CN101833099B - 直升机巡检电力线路的锁定跟踪方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直升机巡检电力线路的锁定跟踪方法，包括以下步骤：（1）在远离区采用位置坐标跟踪方法，根据直升机和被测目标的位置坐标确定吊舱的三维转角，对被测目标进行快速初步锁定；（2）进入待检区采用位置坐标跟踪方法，根据直升机和被测目标的位置坐标并通过飞行姿态检测仪确定直升机的飞行姿态和使用射频读卡器读取当前杆塔号，确定控制吊舱的三维转角，对被测目标快速准确锁定；（3）进入工作区采用位置坐标跟踪方法对被测目标进行锁定跟踪并采用图像识别跟踪方法锁定跟踪被测目标的局部部件，本发明的优点是：可以快速准确的锁定跟踪被测目标，减轻巡检员的工作量，提高巡检效率，减少直升机巡检费用的支出。

Description

直升机巡检电力线路的锁定跟踪方法

技术领域

本发明涉及电力线巡检技术，尤其是一种采用直升机巡检电力线路的锁定跟踪方法。

背景技术

目前，我国电力线巡检多采用人工巡检的方式，巡检到位率低，常有漏检、错检现象，采用纸笔记录故障缺陷，主观因素多，缺陷记录描述不一，无法快速分类整理。所要检测的高压电力线路已达到几百千伏以上，传统的人工巡检采用攀爬电力线铁塔的方式，有着极大的安全隐患。大量电力线路穿越无人区，人工巡检从地理上受到严重的限制，人体活动的范围受到体能的约束，检测的距离有限。人工对电力线路进行观测，用经验判断线路是否出现故障，也容易造成失误，准确性不高。国外使用直升机代替人工进行电力线路的日常巡检工作已经比较流行，国内也开始探索，从国内外的使用经验反馈来馈来看，完全人工驾驶直升机进行电力线路检测有适应性差，安全性低等缺点，电力线路架空高度较低，使用直升机进行巡检须低空沿线飞行，空中情况复杂，飞行员需要随时与线路保持视线接触，同时进行正常的飞行操作，大大加大了操作难度，在一般的飞行员手册中都有“避免贴近高压电线飞行”的规定，巡线飞行反其道而行之，与高压线保持近距离平行飞行，飞行速度较快，危险性大为增加，在国外已经多次发生巡检直升机坠毁事故。在直升机常规巡线中还存在三大不足：一是机载系统操作自动化程度比较低，导致机上至少需要两人作业，一人操作巡检设备，一人目测线路设备、记录缺陷，易漏检。二是巡检后数据处理工作量大。人工查看像素较低的录像数据，费时耗力。三是巡检成本高。目前租机费用一般为2万～3万元/小时。

随着机器人技术的发展，采用机器人进行电力线路的巡检逐渐引起关注。目前，国内电力线检测机器人的研究集中在行走机器人方向。中国科学院自动化所张运楚、梁自泽和谭民等在《机器人》2004年第26卷第5期上发表的《架空电力线路巡线机器人综述》和赵晓光、梁自泽、谭明等在《华中科技大学学报》2004年第32卷增刊上发表的《高压电力线行走机器人仿真》两篇文章中详细阐述了行走机器人用于电力线检测的原理和目前的发展水平，采用行走机器人进行电力线路的检测采用沿架空地线自主行舫式，相比传统检测具有费用低，安全性商，可靠性高等优点，但还存在对地面仪器的依赖性高，不能很好的适应复杂的地理环境等不足，也还存在行进速度慢，检测效率低等问题。

为克服上述技术所存在的缺陷，中国专利号200410098960公开了一种电力线路巡检机器人飞机及其控制系统，其发明目的在于通过提供该飞机及其控制系统，解决传统检测方式存在的费用高，安全性差，可靠性不高的问题，使之和行走机器人检测方式相比具有环境适应能力好，高度智能化，检测效率高等优点。

问题是该技术仅仅公开了一种基于单纯的可见光及红外温度检测数据传输的技术方案，对于重要巡检系统没有详细的说明和公开，更没有提及被检测目标的锁定跟踪和图像信息获取的过程，因此，还是一种比较初级的技术方案。

