CN102176161B - 面向电力线巡检的飞行模拟系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于三维运动模拟系统领域，特别涉及一种面向电力线巡检的飞行模拟系统。本系统由巡检模拟子系统、智能控制子系统、飞行模拟子系统三部分组成，巡检模拟子系统由飞行器导航模块、图像处理模块以及缩微观测场景模型组成；智能控制子系统由上位机模块、控制器模块、硬件及驱动模块组成；飞行模拟子系统由三维运动模块、图像采集模块、安全保护模块、以及数据链路模块组成。本系统利用三维智能运动平台模拟飞行器动作，通过光学信息的捕捉、获取、加工、分析实现了目标检测、跟踪、识别、电力线路故障的分析和诊断以及路径规划等功能。本系统为电力线路巡检走向自主化、智能化提供了高质量的实验平台。

Description

面向电力线巡检的飞行模拟系统

技术领域

本发明属于三维运动模拟系统领域，特别涉及一种面向电力线巡检的飞行模拟系统。

背景技术

随着工业发展，电网容量的增大和额定电压等级提高，使电力系统输电线路污闪事故日益突出，检测高压输电线路的不良绝缘子以及相关线上电力器件已成为国内外电力部门十分关注的问题。因此对线路的维修和监控的要求也不断提高。电力公司要定期对线路设备巡检，及时发现早起损伤和缺陷并加以评估，然后根据缺陷的轻重缓急，以合理的费用和正确的优先顺序，安排必要的维护和修复，从而确保供电的可靠性。

众所周知，常规的基于人力的巡视劳动强度非常大，而巡检效果不好。智能移动机器人的产生，就是为了减少人力负担，用于对输电线路进行状态检测。运用巡检飞行机器人执行巡检任务与以往人工目测观察相比，克服了工作效率低、劳动强度大、工作环境危险等弊处。国家中长期科学和技术发展规划纲要，就已将超大规模输配电和电网安全保障列、传感器网络及智能信息处理以及流程工业的绿色化、自动化及装备列入重点发展领域，2000年中国科学院自动化研究所于2000年研制了具有自主越障功能的110KV高压输电线路巡检机器人，2004年华北电力大学开发了一种电力线路巡检机器人飞机及其控制系统，2005年山东大学开发出一套沿110KV输电线路自主行走机器人，随着移动机器人技术的发展，尤其是其飞行机器人智能技术的发展，面向电力线巡检的飞行机器人将为电力行业机器人发展提供有力的支持。

目前无人机技术的发展迅猛，但是无人机技术在某些方面仍然不成熟，系统故障、计算机故障以及人为失误时有发生，据美国局方提供的数据表明仅仅2001年至今就已有79架无人机出事。因此需要开发一种无人机模拟飞行系统，它可以高质量的模拟无人机飞行的全过程。并且与飞行器的实际飞行过程相比，运用模拟平台无疑可以提高实验的安全性、减少实验成本、降低能耗、简化数据传输过程。

三维控制平台是三自由度的运动平台，它可以通过三个驱动器执行机构的协调伸缩来实现平台沿x、y、z方向的平移。可用于娱乐业的运动模拟、机器人、飞行器空间交会对接仿真器、舰船及汽车模拟器、新型加工机床、及卫星、导弹等飞行器的精确运动仿真，是智能电网、国防军事、航空航天、汽车制造、机械工业以及各种复杂环境测试、训练必不可少的重要设备。将三维运动平台技术运用到电力传输系统中的电力巡检任务里，具有深远意义。2005年，英国威尔士大学在研究机器人自主巡检电力线路的视觉跟踪问题时，利用了一个可横向运动的平台模拟飞行机器人在两个自由度上观测巡检任务对象模型，为机器人对于任务对象的视觉跟踪提供了很好的实验环境，并且得到了令人满意的实验效果。但是少有实验平台将三维控制平台技术运用到电力线路巡检任务中，模拟飞行器多个自由度的运动。因此，面向电力线巡检的飞行模拟系统有很好的应用前景。

发明内容

本发明提供了一种面向电力线巡检的飞行模拟系统，利用三维智能运动平台模拟无人飞行器巡检电力线路的过程，并在模拟飞行巡检过程中实现了对图像及其他传感器数据的实时获取、加工和处理。

