CN109818295A - 一种基于无人机的高压线异物清除系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于无人机的高压线异物清除系统，包括无人机、光路系统、稳压供电系统、高能光束自动聚焦系统、高精度激光头稳定云台模块、毫米波雷达精准测距模块、无人机及切割远程控制系统和图像跟踪、监视及自动化操作系统。本发明通过高功率密度集中于切割点短时间将异物切断，从而在避免产生燃烧，能够有效的避免对线路造成伤害，通过无人机搭载，使用范围更广，不受距离和高度的限制，清除效率高。

Description

一种基于无人机的高压线异物清除系统

技术领域

本发明属于电气设备运维检修技术领域，特别涉及一种基于无人机的高压线异物清除系统。

背景技术

架空输电线路点多面广，跨度大，线路长，沿线环境复杂，风筝和风筝线、农用塑料布、广告布、锡箔纸、遮阳网等漂浮性异物经常缠挂在输电线路上，可造成相间短路、单相接地，导致线路跳闸停电或线路损毁，垂落的异物或烧断损毁的导线还可造成人畜伤亡，给电力系统和社会造成极大的经济损失，目前，异物的清除作业主要采用一些传统方法和工具或稍加改进的工具进行清除。对于杆塔及杆塔附近导线上的异物，可通过作业人员攀登杆塔，手工摘除，或借助绝缘操作杆、绝缘异物清除杆等工具清除；对于高度、交通条件合适的异物，可采用绝缘斗臂车、登高车协助处理。位于档距中间、离杆塔较远、地形交通条件有限的异物，是清除难度较大，耗时较长，经常需要停电作业的异物，由于输电线路走廊中导线所占长度比重远大于杆塔，因此这种异物也是发生概率最高的一类，目前主要采用软梯、吊篮、翻斗滑车挂钩等工具和方法处理，具有需攀爬杆塔、走线、高电压高空作业、难度高、风险大、耗时长、需停电作业等缺点，耗费了大量人力物力，给电力系统线路巡检工作造成沉重的压力。

除了以上传统清障方法，一些智能化、自动化创新型的工具及研究相继出现。例如高压架空线路清障机器人、无人机喷火装置等。

对于带电作业的机器人，国内外许多国家早已开始研究，如日本、西班牙、美国、加拿大、意大利等。在上世纪80年代初，日本九州电力公司就开始了第一代主从操作式带电作业机器人的研究工作，到目前为止已进入第四代研制工作。西班牙在1990年首次开展相关研制，并于四年后完成第一阶段工作。而我国在21世纪初也开始也进行了高压带电作业机器人产品化样机的研制，应用到高压线清障方面也取得一定成果。2005年国内首台“330KV超高压带电清扫机器人功能性样机”在兰州和平变带电试验成功；2009年山东电力超高压公司已完成第三代超高压线路清障检测机器人的更新升级。但是，此方案仍存在线路机器人过塔能力差，机器人上下线难度较大且尚未实现全自主清障等问题。无人喷火清障装置是通过控制无人机飞到异物位置实现喷火烧除异物，此方案虽然功能性实验较多但未充分研究确定安全性，包括火焰引起空气放电或短路、1000℃左右的高温火焰对导线的损伤、操控不当坠机问题、异物所处位置等，到目前还没有得到推广应用。

为此，两年前，国网江苏电力在充分调研输电线路异物的基础上，创造性地提出了采用远程激光实现异物快速清除的方法，即将适当能量的激光束照射到较远距离处的输电线路异物上，在确保安全的条件下将缠绕在导线上的部分烧毁，使异物掉落。随后，江苏电力科学研究院、南方电网深圳供电局等相继推出路基激光远程清障系统产品并得以应用。目前此方案可查阅到的相关技术专利至少3项，技术论证成熟，实际实验数据稳定可靠。

但该激光远程地对空切割方法距离有限，一般在100米以内，如果异物距离地面大于100米或者设备不容易到达，这种切割方法将无能为力，而无人机切割平台可以很好的克服该缺点，为此，本发明提出一种基于无人机的高压线异物清除系统。

发明内容

为了解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于无人机的高压线异物清除系统，包括无人机、光路系统、稳压供电系统、高能光束自动聚焦系统、高精度激光头稳定云台模块、毫米波雷达精准测距模块、无人机及切割远程控制系统和图像跟踪、监视及自动化操作系统；