电力线路直升机自动巡检是一种巡检环境高度复杂，需要采用计算机、光机电、卫星通讯、图像识别、大容量数据通信及导航技术的高难度高风险综合技术，完全采用机器人进行巡检很难完成现实中具体的巡检任务。

采用直升机的费用比较昂贵，大约每小时需要上万元，因此要提高机载系统对电路线路的图像信息的获取效率，节约使用直升机巡检的费用支出。直升机的空间位置是动态变化的，严重影响了机载系统对电力线路图像信息的获取，因此需设计一种对被测电力线路进行锁定跟踪的方法，消除影响。

发明内容

本发明解决的任务是解决上述现有技术存在的缺陷，提供一种可以快速、准确的锁定跟踪被测目标的直升机巡检电力线路的锁定跟踪方法。

本发明的技术方案如下：

直升机巡检电力线路的锁定跟踪方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）在远离区采用位置坐标跟踪方法，根据直升机当前的位置坐标和被测目标的位置坐标确定吊舱的三维转角，对被测目标进行快速初步锁定；

（2）进入待检区采用位置坐标跟踪方法，根据直升机当前的位置坐标和被测目标的位置坐标并通过飞行姿态检测仪确定直升机的飞行姿态和使用射频读卡器读取当前杆塔号，确定控制吊舱的三维转角，对被测目标快速准确锁定；

（3）进入工作区采用位置坐标跟踪方法对被测目标进行锁定跟踪并采用图像识别跟踪方法锁定跟踪被测目标的局部部件。

所述步骤（3）中的工作区内，对被测目标的局部部件采用图像识别跟踪方法效果不好时，采用手动控制跟踪方法。

所述位置坐标跟踪方法包括以下步骤：

（1）通过GPS、北斗定位系统采集飞机的空间位置坐标，通过飞行姿态检测仪获得的数据信息判断飞机的倾仰角度和横向的翻滚角度，并将所获取的数据信息传送至吊舱三维转角计算模块；

（2）吊舱三维转角计算模块结合被测目标位置的相关数据信息、直升机当前的位置与状态的相关数据信息和吊舱与直升机的三维安装角度，计算出吊舱的三维转角；

（3）通过吊舱控制程序控制吊舱转动到所需位置，使吊舱指向被测目标，并通过吊舱控制程序内的调焦协调算法计算出吊舱内机载设备的焦距。

所述图像识别跟踪方法包括以下步骤：

（1）吊舱控制程序根据指定的被测目标，利用图像识别技术来识别被测目标的偏移量，然后控制吊舱的三维转角，自动锁定跟踪被测目标；

（2）锁定被测目标后，把被测目标的某些局部部件或者发现有可疑故障的局部位置的位置坐标通过吊舱控制协议发送给吊舱控制程序；

（3）通过吊舱控制程序分析连续的视频图像，分析出被测目标的某些局部部件或者发现有可疑故障的局部位置的偏移方向和偏移量，控制吊舱的三维转角，从而控制吊舱进行自动跟踪。

所述手动控制跟踪方法包括以下步骤：

通过操作手柄控制吊舱的三维转角；

通过操作按键控制红外热像仪的焦距；

通过操作按键控制紫外成像仪的焦距和光学镜头倍数；

 通过操作按键控制可见光摄像机的焦距和光学镜头倍数。

所述图像识别跟踪方法采用红外图像识别技术识别被测目标，用吊舱中的红外热像仪锁定跟踪被测目标。

所述的直升机巡检电力线路的锁定跟踪方法，其特征在于包括以下步骤：

当被测的目标为导线时，根据连接导线的相邻的杆塔的位置坐标信息推算导线的位置，再用位置坐标跟踪方法控制吊舱对导线的大致跟踪，并用红外图像识别跟踪方法根据导线的红外特征，对红外热像数据信息进行分析提取导线的位置和角度，自动控制吊舱实现对导线的自动跟踪。

本发明的优点是：

（1）采用本发明的锁定方法后，可以快速准确的锁定跟踪被测目标，减轻巡检员的工作量，提高巡检效率，减少直升机巡检费用的支出。

（2）采用全数字红外热像仪，这样可以得到原始的红外16位数字信号，而不仅仅是图像视频信号，从而可以进行红外数据的定量判断，避免因可见光和紫外只能进够进行定性的判断的影响，有利于更好的分析和被检测目标的问题，实现控制程序自动分析判断来跟踪电路线路。