本发明所采用的技术方案：

该系统由巡检模拟子系统、智能控制子系统、飞行模拟子系统三部分组成：所述巡检模拟子系统由飞行器导航模块、图像处理模块以及缩微观测场景模型组成；所述智能控制子系统由上位机模块、控制器模块、硬件及驱动模块组成，且控制器模块分别与上位机模块、硬件及驱动模块连接；所述飞行模拟子系统由三维运动模块、图像采集模块、安全保护模块、以及数据链路模块组成；所述巡检模拟子系统与所述智能控制子系统之间存在数据交换；所述智能控制子系统与所述飞行模拟子系统之间存在数据交换；所述飞行模拟子系统与所述巡检模拟子系统之间存在从飞行模拟子系统到巡检模拟子系统的单向直接数据传输，或者以智能控制子系统为中转进行双向间接数据传输。

所述三维运动模块的结构为：长方体的支架采用超轻型质地坚固的金属材料搭建而成，支架上层内嵌套安装有可横向移动的框架，框架内装有一个可纵向移动的内金属车，在框架中部嵌套安装着一根可上下运动的金属杆，金属杆的末端连接着云台，云台上安装着一个包括俯仰、旋转两个自由度的视觉传感器；所述的硬件及驱动模块安装在所述三维运动模块上，包括电机、轮子、视觉传感器、光电传感器；其中，电机采用伺服电机，轮子采用轻型防滑橡胶材料，电机由控制器模块信号驱动，通过传送带驱动框架的横向移动以及金属车的纵向移动，将电机角位移转化为云台在三维空间中的位移；金属杆将电机的角位移转化为云台沿上下方向的位移；在框架的两端各装有2个光电传感器，在金属车上装有六个光电传感器。

所述视觉传感器为具有嵌入式操作系统、千万级像素分辨率、网络化传输功能、双模引擎压缩技术、多倍光学变焦以及红外感应能力的摄像机，并在正常光照情况下显示彩色的正常图像模式，在光线不足的情况下切换到红外摄像模式。

所述的上位机模块是由计算机以及飞行器巡检模拟软件组成，其作用是发送巡检指令，接收传感器信号，并显示各种信号变化以及融合传感器信息规划模拟飞行过程。

所述的控制器模块采用嵌入式微处理器，控制器模块具有信号收发、自动控制和驾驶以及协议转换的功能。

所述的安全保护模块由硬保护与软保护两部分组成：硬保护是指在所述框架的横向移动轨道与金属车的纵向移动轨道中，设计有减速带，在金属杆上采用掉电防滑措施，以防止系统突然断电时视觉传感器下落损坏；软保护是指在所述的控制器模块中设置写有自动保护程序，以限定云台横向、纵向、上下移动的速度值，从而达到保护系统的目的。

所述数据链路模块为飞行器导航模块和三维运动模块之间提供双向的数据通信通道，同时，数据链路模块还具有数据压缩和抗干扰功能。

所述飞行器导航模块，通过手动标定航点实现自主飞行或采用自动规划路径的方式实现自主飞行。

所述的图像处理模块负责检测、跟踪和识别电力传输设备，进而分析处理结果实现故障的诊断和分析，得出诊断结果；同时，图像处理模块为视觉伺服控制提供必要的结果。

本发明的优点在于：

(1)本飞行模拟系统具有手动、自动两种自主导航能力，能模拟无人机飞行过程中，采集环境信息，实施全局路径规划和局部避障；进行图像处理，飞行模拟，视觉伺服控制等实验时，可控性强、安全性高、逼真度高，实验成本底、能耗低；可实现电力线路巡检任务中，对图像中观测目标的实时采集和分析，并为电力线路巡检故障诊断提供高质量的信息。