所述光路系统包括激光器、扩束镜、数字自动对焦一体化摄像机和反射透射镜，所述激光器和扩束镜为同轴设计，所述数字自动对焦一体化摄像机和激光器、扩束镜轴线为垂直设计，所述激光器发射激光经扩束镜之后的出射光束再经反射透射镜将光束反射到线路异物上，所述数字自动对焦一体化摄像机通过反射透射镜透射可见光，采集线路异物信息，通过激光扩束镜实现光束减少扩散及聚焦功能，达到快速，高能切割线路异物的作用，采用数字自动对焦一体化摄像机与智能云台一体化，实现无人机实时连续实时监测的功能，为实现激光光束与摄像机采集光同轴，采用反射透射镜，使激光通过扩束镜的出射光束经反射透射镜的反射功能，与摄像机采集的可见光经反射透射镜的透射功能，使两光束同轴，达到准确检测的功能；

所述稳压供电系统包括主电路模块和电源管理模块，其中主电路模块包括主电路功率级和主电路控制级，所述主电路功率级包括输出滤波电路、自举偏置电路、输出整流电路、功率变压器和有源箝位电路，所述主电路控制级包括PWM控制电路、均流电路、继电器开关电路和备用电池电路，所述电源管理模块包括辅助供电电路、信号检测电路、余度切换电路、温控系统和通信电路；

所述高能光束自动聚焦系统包括采用小型电机带动联动结构来移动聚焦镜，达到持续会聚的目的，为了让系统实现自动聚焦的功能，采用闭环控制方法来控制电机转向，以单片机为系统中心控制器，结合光信号检测器件，对反射信号实时采集、存储比较得到光强变化趋势，用驱动电机转动，将聚焦镜向理想位置移动，达到自动聚焦的目的，这种系统易于实现，有效灵活的实现光束聚焦调制；

所述高精度激光头稳定云台模块包括云台和云台控制系统，采用模块化设计思想，将云台主控制器与电机驱动单元分开，并采用CAN总线实现两个单元的通信，以获取系统通信的高可靠性和高效率，云台控制系统主要有三个对外接口：1)与飞行器主控制器有通信链路，2)能通过遥控器对云台进行单独控制，3)可对相机快门及录像功能进行操作，针对云台控制系统高精度定位及快速响应的需求，采用永磁同步电机带增量式光电码盘的定位驱动方案，并采用矢量控制算法(FOC)，使电机能精确定位到任意角度电机驱动单元，通过CAN总线与主控连接后，云台主控制器将控制指令传输到电机驱动单元，为了达到高精度的视觉稳定效果，在云台相机单元安装姿态传感器模块，实时捕捉及反馈相机姿态、位置，从而使电机驱动单元能快速响应云台角度误差，提升成像质量；

所述毫米波雷达精准测距模块包括发射源、本机振荡器、隔离器、环流器、天线、混频器、中频放大器、检波器、视频放大器、测距电路和调制器，采用毫米波脉冲体制雷达测距，发射源发射毫米波脉冲调制信号，经环流器及天线向目标发射，回波经环流器进入混频器，在混频器中，本振信号与回波信号进行混频，差频输出经中频放大器放大后送入检波器。检波信号经视频放大器放大，放大信号通过测距电路测出雷达与目标之间的距离；

所述无人机及切割远程控制系统包括定位系统、zigbee无线通信和地面控制站，定位系统根据贴装在无人机上的反射标记点，实时地将无人机的当前位置信息解算出来，并将此位置信息传送给地面控制站，地面控制站经过决策后，将无人机的当前位置信息以及下一时刻的期望位置通过zigbee无线通信传送给无人机，无人机运行机载控制算法，驱动无人机运动到下一时刻的期望位置，如此不断循环，其中，无人机机载控制器中运行无人机的姿态控制算法和位置控制算法，地面控制站提供无人机的参考轨迹、管理功能与通信功能，激光器与云台相连接，通过云台主控制器与无人机机载控制器的信号传递实现对云台的控制，实现云台的多自由度旋转与移动，从而带动激光器的旋转移动，实现异物的激光切割清除；

所述图像跟踪、监视及自动化操作系统采用帧间差分法，通过对视频中相邻两帧图像做差分运算来标记运动物体的方法，帧差法依据的原则是：当视频中存在移动物体的时候，相邻帧(或相邻三帧)之间在灰度上会有差别，求取两帧图像灰度差的绝对值，则静止的物体在差值图像上表现出来全是0，而移动物体特别是移动物体的轮廓处由于存在灰度变化为非0，这样就能大致计算出移动物体的位置、轮廓和移动路径等。

