端通过图传通信链路相连接，用于将高清摄像头拍摄的画面(高清线路信息)实时传输至地面终端。所述电池供电单元，包括3S锂电池和12V-5V电压转换模块，3S锂电池用于为无人机电机提供工作电压，12V-5V电压转换模块用于为无人机各电路单元提供工作电压。所述自动巡检输电线路的多旋翼无人机，还包括检测电池电压的电压检测单元；所述电压检测单元包括AD采样电路，用于检测电池电压，以计算出当前电压是否等于阈值电压，阈值电压根据返航所需的基础电压进行设定。本专利技术还提供了一种自动巡检输电线路的方法，采用上述多旋翼无人机，首先控制无人机垂直起飞，机器视觉单元实时捕获输电线路的图像信息，并对捕获到的图像信进行处理，计算出各条输电线路位于图像中的位置和方向，以及各条输电线路在图像中的相对距离；飞行控制单元根据计算得到的信息，执行PID控制算法，以稳定各条输电线路位于图像中的位置和方向，以及各条输电线路在图像中的相对距离，即无人机相对输电线路的位置、方向和高度，使无人机平行跟随输电线路飞行，并保证无人机与输电线路件的距离为安全距离；同时控制线路拍摄单元对输电线路进行拍摄，实现无人机平行输电线路巡检。进一步地，所述机器视觉单元首先对捕获的图像采用canny边缘检测方法得到其轮廓图像，接着使用OpenCV中的hough变换方法检测轮廓图像中的输电线路，获取各条输电线路在轮廓图像中的起始点和结束点；然后根据获得的数据计算各条输电线路位于轮廓图像中的位置和方向，以及各条输电线路在轮廓图像中的相对距离。进一步地，自动绕障单元利用24GHz雷达传感器模块实时探测前方是否存在障碍物(杆塔等)，一旦检测到阈值距离内存在障碍物且通过连续三次接收的数据确定不是误判后，执行如下步骤：<1>自动绕障单元从24GHz雷达传感器模块中获取当前障碍物与无人机本体的相对距离，调用北斗卫星定位模块探测无人机本体的经纬度坐标，根据这两个数据以及无人机机头朝向计算障碍物经纬度坐标；并以障碍物经纬度坐标为圆心、当前障碍物与无人机本体的相对距离为半径作半圆弧，将该半圆弧作为无人机的规划航线；<2>控制无人机按照规划航线飞行，并实时定位无人机本体的经纬度坐标，计算无人机本体的经纬度坐标与规划航线的差值，利用位置式PID控制算法实时纠正飞行方位误差，保证无人机按照规本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种自动巡检输电线路的多旋翼无人机，其特征在于，包括机器视觉单元、飞行控制单元、线路拍摄单元和电池供电单元；所述机器视觉单元和线路拍摄单元均与飞行控制单元相连；所述电池供电单元为无人机系统提供电压；所述机器视觉单元，用于实时捕获输电线路的图像信息，并根据捕获的图像信息计算出各条输电线路位于图像中的位置和方向，以及各条输电线路在图像中的相对距离，然后将此数据发送给飞行控制模块以稳定无人机相对输电线路的位置、方向和高度，使无人机平行跟随线路飞行；所述线路拍摄单元，用于无人机平行跟随线路飞行时，获取输电线路的图像信息。

【技术特征摘要】
1.一种自动巡检输电线路的多旋翼无人机，其特征在于，包括机器视觉单元、飞行控制单元、线路拍摄单元和电池供电单元；所述机器视觉单元和线路拍摄单元均与飞行控制单元相连；所述电池供电单元为无人机系统提供电压；所述机器视觉单元，用于实时捕获输电线路的图像信息，并根据捕获的图像信息计算出各条输电线路位于图像中的位置和方向，以及各条输电线路在图像中的相对距离，然后将此数据发送给飞行控制模块以稳定无人机相对输电线路的位置、方向和高度，使无人机平行跟随线路飞行；所述线路拍摄单元，用于无人机平行跟随线路飞行时，获取输电线路的图像信息。2.根据权利要求1所述的自动巡检输电线路的多旋翼无人机，其特征在于，还包括与飞行控制单元相连的自动绕障单元；自动绕障单元包括24GHZ雷达传感器模块和北斗卫星定位模块；飞行控制单元根据自动绕障单元探测到的信息规划航线，指导无人机自动绕障飞行。3.根据权利要求1所述的自动巡检输电线路的多旋翼无人机，其特征在于，还包括与飞行控制单元相连的飞行状态检测单元；所述飞行状态检测单元包括气压计、陀螺仪和加速度计及电子罗盘；所述气压计用于检测当前空域气压，以进一步计算得到当前飞行高度；陀螺仪和加速度计用于检测当前无人机的6个自由度状态，以进一步计算得到稳定无人机所需的控制基量；电子罗盘用于探测地磁场，以进一步计算得到无人机机头朝向。4.根据权利要求1所述的自动巡检输电线路的多旋翼无人机，其特征在于，还包括用于飞行控制单元与地面终端通信的信息传输单元；所述信息传输单元包括数传模块和图传模块；数传模块与地面终端通过数传通信链路相连接，用于地面人员实时监测无人机状态；图传模块与地面终端通过图传通信链路相连接，用于将线路拍摄单元拍摄的画面实时传输至地面终端。5.根据权利要求1所述的自动巡检输电线路的多旋翼无人机，还包括电压检测单元，用于实时检测电池供电单元的输出电压，以计算出当前电压是否等于阈值电压，阈值电压根据返航所需的基础电压进行设定。6.一种自动巡检输电线路的方法，其特征在于，采用权利要求1～5中任一项所述的多旋翼无人机，控制无人机起飞，通过机器视觉单元实时捕获输电线路的图像信息，并对捕获到的图像信息进行处理，计算出各条输电线路位于图像中的位置和方向，以及各条输电线路在图像中的相对距离；飞行控制单元根据计算得到的信息，执行PID控制算法，以稳定无人机相对输电线路的位置、方向和高度，使无人机平行跟随输电线路飞行，并保证无...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈洋卓，张滨，杜鑫，石跃祥，孙权，汪惟桢，郭佳威，鲁尚军，
申请(专利权)人：湘潭大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43