CN112269393A - 一种基于无人机航拍的电力杆塔模型提取系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于无人机航拍的电力杆塔模型提取系统，其包括：MCU控制器用于驱动三拼相机曝光，以及将曝光点坐标以及曝光时间写入相机拍摄的照片中；后差分装置用于将曝光点坐标及曝光时间发送至MCU控制器；杆塔模型构建模块用于对杆塔及导线照片进行处理，建杆塔及导线的三维模型；无人机按照设定航线飞行，设定航线中：第一航线和第二航线均包含有三条直线段，以及每相邻两条直线段之间的折线段，第一航线的第一折线段与第二航线的第一折线段交叉，形成第一交叉图形，第一航线的第二折线段与第二航线的第二折线段交叉，形成第二交叉图形。本发明提供的系统，可以生成完整杆塔及导线模型，还可提高飞行数据采集效率，降低照片数据处理难度。

Description

一种基于无人机航拍的电力杆塔模型提取系统及方法

技术领域

本发明涉及无人机航测的技术领域，尤其涉及基于无人机航拍的电力杆塔模型提取系统及方法。

背景技术

架空输电线路运行环境复杂多变,容易受到自然和人为因素破坏而导致各种故障,为了保证输电线路的安全可靠运行,电力部门制定了严格的巡视工作规范,对输电线路进行定期的巡视。

目前，对电力杆塔和导线的三维点云重建比较有效的是“S型(蛇形)”飞行方式，但是“S型(蛇形)”飞行方式飞行效率低，数据处理时间长，而且需要使用专用的数据处理软件。

传统的无人机电力巡线方式基本都是搭载单相机或者五拼相机。搭载单相机进行无人机电力巡检，按照传统的“带状”飞行方式，照片的数量及重叠度不够，导致无法生成完整的杆塔模型。

发明内容

本申请实施例通过提供一种基于无人机航拍的电力杆塔模型提取系统及方法，可以生成完整的杆塔模型，还可以提高飞行数据采集效率，降低照片数据处理难度。

本发明提供一种基于无人机航拍的电力杆塔模型提取系统，其

包括：无人机和杆塔模型构建模块，以及设置在所述无人机上的三拼相机、MCU控制器和后差分装置；

所述无人机，用于接收飞行控制指令，并根据所述飞行控制指令按照设定航线飞行；

所述后差分装置，分别与所述三拼相机以及所述MCU控制器通讯连接，用于根据来自所述三拼相机的快门信号，记录所述三拼相机的曝光点坐标及曝光时间，并将所述曝光点坐标及曝光时间发送至所述MCU控制器；

所述MCU控制器，与所述三拼相机通讯连接，用于分别发送三个同步信号至所述三拼相机，以驱动所述三拼相机曝光，且还用于将所述曝光点坐标以及曝光时间写入所述三拼相机所拍摄的照片中；

所述杆塔模型构建模块，与所述三拼相机通讯连接，用于获取所述三拼相机拍摄的杆塔及导线照片，并对所述杆塔及导线照片进行处理，生成点云，通过所述点云构建所述杆塔及导线的三维模型；

其中，所述设定航线包含有第一航线和第二航线，所述第一航线与所述第二航线的飞行方向相反；所述第一航线和所述第二航线均包含有三条直线段，以及每相邻两条直线段之间的折线段，所述第一航线的第一折线段与所述第二航线的第一折线段交叉，形成第一交叉图形，所述第一航线的第二折线段与所述第二航线的第二折线段交叉，形成第二交叉图形，所述第一交叉图形和所述第二交叉图形均分别包围一个杆塔。

优选的，所述三拼相机中，第一相机在所述无人机飞行方向上左倾或右倾第一预设角度，第二相机在所述无人机飞行方向上左倾或右倾所述第一预设角度，且前倾第二预设角度，第三相机在所述无人机飞行方向上左倾或右倾所述第一预设角度，且后倾所述第二预设角度；其中，所述第一预设角度大于等于13度且小于等于17度，所述第二预设角度大于等于43度且小于等于47度。