作为本发明的一种优选方式，所述无人机采用四旋翼无人机。

作为本发明的一种优选方式，所述帧间差分法算法实现简单，程序设计复杂度低；对光线等场景变化不太敏感，能够适应各种动态环境，稳定性较好。

作为本发明的一种优选方式，所述毫米波是指波长在1cm以下，频率在30GHz-300GHz的电磁波。

本发明的有益效果为：

1、本发明通过高功率密度集中于切割点短时间将异物切断，从而在避免产生燃烧，能够有效的避免高温对线路造成伤害，通过无人机搭载，使用范围更广，不受距离和高度的限制，清除效率高。

2、本发明的光路系统的数字自动对焦一体化摄像机通过反射透射镜透射可见光，采集线路异物信息，通过激光扩束镜实现光束减少扩散及聚焦功能，达到快速，高能切割线路异物的作用，采用数字自动对焦一体化摄像机与智能云台一体化，实现无人机实时连续实时监测的功能，为实现激光光束与摄像机采集光同轴，采用反射透射镜，使激光通过扩束镜的出射光束经反射透射镜的反射功能，与摄像机采集的可见光经反射透射镜的透射功能，使两光束同轴，达到准确检测的功能，提高异物清除效率。

3、本发明采用了对铝等金属物质吸收率极低，但对木材、塑料具有较高吸收率的激光发生器，进一步降低了照射对象区域的温度累计现象，杜绝了发生明火的可能。

4、本发明采用毫米波测距方法抵抗外界信号干扰，能够在保持测距精度的情况下可靠的进行测量间距，能够在摇晃的环境、透明的异物的条件下测量，同时还能保持一定的测量精度，能够实现云台的运动控制、异物的追踪、监视与自动化切割，能够准确的识别欲清除的异物，激光器与异物的随动控制。

附图说明

图1为一种基于无人机的高压线异物清除系统的功能模块示意图；

图2为一种基于无人机的高压线异物清除系统的光路系统原理图；

图3为一种基于无人机的高压线异物清除系统的稳压供电系统结构框图；

图4为一种基于无人机的高压线异物清除系统的云台控制系统示意图；

图5为一种基于无人机的高压线异物清除系统的毫米波雷达精准测距模块原理示意图；

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

请参阅图1至图5，本发明提供一种技术方案：一种基于无人机的高压线异物清除系统，包括无人机、光路系统、稳压供电系统、高能光束自动聚焦系统、高精度激光头稳定云台模块、毫米波雷达精准测距模块、无人机及切割远程控制系统和图像跟踪、监视及自动化操作系统；

所述光路系统包括激光器、扩束镜、数字自动对焦一体化摄像机和反射透射镜，所述激光器和扩束镜为同轴设计，所述数字自动对焦一体化摄像机和激光器、扩束镜轴线为垂直设计，所述激光器发射激光经扩束镜之后的出射光束再经反射透射镜将光束反射到线路异物上，所述数字自动对焦一体化摄像机通过反射透射镜透射可见光，采集线路异物信息，通过激光扩束镜实现光束减少扩散及聚焦功能，达到快速，高能切割线路异物的作用，采用数字自动对焦一体化摄像机与智能云台一体化，实现无人机实时连续实时监测的功能，为实现激光光束与摄像机采集光同轴，采用反射透射镜，使激光通过扩束镜的出射光束经反射透射镜的反射功能，与摄像机采集的可见光经反射透射镜的透射功能，使两光束同轴，达到准确检测的功能；

所述稳压供电系统包括主电路模块和电源管理模块，其中主电路模块包括主电路功率级和主电路控制级，所述主电路功率级包括输出滤波电路、自举偏置电路、输出整流电路、功率变压器和有源箝位电路，所述主电路控制级包括PWM控制电路、均流电路、继电器开关电路和备用电池电路，所述电源管理模块包括辅助供电电路、信号检测电路、余度切换电路、温控系统和通信电路；

所述高能光束自动聚焦系统包括采用小型电机带动联动结构来移动聚焦镜，达到持续会聚的目的，为了让系统实现自动聚焦的功能，采用闭环控制方法来控制电机转向，以单片机为系统中心控制器，结合光信号检测器件，对反射信号实时采集、存储比较得到光强变化趋势，用驱动电机转动，将聚焦镜向理想位置移动，达到自动聚焦的目的，这种系统易于实现，有效灵活的实现光束聚焦调制；

