CN108427061B - 一种基于无人机的输电线路山火分布监测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于无人机的输电线路山火分布监测装置及方法，以克服山地地形影响，全方位获取火点图像或视频的周边地形、植被等信息，实现了无人机在野外自动降落在杆塔基座并自动充电，进一步保证无人机在工作过程中的电量充足。本发明的装置包括主控中心；无人机；用于提供电能以供无人机充电使用电源系统；安装在输电线路塔顶上，用于为无人机提供停放平台，并连接无人机和电源系统以对无人机进行充电的基座；以及安装在基座上，用于在基座的作用下发热，并在可见光红外热像仪的检测下配合校准无人机的降落位置校准点。

Description

一种基于无人机的输电线路山火分布监测装置及方法

技术领域

本发明涉及电气工程领域，尤其涉及一种基于无人机的输电线路山火分布监测装置及方法。

背景技术

受居民生产生活影响，输电线路山火频发，所以山火引发的跳闸停电事故在输电线路总跳闸停电事故中占比很大，且爆发的山火造成了很大的经济损失，损坏了生态环境，同时严重威胁了大电网的安全稳定运行。输电线路山火防治的关键，就是及时发现输电线路附近的初发山火，为应对山火采取紧急措施赢得宝贵的时间。针对输电线路山火监测，目前主要有卫星监测、航空监测和地面监测三种手段。卫星监测的监测范围广，单次监测范围可达上百平方公里，但存在过境时间间隔长，受云层影响大，容易出现漏报等问题，且无法获取山火的现场信息；航空监测主要通过飞机或气艇空中巡航来监测山火，投入成本大，仅适应于山火高发期或特殊区域的山火监测；地面监测主要依靠分布式山火监测装置，监测装置安装在输电线路杆塔上，只能监测安装杆塔的附近区域，且监测不到山沟里的山火，受地形因素影响大，监测范围有限；无法辨识远处火点周边的地形植被情况，不能准确判断火点的风险等级。现有的无人机山火监测，需依靠专业操作人员在现场对无人机进行操控，且无人机续航短，滞空时间短，不能很好的解决无人机的供电问题。

因此，如何解决现有输电线路分布式山火监测方法监测范围有限，智能化水平不高、监测山火信息不准确，尤其是解决无人机的供电问题尤为重要。

发明内容

本发明目的在于提供一种基于无人机的输电线路山火分布监测装置及方法，以克服山地地形影响，全方位获取火点周边地形、植被等信息，实现对输电线路山火更准确更可靠的监测且进一步保证无人机在工作过程中的电量充足。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于无人机的输电线路山火分布监测装置，包括：

主控中心：用于发送指令控制无人机进行监测，还用于接收无人机返回的监测信息并做出相应指示；

无人机：所述无人机包括机体、用于支撑所述机体还用于充电的支架、GPS定位模块、用于拍摄红外照片还用于辅助校准定位的可见光红外热像仪、通信模块以及无人机控制模块，所述无人机用于根据预先设定在所述无人机控制模块内部的方案对山火进行监测，所述无人机还用于接收来自所述主控中心的指令对山火进行监测，并将监测信息通过所述通信模块传输给主控中心；

