CN110395398A - 一种基于多旋翼无人机的接地装配系统及其接地方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于多旋翼无人机的接地装配系统，包括无人机控制系统、视觉识别系统、测量解算系统、PID控制器和动作模块，所述无人机控制系统包括用于定位的GPS模块、无线信号收发器和与无线信号收发器相匹配的无线遥控器，所述视觉识别系统包括至少两个用于检测高压输电线路的摄像机，其接地方法的步骤为，将接地线夹固定至无人机上，并由无人机带动接地线起飞，控制无人机在空中稳定姿态，进入微调操作模式将接地线夹安装到线缆上，通过动作模块使无人机脱离与接地线夹的连接，飞回地面完成安装，利用无人机安装接地线来代替工人进行操作，可降低工人在工作时的危险性，还可代替吊车装设，能有效降低装设时的人力物力成本。

Description

一种基于多旋翼无人机的接地装配系统及其接地方法
技术领域
本发明涉及无人机接地技术领域，具体涉及一种基于多旋翼无人机的接地装配系统及其接地方法。
背景技术
接电线就是直接连接地球的线，也可以称为安全回路线，危险时它就把高压直接转嫁给地球，算是一根生命线，在电力系统中接地线则是为了在已停电的设备和线路上，用于保证工作人员在意外地出现电压时的生命安全。
其接地线的正确安装步骤为，先将连接接地端，然后再连接导体端，而接地线的拆卸步骤为，先将导体端拆除，然后在拆除接地端，但是在当前人为的拆装接地线仍然存在以下的问题：
(1)工作人员直接参与拆装接地线，与带线设备接触较近，易发生触电；
(2)高压电压等级线路距离地面较高，需要借用吊车将人送到高空再装设，大大增加了人力物力的浪费；
(3)现有的接地线重量大，工作人员在高空操作时，有高空跌落的危险。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于多旋翼无人机的接地装配系统及其接地方法，通过无人装设接地线的形式，可以解决现有技术中工作人员在高空作业时易发生危险，且采用吊车的形式装设接地线会大大增加成本的问题。
为了实现上述目的，本发明的实施方式提供如下技术方案：
一种基于多旋翼无人机的接地装配系统及其接地方法，包括无人机控制系统、视觉识别系统、测量解算系统、PID控制器和动作模块；
所述无人机控制系统包括用于定位的GPS模块、无线信号收发器和与无线信号收发器相匹配的无线遥控器；
所述视觉识别系统包括至少两个用于检测高压输电线路的摄像机；
通过无线遥控器与无线信号收发器的配合控制无人机飞行至靠近高压输电线的位置，并由视觉识别系统通过摄像机采集图像信息，通过测量解算系统解算通过摄像机所采集到的图像信息，得到无人机位姿信息，通过PID控制器根据位姿信息调整无人机位置，直至无人机达到指定的位置，将接地线装设在高压输电线路上，根据视觉识别系统检测接地线安装状态，根据安装状态信息控制动作模块脱离与接地线连接状态。
作为本发明的一种优选方案，所述测量解算系统的工作流程包括：
对视觉识别系统采集的高压输电线路图像信息进行均值滤波；
根据均值滤波后的图像信息，利用Canny边缘检测进行外轮廓提取；
判断高压输电线路的外轮廓与系统设定的轮廓线是否重合，并通过OI算法对其最小化空间共线性误差迭代得出无人机位姿信息。
作为本发明的一种优选方案，所述无人机位姿计算公式为：
其中n为特征点的个数。
作为本发明的一种优选方案，所述ei＝(I-W)(Rp+t)，为目标空间中的线性误差，所述R为相机坐标系的姿态旋转矩阵，t为平移矢量，其中
所述w＝[ui vi 1],i＝1,2,3,4为设定特征点在图像中的坐标值；
所述p＝(xi,yi,zi)T为该特征点在目标坐标系中的坐标。
作为本发明的一种优选方案，所述视觉识别系统还包括激光位移传感器，且所述激光位移传感器设置在无人机的底部。
作为本发明的一种优选方案，所述动作模块设置在无人机的底部，且所述动作模块包括圆形结构的固定盘和若干个转动连接在固定盘上的固定卡块，在所述固定盘的中心位置处开设有安装嵌槽，所述安装嵌槽的槽底设置有通过驱动电机驱动的齿轮盘，所述齿轮盘上啮合连接有与固定卡块对应的滑动块，且所述滑动块上转动连接有连接杆，所述连接杆的另一端与固定卡块转动连接。
作为本发明的一种优选方案，所述固定盘的上方还设置有固定在安装嵌槽开口处的导向盘，且所述导向盘上开设用于对滑动块导向的滑动槽。