所述高精度激光头稳定云台模块包括云台和云台控制系统，采用模块化设计思想，将云台主控制器与电机驱动单元分开，并采用CAN总线实现两个单元的通信，以获取系统通信的高可靠性和高效率，云台控制系统主要有三个对外接口：1)与飞行器主控制器有通信链路，2)能通过遥控器对云台进行单独控制，3)可对相机快门及录像功能进行操作，针对云台控制系统高精度定位及快速响应的需求，采用永磁同步电机带增量式光电码盘的定位驱动方案，并采用矢量控制算法(FOC)，使电机能精确定位到任意角度电机驱动单元，通过CAN总线与主控连接后，云台主控制器将控制指令传输到电机驱动单元，为了达到高精度的视觉稳定效果，在云台相机单元安装姿态传感器模块，实时捕捉及反馈相机姿态、位置，从而使电机驱动单元能快速响应云台角度误差，提升成像质量；

所述毫米波雷达精准测距模块包括发射源、本机振荡器、隔离器、环流器、天线、混频器、中频放大器、检波器、视频放大器、测距电路和调制器，采用毫米波脉冲体制雷达测距，发射源发射毫米波脉冲调制信号，经环流器及天线向目标发射，回波经环流器进入混频器，在混频器中，本振信号与回波信号进行混频，差频输出经中频放大器放大后送入检波器。检波信号经视频放大器放大，放大信号通过测距电路测出雷达与目标之间的距离；

所述无人机及切割远程控制系统包括定位系统、zigbee无线通信和地面控制站，定位系统根据贴装在无人机上的反射标记点，实时地将无人机的当前位置信息解算出来，并将此位置信息传送给地面控制站，地面控制站经过决策后，将无人机的当前位置信息以及下一时刻的期望位置通过zigbee无线通信传送给无人机，无人机运行机载控制算法，驱动无人机运动到下一时刻的期望位置，如此不断循环，其中，无人机机载控制器中运行无人机的姿态控制算法和位置控制算法，地面控制站提供无人机的参考轨迹、管理功能与通信功能，激光器与云台相连接，通过云台主控制器与无人机机载控制器的信号传递实现对云台的控制，实现云台的多自由度旋转与移动，从而带动激光器的旋转移动，实现异物的激光切割清除；

所述图像跟踪、监视及自动化操作系统采用帧间差分法，通过对视频中相邻两帧图像做差分运算来标记运动物体的方法，帧差法依据的原则是：当视频中存在移动物体的时候，相邻帧(或相邻三帧)之间在灰度上会有差别，求取两帧图像灰度差的绝对值，则静止的物体在差值图像上表现出来全是0，而移动物体特别是移动物体的轮廓处由于存在灰度变化为非0，这样就能大致计算出移动物体的位置、轮廓和移动路径等。

作为本发明的一种优选方式，所述无人机采用四旋翼无人机。

作为本发明的一种优选方式，所述帧间差分法算法实现简单，程序设计复杂度低；对光线等场景变化不太敏感，能够适应各种动态环境，稳定性较好。

作为本发明的一种优选方式，所述毫米波是指波长在1cm以下，频率在30GHz-300GHz的电磁波。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (4)

1.一种基于无人机的高压线异物清除系统，包括无人机、光路系统、稳压供电系统、高能光束自动聚焦系统、高精度激光头稳定云台模块、毫米波雷达精准测距模块、无人机及切割远程控制系统和图像跟踪、监视及自动化操作系统，其特征在于：

所述光路系统包括激光器、扩束镜、数字自动对焦一体化摄像机和反射透射镜，所述激光器和扩束镜为同轴设计，所述数字自动对焦一体化摄像机和激光器、扩束镜轴线为垂直设计，所述激光器发射激光经扩束镜之后的出射光束再经反射透射镜将光束反射到线路异物上，所述数字自动对焦一体化摄像机通过反射透射镜透射可见光，采集线路异物信息，通过激光扩束镜实现光束减少扩散及聚焦功能，达到快速，高能切割线路异物的作用，采用数字自动对焦一体化摄像机与智能云台一体化，实现无人机实时连续实时监测的功能，为实现激光光束与摄像机采集光同轴，采用反射透射镜，使激光通过扩束镜的出射光束经反射透射镜的反射功能，与摄像机采集的可见光经反射透射镜的透射功能，使两光束同轴，达到准确检测的功能；