电源系统：所述电源系统的正负极导线与基座相连，用于提供电能以供所述无人机充电使用；

所述基座：所述基座安装在输电线路塔顶上，用于为所述无人机提供停放平台，并连接所述无人机和所述电源系统以对无人机进行充电；

校准点：所述校准点安装在所述基座上，用于在所述基座的作用下发热，并在所述可见光红外热像仪的检测下配合校准无人机的降落位置，以完成无人机的停放与充电。

优选地，所述校准点包括第一校准点和第二校准点，所述第一校准点安装在所述基座的中心，所述第二校准点相对于所述第一校准点的方位为第一方位。

优选地，所述第一校准点和所述第二校准点设为由电阻片制作的圆点，其中，所述第一校准点的面积大于所述第二校准点的面积。

优选地，所述基座上设有用于固定所述支架的卡槽，所述卡槽内设有用于与所述电源系统相连的电极。

优选地，所述支架上设有金属片，金属片与无人机内蓄电池相连。

作为一个总的技术构思，本发明提供一种应用于上述装置的方法，包括以下步骤：

S1：主控中心发送指令控制所述无人机进行监测，根据所述无人机返回的监测信息进行山火判别并做出相应指示；

S2：无人机根据预先设定在无人机控制模块内部的方案或者接收来自主控中心的指令对山火进行监测，并将监测信息通过通信模块传输给主控中心；

S3：构造电源系统，并在输电线路塔顶上设置有与所述电源系统相连的基座，当所述无人机检测到自身电量不足时向基座发送降落请求；

S4：无人机根据基座的位置进行粗定位后开启可见光红外热像仪对基座上的校准点进行识别，以校准无人机的降落位置，完成无人机的停放与充电。

优选地，所述步骤S4具体包括以下步骤：

S41：基座对第一校准点和第二校准点进行加热；

S42：无人机利用可见光红外热像仪垂直向下照射以获取基座的红外图像，然后对加热的校准点进行识别，当第一校准点在红外图像中的位置处于中心点，且在可见光红外热像仪中预先设定的方向与所述第一方位一致时，视为定位成功，反之，对无人机的方位进行调整直至定位成功；

S43：无人机垂直下降，完成降落过程，所述基座停止对所述第一校准点和所述第二校准点加热。

优选地，当无人机返回基座中充电时，所述卡槽开启，当所述无人机完全放入所述卡槽中时，所述卡槽闭合。

优选地，所述无人机通过支架上的金属片与卡槽中的电极连接完成充电。

本发明具有以下有益效果：

本发明提供一种基于无人机的输电线路山火分布检测装置及方法，包括主控中心、无人机、电源系统、基座以及校准点，其中，无人机通过预先设定在无人机控制模块内部的方案或者在主控中心的控制下对山火进行监测，并将监测信息发送给主控中心，由主控中心根据该监测信息做出相应工作指示，在无人机的监测过程中，当无人机检测到自身电量不足时，向基座发送降落请求，由基座、校准点以及无人机相互配合实现无人机的停放与充电，该方法和系统能克服山地地形影响，全方位获取火点周边地形、植被等信息，实现对输电线路山火更准确更可靠的监测且进一步保证无人机在工作过程中的电量充足，能实现无人机的远程自动连续监测，且无人机自动降落不受光线影响，夜间亦可实现自动降落，提高了装置的稳定性及山火监测的可靠性。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其他的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明优选实施例的无人机结构示意图；

图2是本发明优选实施例的基座结构图；

图3是本发明优选实施例的定位不成功示意图；

图4是本发明优选实施例的定位成功示意图。

附图标记:

1、无人机；2、支架；3、基座；4、卡槽；5、无线通信天线；6、电源系统；7、第一校准点；8、第二校准点。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

实施例1

参见图1，本实施例提供一种基于无人机1的输电线路山火分布监测装置，包括：

主控中心：用于发送指令控制无人机1进行监测，还用于接收无人机1返回的监测信息并做出相应指示；

无人机1：无人机1包括机体、用于支撑机体还用于充电的支架2、GPS定位模块、用于拍摄红外照片还用于辅助校准定位的可见光红外热像仪、通信模块及无人机控制模块，无人机1用于根据预先设定在无人机控制模块内部的方案对山火进行监测，无人机1还用于接收来自主控中心的指令对山火进行监测，并将监测信息通过通信模块传输给主控中心；

电源系统6：电源系统6的正负极导线与基座3相连，用于提供电能以供无人机1充电使用；

基座3：基座3安装在输电线路塔顶上，用于为无人机1提供停放平台，并连接无人机1和电源系统6以对无人机1进行充电；

校准点：校准点安装在基座3上，用于在基座3的作用下发热，并在可见光红外热像仪的检测下配合校准无人机1的降落位置，以完成无人机1的停放与充电。

优选地，本实施例中的电源系统6可由太阳能电池板、风力发电机、蓄电池、无线取电装置等组成。但本实施例并不仅限于此，该电源系统6还可以是其他能达到同样目的的器件或装置。