(2)在预定任务完成或者某些特殊条件下，本系统可模拟无人机自动返航的功能。

(3)本飞行模拟系统具有安全保护模块，通过减速带可有效避免系统损坏。

(4)本飞行模拟系统中视觉传感器具有五个自由度，保证了执行巡检任务时可全方位的获取图像信息。

(5)云台上除安装视觉传感器外，还可安装其他多种传感器，完成其他实验。

(6)真实、全面、准确的模拟了无人机的自主飞行。

附图说明

图1为本发明的面向电力线巡检的飞行模拟系统的主视图立体图；

图2为本发明的面向电力线巡检的飞行模拟系统的左视图立体图；

图3为本发明的面向电力线巡检的飞行模拟系统的俯视图立体图；

图4为本发明的面向电力线巡检的飞行模拟系统的系统结构框图；

图中标号：

1-缩微观测场景模型；2-框架；3-金属车；4-金属杆；5-云台；6-视觉传感器；7-减速带；8-光电传感器；

具体实施方式

本发明提供了一种面向电力线巡检的飞行模拟系统，下面通过附图和具体实施方式对本发明做详细的说明。

如图1所示，所述面向电力线巡检的飞行模拟系统，由巡检模拟子系统、智能控制子系统以及飞行模拟子系统组成。该系统由巡检模拟子系统、智能控制子系统、飞行模拟子系统三部分组成：所述巡检模拟子系统由飞行器导航模块、图像处理模块以及缩微观测场景模型1组成；所述智能控制子系统由上位机模块、控制器模块、硬件及驱动模块组成，且控制器模块分别与上位机模块、硬件及驱动模块连接；所述飞行模拟子系统由三维运动模块、图像采集模块、安全保护模块、以及数据链路模块组成。整个系统具有人工控制和自主控制两种模式。智能控制子系统发送控制指令，经由控制器传送给电机，进而控制平台运动，同时控制云台采集观测场景的视觉信息，然后将视觉信息传回给智能控制子系统进行图像处理以及故障检测。在飞行模拟子系统中，金属杆上的具有俯仰和旋转两个自由度的云台对缩微观测场景模型进行拍摄，图像采集模块将采集数据经由数据链路模块反馈给巡检模拟子系统，对图像做进一步的分析与处理。

所述图像处理模块：本模块负责检测、跟踪和识别电力传输设备，进而分析处理结果实现故障的诊断和分析，最终得出诊断结果。此外，本模块为视觉伺服控制提供必要的结果。

所述缩微观测场景模型1：本部分主要负责模拟了包含架空电力线的真实场景。电力线设备包括：电力线、杆塔、绝缘子、金具、架空地线等。周边环境有城区、山地、森林、草原、河流等。

所述上位机模块，是一台分别连接着驱动器与巡检模拟子系统的计算机，计算机上安装有飞行器巡检模拟软件。用户可直接利用本模块发送巡检指令接收传感器信号。

所述控制器模块，采用嵌入式微处理器，内部装有嵌入式系统，分别连接着上位机和硬件及驱动模块，控制器模块具有各类信号收发、自动控制和驾驶以及协议转换的功能。

所述三维运动模块的结构为：长方体的支架采用超轻型质地坚固的金属材料搭建而成，支架上层内嵌套安装有可横向移动的框架2，框架2内装有一个可纵向移动的内金属车3，在框架2中部嵌套安装着一根可上下运动的金属杆4，金属杆4的末端连接着云台5，云台5上安装着一个包括俯仰、旋转两个自由度的视觉传感器6；金属杆4采用防溜车安全措施，用来防止系统运行时突然断电导致视觉传感器下落损坏等危险情况。

所述的硬件及驱动模块安装在所述三维运动模块上，包括电机、轮子、视觉传感器6、光电传感器8；其中，电机采用伺服电机，轮子采用轻型防滑橡胶材料，电机由控制器模块信号驱动，通过传送带驱动框架2的横向移动以及金属车3的纵向移动，将电机角位移转化为云台5在三维空间中的位移；金属杆4将电机的角位移转化为云台5沿上下方向的位移；在框架2的两端各装有2个光电传感器8，在金属车3上装有六个光电传感器8。

所述图像采集模块，主要是指云台上安装着的视觉传感器和相关图像采集传输设备，所使用的视觉传感器为具有嵌入式操作系统，千万像素分辨率，网络化传输，双模引擎压缩技术，多倍的光学变焦且以及具有旋转和俯仰两个自由度，红外感应能力的摄像机，并在正常光照情况下显示彩色的正常图像模式，在光线不足的情况下切换到红外摄像模式。本视觉传感器是飞行模拟系统主要视觉传感设备，可通过图像采集传输设备，将图像传送至图像处理模块。

所述安全保护模块，由硬保护与软保护两部分组成，硬保护主要是指在三维运动系统的框架横向移动轨道与金属车纵向移动轨道中，设计有减速带，金属车沿横向或纵向移动进入减速带后，系统将自动断电并阻止金属车继续运动，这样金属车将立即停止运动。运动平台中金属杆采用掉电防滑措施，可防止系统突然断电时视觉传感器下落损坏等危险情况。软保护是指控制器模块中设置写有自动保护程序，可限定云台横向、纵向、上下移动的速度值，从而达到保护系统的目的。

所述数据链路系统在上述飞行器导航模块和三维运动模块之间提供双向的数据通信通道。除了数据传输，数据链路系统还具有数据压缩和抗干扰等功能。视觉传感器在云台移动过程中拍摄缩微观测场景模型时，通过无线通讯发送器将图像发送回上位机，并保存在上位机的存储器中。

为了精确的控制三自由度智能运动平台的行为，并最大限度的降低其在运动过程中因控制不当造成的损伤，在飞行模拟子系统中设计了安全保护模块，负责监测以下情况：当移动平台运动到边缘，紧急制动，平台与边界发生碰撞。与之配套的硬件结构包括光电传感器8。光电传感器8实时检测移动平台是否已接近边界末端，若接近边界末端，则激活减速带7，使三自由度移动平台在碰撞到边缘之前迅速制动。