所述稳压供电系统包括主电路模块和电源管理模块，其中主电路模块包括主电路功率级和主电路控制级，所述主电路功率级包括输出滤波电路、自举偏置电路、输出整流电路、功率变压器和有源箝位电路，所述主电路控制级包括PWM控制电路、均流电路、继电器开关电路和备用电池电路，所述电源管理模块包括辅助供电电路、信号检测电路、余度切换电路、温控系统和通信电路；

所述高能光束自动聚焦系统包括采用小型电机带动联动结构来移动聚焦镜，达到持续会聚的目的，为了让系统实现自动聚焦的功能，采用闭环控制方法来控制电机转向，以单片机为系统中心控制器，结合光信号检测器件，对反射信号实时采集、存储比较得到光强变化趋势，用驱动电机转动，将聚焦镜向理想位置移动，达到自动聚焦的目的，这种系统易于实现，有效灵活的实现光束聚焦调制；

所述高精度激光头稳定云台模块包括云台和云台控制系统，采用模块化设计思想，将云台主控制器与电机驱动单元分开，并采用CAN总线实现两个单元的通信，以获取系统通信的高可靠性和高效率，云台控制系统主要有三个对外接口：1)与飞行器主控制器有通信链路，2)能通过遥控器对云台进行单独控制，3)可对相机快门及录像功能进行操作，针对云台控制系统高精度定位及快速响应的需求，采用永磁同步电机带增量式光电码盘的定位驱动方案，并采用矢量控制算法(FOC)，使电机能精确定位到任意角度电机驱动单元，通过CAN总线与主控连接后，云台主控制器将控制指令传输到电机驱动单元，为了达到高精度的视觉稳定效果，在云台相机单元安装姿态传感器模块，实时捕捉及反馈相机姿态、位置，从而使电机驱动单元能快速响应云台角度误差，提升成像质量；

所述毫米波雷达精准测距模块包括发射源、本机振荡器、隔离器、环流器、天线、混频器、中频放大器、检波器、视频放大器、测距电路和调制器，采用毫米波脉冲体制雷达测距，发射源发射毫米波脉冲调制信号，经环流器及天线向目标发射，回波经环流器进入混频器，在混频器中，本振信号与回波信号进行混频，差频输出经中频放大器放大后送入检波器。检波信号经视频放大器放大，放大信号通过测距电路测出雷达与目标之间的距离；

所述无人机及切割远程控制系统包括定位系统、zigbee无线通信和地面控制站，定位系统根据贴装在无人机上的反射标记点，实时地将无人机的当前位置信息解算出来，并将此位置信息传送给地面控制站，地面控制站经过决策后，将无人机的当前位置信息以及下一时刻的期望位置通过zigbee无线通信传送给无人机，无人机运行机载控制算法，驱动无人机运动到下一时刻的期望位置，如此不断循环，其中，无人机机载控制器中运行无人机的姿态控制算法和位置控制算法，地面控制站提供无人机的参考轨迹、管理功能与通信功能，激光器与云台相连接，通过云台主控制器与无人机机载控制器的信号传递实现对云台的控制，实现云台的多自由度旋转与移动，从而带动激光器的旋转移动，实现异物的激光切割清除；

所述图像跟踪、监视及自动化操作系统采用帧间差分法，通过对视频中相邻两帧图像做差分运算来标记运动物体的方法，帧差法依据的原则是：当视频中存在移动物体的时候，相邻帧(或相邻三帧)之间在灰度上会有差别，求取两帧图像灰度差的绝对值，则静止的物体在差值图像上表现出来全是0，而移动物体特别是移动物体的轮廓处由于存在灰度变化为非0，这样就能大致计算出移动物体的位置、轮廓和移动路径等。

2.根据权利要求1所述的一种基于无人机的高压线异物清除系统，其特征在于，所述无人机采用四旋翼无人机。

3.根据权利要求1所述的一种基于无人机的高压线异物清除系统，其特征在于，所述帧间差分法算法实现简单，程序设计复杂度低；对光线等场景变化不太敏感，能够适应各种动态环境，稳定性较好。

4.根据权利要求1所述的一种基于无人机的高压线异物清除系统，其特征在于，所述毫米波是指波长在1cm以下，频率在30GHz-300GHz的电磁波。