作为本实施例优选的实施方式，校准点包括第一校准点7和第二校准点8，第一校准点7安装在基座3的中心，第二校准点8相对于第一校准点7的方位为第一方位。

作为本实施例优选的实施方式，第一校准点7和第二校准点8设为由电阻片制作的圆点，其中，第一校准点7的面积大于第二校准点8的面积，如图2所示。

优选地，第一校准点7设为由电阻片制作的大圆点，第二校准点8设为由电阻片制作的小圆点。需要说明的是，本实施例并不仅限于此，该第一校准点7和第二校准点8还可以为达到同样目的的由其他材料制作的其他形状的校准点，即，只需满足能达到在基座3的作用下发热的目的即可。此外，值得说明的是，将第一校准点7的面积设为大于第二校准点8是为了方便可见光红外热像仪先对第一校准点7进行识别与定位，以确定无人机1的降落位置，然后再对第二校准点8进行识别，以确定无人机1的降落方位。

作为本实施例优选的实施方式，基座3上设有用于固定支架2的卡槽4，卡槽4内设有用于与电源系统6相连的电极。

作为本实施例优选的实施方式，支架2上设有金属片，且金属片与无人机内蓄电池相连。

实施例2

本实施例提供一种应用于上述装置的方法，具体包括以下步骤：

S1：主控中心发送指令控制无人机1进行监测，根据无人机1返回的监测信息进行山火判别并作出相应指示；

S2：无人机1根据预先设定在无人机控制模块内部的方案或者接收来自主控中心的指令对山火进行监测，并将监测信息通过通信模块传输给主控中心；

S3：构造电源系统6，并在输电线路塔顶上设置有与电源系统6相连的基座3，当无人机1检测到自身电量不足时向基座3发送降落请求；

S4：无人机1根据基座3的位置进行粗定位后开启可见光红外热像仪对基座3上的校准点进行识别，以校准无人机1的降落位置。

具体地，根据预先设定在无人机1无人机控制模块内部的方案，无人机1从基座3起飞，上升100米，在以基座3为中心，半径为200米的区域内盘旋，对周边火点进行扫描。在扫描过程中，发现1处火点，记录火点方向为N₂，开启可见光红外热像仪拍摄火点图像信息，并将该信息通过通信模块发送给主控中心，由主控中心通过无线通信天线5接收火点图像信息并根据该火点图像信息作出具体的工作指示。当无人机1在飞行过程中检测到自身的电量不足，或者侦查完毕后，开始返回基座3，其返回路径由GPS定位模块根据无人机1与基座3的位置差自动规划，当无人机1返回到靠近基座3附近后开始向基座3发送降落请求。

基座3接收到无人机1的降落请求后，开始对基座3上的校准点进行加热。具体地，设基座3的位置坐标为X₀，方向为N₀，无人机1的位置坐标为X₁，方向为N₁。首先，无人机1根据基座3的位置坐标(X₀，N₀)进行粗定位，然后开启可见光红外热像仪，使该可见光红外热像仪的镜头垂直向下照射获取基座3的红外图像，此时可见光红外热像仪对基座3上的第一校准点7和第二校准点8进行识别。其中，设红外图像的中心点的像素坐标为(u₀,v₀)，该中心点正北方(定义为无人机1前方)某点的像素坐标为(u'₀,v'₀)，第一校准点7的坐标为(u₁,v₁)，第二校准点8的坐标为(u₂,v₂)。

如果第一校准点7在红外图像中的位置处于中心点，即(u₁-u₀,v₁-v₀)等于0，且第二校准点8相对于第一校准点7的方位(第一方位)与在可见光红外热像仪中预先设定的方位一致，即(u₂-u₁,v₂-v₁)与(u'₀-u₀,v'₀-v₀)的夹角等于0，则视为定位成功，无人机1可垂直降落。