巡检微缩观测场景时，巡检模拟子系统手动或自动制定飞行路线，并通过智能控制子系统控制云台在三维空间中运动，实现对飞行器巡检过程的模拟。同时，云台上的视觉传感器可以实时将图像经数据链路模块传送给巡检子系统中的图像处理模块，完成了飞行器巡检过程中图像的观测、采集过程。所述飞行器导航模块，可模拟无人机飞行过程中对飞机航点的手动或自动选取。由于无人机在实际的巡检过程中可能要经过很多复杂的环境，如高大的灌木区、山洞、荒原、沙漠等。这就需要进行详细的路径规划。而且在实际的飞行过程中可能会遇到一些外来物体的干扰，如飞鸟，所以也需要一些动态的避障算法。在本模块可在飞机巡检前对现有地形进行统一的路径规划来确定巡检路径。然后将路径发送给智能控制子系统，智能控制子系统来控制电机实现模拟飞行巡检。系统经过计算将飞行参数(速度、方向)反馈给飞行模拟系统。

Claims (3)

1.面向电力线巡检的飞行模拟系统，由巡检模拟子系统、智能控制子系统、飞行模拟子系统三部分组成，其特征在于，

所述巡检模拟子系统由飞行器导航模块、图像处理模块以及缩微观测场景模型（1）组成；所述飞行器导航模块，通过手动标定航点实现自主飞行或采用自动规划路径的方式实现自主飞行；

所述智能控制子系统由上位机模块、控制器模块、硬件及驱动模块组成，且控制器模块分别与上位机模块、硬件及驱动模块连接；所述的上位机模块是由计算机以及飞行器巡检模拟软件组成，其作用是发送巡检指令，接收传感器信号，并显示各种信号变化以及融合传感器信息规划模拟飞行过程；所述的控制器模块采用嵌入式微处理器，控制器模块具有信号收发、自动控制和驾驶以及协议转换的功能；

所述飞行模拟子系统由三维运动模块、图像采集模块、安全保护模块、以及数据链路模块组成；

所述三维运动模块的结构为：长方体的支架采用超轻型质地坚固的金属材料搭建而成，支架上层内嵌套安装有可横向移动的框架（2），框架（2）内装有一个可纵向移动的内金属车（3），在框架（2）中部嵌套安装着一根可上下运动的金属杆（4），金属杆（4）的末端连接着云台（5），云台（5）上安装着一个包括俯仰、旋转两个自由度的视觉传感器（6）；

所述硬件及驱动模块安装在所述三维运动模块上，包括电机、轮子、视觉传感器（6）、光电传感器（8）；其中，电机采用伺服电机，轮子采用轻型防滑橡胶材料，电机由控制器模块信号驱动，通过传送带驱动框架（2）的横向移动以及金属车（3）的纵向移动，将电机角位移转化为云台（5）在三维空间中的位移；金属杆（4）将电机的角位移转化为云台（5）沿上下方向的位移；在框架（2）的两端各装有2个光电传感器（8），在金属车（3）上装有六个光电传感器（8）；

所述的安全保护模块由硬保护与软保护两部分组成：硬保护是指在所述框架（2）的横向移动轨道与金属车（3）的纵向移动轨道中，设计有减速带(7)，在金属杆（4）上采用掉电防滑措施，以防止系统突然断电时视觉传感器（6）下落损坏；软保护是指在所述的控制器模块中设置写有自动保护程序，以限定云台（5）横向、纵向、上下移动的速度值，从而达到保护系统的目的；

所述巡检模拟子系统与所述智能控制子系统之间存在数据交换；所述智能控制子系统与所述飞行模拟子系统之间存在数据交换；所述飞行模拟子系统与所述巡检模拟子系统之间存在从飞行模拟子系统到巡检模拟子系统的单向直接数据传输，或者以智能控制子系统为中转进行双向间接数据传输。

2.根据权利要求1所述的面向电力线巡检的飞行模拟系统，其特征在于，所述视觉传感器（6）为具有嵌入式操作系统、千万级像素分辨率、网络化传输功能、双模引擎压缩技术、多倍光学变焦以及红外感应能力的摄像机，并在正常光照情况下显示彩色的正常图像模式，在光线不足的情况下切换到红外摄像模式。

3.根据权利要求1所述的面向电力线巡检的飞行模拟系统，其特征在于，所述的图像处理模块负责检测、跟踪和识别电力传输设备，进而分析处理结果实现故障的诊断和分析，得出诊断结果；同时，图像处理模块为视觉伺服控制提供必要的结果。

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