（3）采用射频识别技术，在小距离的范围内，可以大大消除GPS和北斗卫星定位不准的误差，可以快速准确的锁定被测目标。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明，

图1为本发明直升机巡检电力线路的锁定跟踪方法的流程图；

图2为本发明的位置坐标跟踪方法的流程图。

具体实施方式

如图1所示，直升机巡检电力线路的锁定跟踪方法，包括以下步骤：

（1）在远离区采用位置坐标跟踪方法，根据直升机当前的位置坐标和被测目标的位置坐标确定吊舱的三维转角，对被测目标进行快速初步锁定；

（2）进入待检区采用位置坐标跟踪方法，根据直升机当前的位置坐标和被测目标的位置坐标并通过飞行姿态检测仪确定直升机的飞行姿态和使用射频读卡器读取当前杆塔号，确定控制吊舱的三维转角，对被测目标快速准确锁定；

（3）进入工作区采用位置坐标跟踪方法对被测目标进行锁定跟踪并采用图像识别跟踪方法锁定跟踪被测目标的局部部件。

飞行员按导航路线飞行在远离区时，吊舱开始自动寻找被测目标，机载系统主要根据GPS和北斗卫星的数据信息来确定直升机的坐标，根据电子地图的数据来确定被测电力线路中的杆塔和电力线的坐标。这样可以在电子地图上计算出飞机与被测电力线路之间的距离和角度，并且根据计算结果控制吊舱的三维转角，让吊舱初步对准被测目标。由于在远离区时直升机与杆塔的距离远大于GPS和北斗卫星的定位误差，所以此时用坐标跟踪法可以快速初步锁定被测目标。

当直升机进入待检区时，直升机与被测目标的距离减少，此时机载系统控制程序将使用射频读卡器读取杆塔号，然后使用GPS和北斗卫星提供的经纬度信息和海拔高度确定直升机的位置坐标，利用导航的电子地图提供的信息确定被测目标的位置坐标，然后根据直升机的飞行状态检测仪的数据信息判断飞机的倾仰角度和横向的翻滚角度，根据以上信息，控制吊舱的水平旋转和垂直旋转，最后控制吊舱中的红外热像仪锁定被测目标，例如杆塔，把整个杆塔放置在红外热像仪的视场内。锁定杆塔后，系统自动提示飞行员和操作人员锁定目标完成。整个过程由机载系统控制程序自动完成，不用人工干预。在这种情况下，飞行状态检测仪的检测是非常重要的，由于知道了飞机的各种角度和速度，加上射频识别技术，在待检区这样小距离的范围内，可以大大消除GPS和北斗卫星定位不准的误差，因此可以快速准确的锁定被测目标。

分析最终采用的GPS信息：在系统设置里设置杆塔GPS数据使用的优先级。如果设置为数据库优先，则直接使用数据库杆塔基础资料的GPS数据；如果使用射频优先则进行如下处理，飞机进入了当前杆塔区域接收到对应的射频数据，其中包含了射频号，杆塔号，杆塔的GPS数据。首先射频采集程序先自己校验数据的正确性，采集4次，如果数据一致就认为射频采集回来的数据是正确的；然后读取保存在数据库里的杆塔基础资料的GPS数据，把这两个GPS数据进行比较，如果两者距离在一个设定的范围内，如20米，就认为射频卡里的GPS是正确的，则把该GPS数据做为最终使用的GPS数据。

当直升机进入工作区时，机载系统主要采用红外图像识别跟踪技术。在待检区中已经对被测目标采用位置坐标跟踪方法和射频读卡器对杆塔总体目标快速准确锁定，此时，机载系统控制程序将控制吊舱中的红外热像仪跟踪杆塔达到工作区。由于吊舱内设有红外热像仪、高清可见光相机和紫外成像仪，因此将可以进行红外、可见光、紫外的依次拍摄，获取需要的图像信息。其中，红外热像仪可以采用全数字红外热像仪，这样可以得到原始的红外16位数字信号，而不仅仅是图像视频信号，从而可以进行红外数据的定量判断，而可见光和紫外只能进够进行定性的判断。定量判断可以更好的完成杆塔的锁定跟踪，更好的分析和被检测目标的问题。而定性的判断只能够用人工干预判断，很难实现控制程序自动分析判断来跟踪杆塔。