当在定位过程中，第一校准点7在红外图像中的位置不处于中心点时，对其进行调整，具体调整方法为：

当u₁-u₀>0时，无人机1向右移|u₁-u₀|个单位；当u₁-u₀<0时，无人机1向左移|u₁-u₀|个单位；

当v₁-v₀>0时，无人机1向后移|v₁-v₀|个单位；当v₁-v₀<0时，无人机1向前移|v₁-v₀|个单位。

其中，移动单位随着调整的时间越长或次数越多而递减，且在本实施例中，前、后、左、右分别指地理位置上的北、南、西、东。

参见图3，当在定位过程中，第二校准点8相对于第一校准点7的方位(第一方位)与在可见光红外热像仪中预先设定的方位不一致，则调整无人机1的方位，使得(u₂-u₁,v₂-v₁)与(u'₀-u₀,v'₀-v₀)的夹角逼近于0。其中，两个向量的夹角为：

当u₂-u₁>0时，无人机1逆时针旋转θ；当u₂-u₁<0时，无人机1顺时针旋转θ。

具体地，在实际情况中，以无人机1的某次飞行为例，可见光红外热像仪的像素为640*480，红外照片的中心点的像素坐标(u₀,v₀)为(320,240)，中心点正北方某像素的像素坐标(u'₀,v'₀)为(320,40)，第一校准点7在红外照片中的坐标为(120,200)，第二校准点8在红外照片中的坐标为(110,100)，则位置向量为(-200，-40)，方位向量为(-10，-100)，基准方位向量为(0，-200)。需要说明的是，位置向量指第一校准点7与中心点之间的位置差，方位向量指第二校准点8相比于第一校准点7的方位差，基准方位向量指中心点正北方某像素的像素坐标相比于中心点的像素坐标差。

经过计算，无人机1需向左移200个单位，向前移40个单位，顺时针旋转5.73°。其中移动单位起始为10毫米，每移动一次，移动单位递减2毫米，递减到1毫米为止(即移动单位小于1毫米时，按1毫米计算)，循环执行此步骤，直至无人机1与基座3的定位成功，如图4所示。需要说明的是，本实施例采取的可见光红外热像仪，能辅助无人机进行降落时克服光线带来的影响，即在夜晚也可以实现准确的降落。但本发明并不仅限于此，还可以通过可见光摄像头和红外热像仪配合工作，即能实现夜间降落目的即可。

当定位成功后，无人机1垂直下降，停放在基座3上，基座3停止对第一校准点7和第二校准点8加热。

作为本实施例优选的实施方式，当无人机1返回基座3中充电时，卡槽4开启，当无人机1完全放入卡槽4中时，即无人机1停放成功后，卡槽4闭合，且无人机1通过支架2上的金属片与卡槽4中的电极连接完成充电。需要说明的是，卡槽4不仅具备固定无人机1及给无人机1充电功能，还可以用来防风、防雨以及防尘，保证无人机1停放的稳定及安全性。

如上所述，本发明提供一种基于无人机1的输电线路山火分布检测装置及方法，包括主控中心、无人机1、电源系统6、基座3以及校准点，其中，无人机1通过预先设定在无人机控制模块内部的方案或者在主控中心的控制下对山火进行监测，当无人机1检测到自身电量不足时，向基座3发送降落请求，由基座3校准点以及无人机1相互配合实现无人机1的停放与充电，该方法和系统能克服山地地形影响，全方位获取火点周边地形、植被等信息，实现对输电线路山火更准确更可靠的监测且进一步保证无人机1在工作过程中的电量充足，能实现无人机的远程自动连续监测，且无人机自动降落不受光线影响，夜间亦可实现自动降落，提高了装置的稳定性及山火监测的可靠性。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于无人机的输电线路山火分布监测装置，其特征在于，包括：