一种如上所述的基于多旋翼无人机的接地装配系统的接地方法，接地方法包括如下步骤：
步骤S100，通过动作模块将接地线夹固定至无人机上，并由无人机带动接地线起飞；
步骤S200，控制无人机在空中稳定姿态，进入微调操作模式将接地线夹安装到高压输电线路上；
步骤S300，通过动作模块使无人机脱离与接地线夹的连接，飞回地面完成安装。
作为本发明的一种优选方案，根据步骤S200，所述微调操作模式由PID控制器控制，且所述PID控制器通过无线信号收发器将操作数据反馈至无线遥控器。
作为本发明的一种优选方案，根据步骤S300，所述动作模块脱离与接地线夹连接的条件为：视觉检测系统检测到接地线夹处于夹紧高压输电线状态。
本发明的实施方式具有如下优点：
(1)本发明通过无人机安装接地线的形式代替工人进行操作，可避免降低工人在接地时所具有的危险性，还可代替吊车装设，能有效降低装设时的人力物力成本。
(2)本发明通过所设置的测量解算系统和视觉识别系统，可实现在安装接地线时，对无人机位置的实时检测，进而配合设置的PID控制器可实现对无人机位置的实时调整，在安装接地线时，其安装的精度会更高，操作更加的方便。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。
图1为本发明实施方式中接地装配系统的流程图；
图2为本发明实施方式中接地装配系统的结构示意图；
图3为本发明实施方式中动作模块的结构示意图；
图4为本发明实施方式中动作模块的俯视图。
图中：
1-无人机控制系统；2-视觉识别系统；3-测量解算系统；4-PID控制器；5-动作模块；
101-GPS模块；102-无线信号收发器；103-无线遥控器；
201-摄像机；202-激光位移传感器；
501-固定盘；502-固定卡块；503-安装嵌槽；504-齿轮盘；505-滑动块；506-连接杆；507-导向盘；508-滑动槽。
具体实施方式
为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。需要说明的是，当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中设置的组件。
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
如图1和图2所示，本发明提供了一种基于多旋翼无人机的接地装配系统，包括无人机控制系统1、视觉识别系统2、测量解算系统3、PID控制器4和动作模块5。
所述无人机控制系统1包括用于定位的GPS模块101、无线信号收发器102和与无线信号收发器102相匹配的无线遥控器103，GPS模块101用于实时监控无人机在进行装配接地线时的位置信息，在使用时，利用无线遥控103可对无人机进行远程操作，更加的方便用户进行执行安装接地线的任务。
所述视觉识别系统2包括至少两个用于检测高压输电线路的摄像机201，所设置的两个摄像机201均设置在无人机的底部，且均采用高分辨率的CCD摄像机，保证其可采集到更加清晰的高压输电线路的图像信息，可有效的提高其在进入微调模式后调整的精准度，而两个摄像机201可组成平行双摄摄像头，在成像时模仿人眼视觉，即在成像时将两个画面叠加，基于视差原理从不同的位置采集被测物体的两幅图像，通过计算图形对应点间的位置偏差获取物体三维几何信息，可有效的提高采集的图像信息的准确性。
另外，所述视觉识别系统2还包括激光位移传感器202，且所述激光位移传感器202设置在无人机的底部，激光位移传感器202是利用激光技术进行测量的传感器，由激光器、激光检测器和测量电路组成，在进行成像时，可利用所设置的位移传感器202进行实时的检测无人机与高压输电线路的距离，便于后续通过设置的PID控制器4进行调整无人的飞行姿态。
通过无线遥控器103与无线信号收发器102的配合控制无人机飞行至靠近高压输电线的位置，并由视觉识别系统2通过摄像机201采集图像信息，通过测量解算系统3解算通过摄像机201所采集到的图像信息，得到无人机位姿信息，通过PID控制器4根据位姿信息调整无人机位置，直至无人机达到指定的位置将接地线装设在高压输电线路上，通过视觉识别系统2检测接地线安装状态，根据安装状态信息控制动作模块5脱离与接地线连接状态。