如图2所示，上述位置坐标跟踪方法包括以下步骤：

（1）通过GPS、北斗定位系统采集飞机的空间位置坐标，通过飞行姿态检测仪获得的数据信息判断飞机的倾仰角度和横向的翻滚角度，并将所获取的数据信息传送至吊舱三维转角计算模块；

（2）吊舱三维转角计算模块结合被测目标位置的相关数据信息、直升机当前的位置与状态的相关数据信息和吊舱与直升机的三维安装角度，计算出吊舱的三维转角；

（3）通过吊舱控制程序控制吊舱转动到所需位置，使吊舱指向被测目标，并通过吊舱控制程序内的调焦协调算法计算出吊舱内机载设备的焦距。

机载系统控制程序将结合GPS信息、北斗信息、飞行姿态检测仪和电子地图的数据信息，控制吊舱进行初步的方位对准。

主要根据GPS信息、北斗信息和电子地图的计算来进行锁定。根据GPS和北斗卫星的数据信息来确定直升机的坐标，根据电子地图的数据来确定被测目标的坐标。这样可以在电子地图上计算出飞机与被测电力线路之间的距离和角度。由于在远离区时，直升机与杆塔的距离远大于GPS和北斗卫星的定位误差，所以此时用坐标跟踪法可以快速初步锁定被测目标。

当被测的目标为导线时，根据连接导线的相邻的杆塔的位置坐标信息推算导线的位置，再结合上述的方法控制吊舱对导线的大致跟踪，并根据导线的红外特征，对红外热像进行分析提取导线的位置和角度自动控制吊舱实现导线的自动跟踪功能。

上述图像识别跟踪方法包括以下步骤：

（1）吊舱控制程序根据指定的被测目标，利用图像识别技术来识别被测目标的偏移量，然后控制吊舱的三维转角，自动锁定跟踪被测目标；

（2）锁定被测目标后，把被测目标的某些局部部件或者发现有可疑故障的局部位置的位置坐标通过吊舱控制协议发送给吊舱控制程序；

（3）通过吊舱内嵌程序分析连续的视频图像，分析出被测目标的某些局部部件或者发现有可疑故障的局部位置的偏移方向和偏移量，控制吊舱的三维转角，从而控制吊舱进行自动跟踪。

上述图像识别跟踪方法可以采用红外图像识别技术识别被测目标，用吊舱中的红外热像仪锁定跟踪被测目标。

吊舱控制程序根据指定目标，利用图像识别技术来识别目标的偏移，然后控制吊舱实现自动跟踪目标，当吊舱锁定大目标后，例如杆塔，需要对某些部件目标或者发现了可疑的故障目标进行详细的跟踪检测，就可以用鼠标双击显示窗口中的目标区域，系统就会把该目标的坐标通过吊舱控制协议发给吊舱控制程序，然后吊舱控制程序会分析连续的视频图像，分析出目标的偏移方向，从而控制吊舱进行自动跟踪，这种跟踪方法的好处是通过连续的视频图像进行分析识别，没有系统参数误差，因此能准确追踪细小的部件检测目标，系统也可以根据智能识别系统返回的故障坐标通过换算，直接发给吊舱控制程序，进行吊舱图像识别跟踪。

在工作区内，对杆塔上的局部部件采用图像识别跟踪方法效果不好时，采用手动控制跟踪方法。

手动控制跟踪方法包括以下步骤：

通过操作手柄控制吊舱的三维转角；

通过操作按键控制红外热像仪的焦距；

通过操作按键控制紫外成像仪的焦距和光学镜头倍数；

通过操作按键控制可见光摄像机的焦距和光学镜头倍数。

手动控制跟踪方法可以辅助对目标的锁定跟踪。

直升机巡检电力线路的锁定跟踪方法还包括以下步骤：

当被测的目标为导线时，根据连接导线的相邻的杆塔的位置坐标信息推算导线的位置，再用位置坐标跟踪方法控制吊舱对导线的大致跟踪，并用红外图像识别跟踪方法根据导线的红外特征，对红外热像数据信息进行分析提取导线的位置和角度，自动控制吊舱实现对导线的自动跟踪。