主控中心：用于发送指令控制无人机进行监测，还用于接收无人机返回的监测信息并做出相应指示；

无人机：所述无人机包括机体、用于支撑所述机体还用于充电的支架、GPS定位模块、用于拍摄红外照片还用于辅助校准定位的可见光红外热像仪、通信模块以及无人机控制模块，所述无人机用于根据预先设定在所述无人机控制模块内部的方案对山火进行监测，所述无人机还用于接收来自所述主控中心的指令对山火进行监测，并将监测信息通过所述通信模块传输给主控中心；

电源系统：所述电源系统的正负极导线与基座相连，用于提供电能以供所述无人机充电使用；

所述基座：所述基座安装在输电线路塔顶上，用于为所述无人机提供停放平台，并连接所述无人机和所述电源系统以对无人机进行充电；

校准点：所述校准点安装在所述基座上，用于在所述基座的作用下发热，并在所述可见光红外热像仪的检测下配合校准无人机的降落位置，以完成无人机的停放与充电；

所述校准点包括第一校准点和第二校准点，所述第一校准点安装在所述基座的中心，所述第二校准点相对于所述第一校准点的方位为第一方位，所述第一校准点和所述第二校准点设为由电阻片制作的圆点，其中，所述第一校准点的面积大于所述第二校准点的面积；其中，所述第一校准点用于校准无人机的降落位置，所述第二校准点用于校准无人机的降落方位，当在定位过程中，若第二校准点相对于第一校准点的第一方位与在可见光红外热像仪中预先设定的方位不一致，则调整无人机的方位，使得(u₂-u₁,v₂-v₁)与(u'₀-u₀,v'₀-v₀)的夹角逼近于0；其中，两个向量的夹角为：

式中，(u₀,v₀)表示红外图像的中心点的像素坐标，(u'₀,v'₀)表示红外图像的中心点正北方某点的像素坐标，(u₁,v₁)为第一校准点的坐标，(u₂,v₂)为第二校准点的坐标；

当u₂-u₁>0时，无人机逆时针旋转θ；当u₂-u₁<0时，无人机顺时针旋转θ。

2.根据权利要求1所述的基于无人机的输电线路山火分布监测装置，其特征在于，所述基座上设有用于固定所述支架的卡槽，所述卡槽内设有用于与所述电源系统相连的电极。

3.根据权利要求1所述的基于无人机的输电线路山火分布监测装置，其特征在于，所述支架上设有金属片，所述金属片与无人机内蓄电池相连。

4.一种应用于上述权利要求1-3任一项所述装置的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：主控中心发送指令控制所述无人机进行监测，根据所述无人机返回的监测信息进行山火判别并做出相应指示；

S2：无人机根据预先设定在无人机控制模块内部的方案或者接收来自主控中心的指令对山火进行监测，并将监测信息通过通信模块传输给主控中心；

S3：构造电源系统，并在输电线路塔顶上设置有与所述电源系统相连的基座，当所述无人机检测到自身电量不足时向基座发送降落请求；

S4：无人机根据基座的位置进行粗定位后开启可见光红外热像仪对基座上的校准点进行识别，以校准无人机的降落位置，完成无人机的停放与充电。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括以下步骤：

S41：基座对第一校准点和第二校准点进行加热；

S42：无人机利用可见光红外热像仪垂直向下照射以获取基座的红外图像，然后对加热的校准点进行识别，当第一校准点在红外图像中的位置处于中心点，且在可见光红外热像仪中预先设定的方向与所述第一方位一致时，视为定位成功，反之，对无人机的方位进行调整直至定位成功；

S43：无人机垂直下降，完成降落过程，所述基座停止对所述第一校准点和所述第二校准点加热。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，当无人机返回基座中充电时，设置于基座上的用于固定支架的卡槽开启，当所述无人机完全放入卡槽中时，卡槽闭合。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述无人机通过支架上的金属片与卡槽中的电极连接完成充电。

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