所设置的PID控制器4是工业控制应用中常见的反馈回路部件，用于闭环控制，即在实际的使用过程中，用于控制无人进行姿态的调整，调整后无人姿态与系统设定值不符合，则从新采集信息并进行解算，然后再次的调整无人机飞行姿态并与系统设定值进行对比，直至达到符合系统设定值为止，便于将无人稳定至空间内的某一位置，可避免在进行安装接地线时，会出现较大安装误差而导致安装失败的问题，也可大大的降低工人在操作时的难度。
另外，在进行拆卸接地线时，其工作流程与安装流程相反，且此时的视觉识别系统所采集的图像信息为接地线线夹的位置，以便于调整无人无人机位置，使无人机通过动作模块与之连接在一起，可有效的降低工作人间进行拆卸接地线的难度。
所述测量解算系统3的工作流程包括：
对视觉识别系统2采集的高压输电线路图像信息进行均值滤波；
根据均值滤波后的图像信息，利用Canny边缘检测进行外轮廓提取；
判断高压输电线路的外轮廓与系统设定的轮廓线是否重合，并通过OI算法对其最小化空间共线性误差迭代得出无人机位姿信息。
均值滤波是典型的线性滤波算法，它是指在图像上对目标像素给一个模板，该模板包括了其周围的临近像素，(以目标像素为中心的周围8个像素，构成一个滤波模板，即去掉目标像素本身)，再用模板中的全体像素的平均值来代替原来像素值，可抑制图像中的加性噪声，而Canny边缘检测则利用Canny算法，可提取图像中的外轮廓，从而在判断高压输电线的轮廓与系统设定的外轮廓是否重合时，其判断的精度会更高。
所述无人机位姿计算公式为：
其中n为特征点的个数。
所述ei＝(I-W)(Rp+t)，为目标空间中的线性误差，所述R为相机坐标系的姿态旋转矩阵，t为平移矢量，其中
所述w＝[ui vi 1],i＝1,2,3,4为设定特征点在图像中的坐标值；
所述p＝(xi,yi,zi)T为该特征点在目标坐标系中的坐标。
经测量解算系统3所得出的位姿信息，则是无人机需要调整位置信息，而经PID控制器4自动的重复此过程，进而在安装接地线时，可将无人机稳定至与高压输电线对应的位置处，可有避免出现安装失败的问题。
如图3和图4所示，所述动作模块5设置在无人机的底部，且所述动作模块5包括圆形结构的固定盘501和若干个转动连接在固定盘501上的固定卡块502，固定卡块502以固定盘501中线轴线为旋转中心环形阵列在固定盘上，在所述固定盘501的中心位置处开设有安装嵌槽503，所述安装嵌槽503的槽底设置有通过驱动电机驱动的齿轮盘504，所述齿轮盘504上啮合连接有与固定卡块502对应的滑动块505，且所述滑动块505上转动连接有连接杆506，所述连接杆506的另一端与固定卡块502转动连接，所述固定盘501的上方还设置有固定在安装嵌槽503开口处的导向盘507，且所述导向盘507上开设用于对滑动块505导向的滑动槽508，齿轮盘504、滑动块505和导向盘507利用三爪卡盘的原理，即在齿轮盘504转动时，会带动滑动块505的运动，从而由滑动块505实现固定卡块502的同步运动。
在将接地线挂设在高压输电线路上后，控制无人机进行原地转动，将接地线锁紧至线缆上，而在无人脱离与接地线的连接时，启动驱动电机，由驱动电机带动齿轮盘504的运动，进而配合所设置的导向盘507可实现对滑动块505的运动，从而可由滑动块505通过设置的连接杆506带动固定卡块502的张开，从而可使无人脱离与接地线的连接，而设置的固定卡块502可实现同步的张开和夹紧，进而在拆卸接地线时，可提高无人机重新与接地线连接时的容错率，保证在拆卸时会更加的方便。
接地方法包括如下步骤：
步骤S100，通过动作模块将接地线夹固定至无人机上，并由无人机带动接地线起飞；
步骤S200，控制无人机在空中稳定姿态，进入微调操作模式将接地线夹安装到高压输电线路上；
步骤S300，通过动作模块使无人机脱离与接地线夹的连接，飞回地面完成安装。
根据步骤S200，所述微调操作模式由PID控制器控制，且所述PID控制器通过无线信号收发器将操作数据反馈至无线遥控器，无线遥控器103不光可以接受无人机所反馈的文字信息，还可接受和存储无人所反馈的图像信息，进而在实际的安装和拆卸接地线时，可进行人为干涉控制，保证其整个过程的安全性，便于记录无人机在执行任务时的工作状态，并且还便于后续对无人机的维护。