以上是结合了特定实施例介绍本发明，但本发明并非要限制在所展示的细节上，另外在权利要求书的等效范围内，不背离本发明的精神实质的情况下，可以在细节上做出种种改进。

Claims (7)

1.直升机巡检电力线路的锁定跟踪方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）在远离区采用位置坐标跟踪方法，根据直升机当前的位置坐标和被测目标的位置坐标确定吊舱的三维转角，对被测目标进行快速初步锁定；

（2）进入待检区采用位置坐标跟踪方法，根据直升机当前的位置坐标和被测目标的位置坐标并通过飞行姿态检测仪确定直升机的飞行姿态和使用射频读卡器读取当前杆塔号，确定控制吊舱的三维转角，对被测目标快速准确锁定；

（3）进入工作区采用位置坐标跟踪方法对被测目标进行锁定跟踪并采用图像识别跟踪方法锁定跟踪被测目标的局部部件。

2.根据权利要求1所述的直升机巡检电力线路的锁定跟踪方法，其特征在于：在所述步骤（3）中的工作区内，对被测目标的局部部件采用图像识别跟踪方法效果不好时，采用手动控制跟踪方法。

3.根据权利要求1或2所述的直升机巡检电力线路的锁定跟踪方法，其特征在于：所述位置坐标跟踪方法包括以下步骤：

（1）通过GPS、北斗定位系统采集飞机的空间位置坐标，通过飞行姿态检测仪获得的数据信息判断飞机的倾仰角度和横向的翻滚角度，并将所获取的数据信息传送至吊舱三维转角计算模块；

（2）吊舱三维转角计算模块结合被测目标位置的相关数据信息、直升机当前的位置与状态的相关数据信息和吊舱与直升机的三维安装角度，计算出吊舱的三维转角；

（3）通过吊舱控制程序控制吊舱转动到所需位置，使吊舱指向被测目标，并通过吊舱控制程序内的调焦协调算法计算出吊舱内机载设备的焦距。

4.根据权利要求1或2所述的直升机巡检电力线路的锁定跟踪方法，其特征在于：所述图像识别跟踪方法包括以下步骤：

（1）吊舱控制程序根据指定的被测目标，利用图像识别技术来识别被测目标的偏移量，然后控制吊舱的三维转角，自动锁定跟踪被测目标；

（2）锁定被测目标后，把被测目标的某些局部部件或者发现有可疑故障的局部位置的位置坐标通过吊舱控制协议发送给吊舱控制程序；

（3）通过吊舱控制程序分析连续的视频图像，分析出被测目标的某些局部部件或者发现有可疑故障的局部位置的偏移方向和偏移量，控制吊舱的三维转角，从而控制吊舱进行自动跟踪。

5.根据权利要求2所述的直升机巡检电力线路的锁定跟踪方法，其特征在于：所述手动控制跟踪方法包括以下步骤：

通过操作手柄控制吊舱的三维转角；

通过操作按键控制红外热像仪的焦距；

通过操作按键控制紫外成像仪的焦距和光学镜头倍数；

 通过操作按键控制高清可见光摄像机的焦距和光学镜头倍数。

6.根据权利要求4所述的直升机巡检电力线路的锁定跟踪方法，其特征在于：所述图像识别跟踪方法采用红外图像识别技术识别被测目标，用吊舱中的红外热像仪锁定跟踪被测目标。

7.根据权利要求1或2所述的直升机巡检电力线路的锁定跟踪方法，其特征在于包括以下步骤：

当被测的目标为导线时，根据连接导线的相邻的杆塔的位置坐标信息推算导线的位置，再用位置坐标跟踪方法控制吊舱对导线的大致跟踪，并用红外图像识别跟踪方法根据导线的红外特征，对红外热像信息数据进行分析提取导线的位置和角度，自动控制吊舱实现对导线的自动跟踪。

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