根据步骤S300，所述动作模块脱离与接地线夹连接的条件为：视觉检测系统检测到接地线夹处于夹紧高压输电线状态，其识别接地线与无人机安装状态的信息与识别高压输电线路信息的方式相同，即采集图像信息进行均值滤波并利用Canny边缘检测提取外轮廓，用提取的外轮廓信息与系统设定轮廓进行对比，实现对接地线安装状态的检测，可避免在安装未结束时而反生无人机与接地线脱离连接的问题。
以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种基于多旋翼无人机的接地装配系统，其特征在于，包括无人机控制系统(1)、视觉识别系统(2)、测量解算系统(3)、PID控制器(4)和动作模块(5)；
所述无人机控制系统(1)包括用于定位的GPS模块(101)、无线信号收发器(102)和与无线信号收发器(102)相匹配的无线遥控器(103)；
所述视觉识别系统(2)包括至少两个用于检测高压输电线路的摄像机(201)；
通过无线遥控器(103)与无线信号收发器(102)的配合控制无人机飞行至靠近高压输电线的位置，并由视觉识别系统(2)通过摄像机(201)采集图像信息，通过测量解算系统(3)解算通过摄像机(201)所采集到的图像信息，得到无人机位姿信息，通过PID控制器(4)根据位姿信息调整无人机位置，直至无人机达到指定的位置将接地线装设在高压输电线路上，通过视觉识别系统(2)检测接地线安装状态，根据安装状态信息控制动作模块(5)脱离与接地线连接状态。
2.根据权利要求1所述的一种基于多旋翼无人机的接地装配系统，其特征在于，所述测量解算系统(3)的工作流程包括：
对视觉识别系统(2)采集的高压输电线路图像信息进行均值滤波；
根据均值滤波后的图像信息，利用Canny边缘检测进行外轮廓提取；
判断高压输电线路的外轮廓与系统设定的轮廓线是否重合，并通过OI算法对其最小化空间共线性误差迭代得出无人机位姿信息。
3.根据权利要求2所述的一种基于多旋翼无人机的接地装配系统，其特征在于，所述无人机位姿计算公式为：
其中n为特征点的个数。
4.根据权利要求1所述的一种基于多旋翼无人机的接地装配系统，其特征在于，所述ei＝(I-W)(Rp+t)，为目标空间中的线性误差，所述R为相机坐标系的姿态旋转矩阵，t为平移矢量，其中
所述w＝[ui vi 1],i＝1,2,3,4为设定特征点在图像中的坐标值；
所述p＝(xi,yi,zi)T为该特征点在目标坐标系中的坐标。
5.根据权利要求1所述的一种基于多旋翼无人机的接地装配系统，其特征在于，所述视觉识别系统(2)还包括激光位移传感器(202)，且所述激光位移传感器(202)设置在无人机的底部。
6.根据权利要求1所述的一种基于多旋翼无人机的接地装配系统，其特征在于，所述动作模块(5)设置在无人机的底部，且所述动作模块(5)包括圆形结构的固定盘(501)和若干个转动连接在固定盘(501)上的固定卡块(502)，在所述固定盘(501)的中心位置处开设有安装嵌槽(503)，所述安装嵌槽(503)的槽底设置有通过驱动电机驱动的齿轮盘(504)，所述齿轮盘(504)上啮合连接有与固定卡块(502)对应的滑动块(505)，且所述滑动块(505)上转动连接有连接杆(506)，所述连接杆(506)的另一端与固定卡块(502)转动连接。
7.根据权利要求1所述的一种基于多旋翼无人机的接地装配系统，其特征在于，所述固定盘(501)的上方还设置有固定在安装嵌槽(503)开口处的导向盘(507)，且所述导向盘(507)上开设用于对滑动块(505)导向的滑动槽(508)。
8.一种如权利要求1所述的基于多旋翼无人机的接地装配系统的接地方法，其特征在于，接地方法包括如下步骤：
步骤S100，通过动作模块将接地线夹固定至无人机上，并由无人机带动接地线起飞；
步骤S200，控制无人机在空中稳定姿态，进入微调操作模式将接地线夹安装到高压输电线路上；
步骤S300，通过动作模块使无人机脱离与接地线夹的连接，飞回地面完成安装。
9.根据权利要求8所述的接地方法，其特征在于：根据步骤S200，所述微调操作模式由PID控制器控制，且所述PID控制器通过无线信号收发器将操作数据反馈至无线遥控器。
10.根据权利要求8所述的接地方法，其特征在于：根据步骤S300，所述动作模块脱离与接地线夹连接的条件为：视觉检测系统检测到接地线夹处于夹紧高压输电线状态。
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