优选的，所述第一航线与所述第二航线关于杆塔连线对称，所述杆塔连线为所述第一交叉图形所包围的杆塔和所述第二交叉图形所包围的杆塔之间的连线。

优选的，所述第一航线中的三条直线段的方向为沿着所述杆塔的导线方向，且所述第二航线中的三条直线段的方向也为沿着所述杆塔的导线方向。

优选的，所述第一航线的折线段对应的折线角度以及所述第二航线的折线段对应的折线角度的范围均为80度～100度。

优选的，所述第一相机、所述第二相机以及所述第三相机在所述无人机飞行方向上均为左倾设置或者均为右倾设置。

本发明还提供一种基于无人机航拍的电力杆塔模型提取方法，所述方法应用在如上述的系统中；

所述方法包括：

无人机接收飞行控制指令，并根据所述飞行控制指令按照设定航线飞行；

通过MCU控制器分别发送三个同步信号至三拼相机，以驱动所述三拼相机曝光；

通过后差分装置根据来自所述三拼相机的快门信号，记录所述三拼相机的曝光点坐标及曝光时间，且将所述曝光点坐标及曝光时间发送至所述MCU控制器；

通过所述MCU控制器将所述曝光点坐标以及曝光时间写入所述三拼相机所拍摄的照片中；

通过杆塔模型构建模块获取所述三拼相机拍摄的杆塔及导线照片，并对所述杆塔及导线照片进行处理，生成点云，通过所述点云构建所述杆塔及导线的三维模型；

其中，所述设定航线包含有第一航线和第二航线，所述第一航线与所述第二航线的飞行方向相反；所述第一航线和所述第二航线均包含有三条直线段，以及每相邻两条直线段之间的折线段，所述第一航线的第一折线段与所述第二航线的第一折线段交叉，形成第一交叉图形，所述第一航线的第二折线段与所述第二航线的第二折线段交叉，形成第二交叉图形，所述第一交叉图形和所述第二交叉图形均分别包围一个杆塔。

优选的，所述第一航线与所述第二航线关于杆塔连线对称，所述杆塔连线为所述第一交叉图形所包围的杆塔和所述第二交叉图形所包围的杆塔之间的连线。

优选的，所述第一航线的折线段对应的折线角度以及所述第二航线的折线段对应的折线角度的范围均为80度～100度。

优选的，所述第一航线中的三条直线段的方向为沿着所述杆塔的导线方向，且所述第二航线中的三条直线段的方向也为沿着所述杆塔的导线方向。

本发明提供的系统及方法，具有如下有益效果：通过一种搭载三拼相机的无人机，进行航测拍摄电力杆塔及导线的图像，通过三拼相机拍照，避免了像五拼相机那样采集大量与杆塔线路无关的照片，进而避免了数据处理难度大，也降低了照片数据处理时间以及运营成本，也避免了单相机拍摄照片数量及重叠度不够的问题。而且，控制无人机按照本发明提供的设定航线飞行，相对于传统的“S型(蛇形)”飞行方式而言，飞行拍摄的有效照片数量更多，因而能够通过拍摄的有效照片生成完整的杆塔及导线模型，无人机飞行效率更高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的基于无人机航拍的电力杆塔模型提取系统的原理框图；

图2是本发明提供的无人机飞行航线示意图；

图3是本发明提供的现有技术中“带状”飞行航线示意图；

图4是本发明提供的现有技术中“S型(蛇形)”飞行航线示意图。

具体实施方式

为了使本申请所属技术领域中的技术人员更清楚地理解本申请，下面结合附图，通过具体实施例对本申请技术方案作详细描述。

本发明提供一种基于无人机航拍的电力杆塔模型提取系统，如图1所示，其包括：杆塔模型构建模块4和无人机(图中未示出)，以及设置在无人机上的三拼相机1、MCU控制器2和后差分装置3、杆塔模型构建模块4。具体的，三拼相机1设置在无人机云台上，后差分装置3设置在无人机机身上。三拼相机1即包含有三个相机。后差分装置3也即是采用后差分定位技术(PPK)的装置，后差分定位技术也即是利用载波相位进行事后差分的GPS定位技术。

无人机用于接收飞行控制指令，并根据飞行控制指令按照设定航线飞行。

后差分装置3分别与三拼相机1以及MCU(Microcontroller Unit，微控制单元)控制器2通讯连接，后差分装置3用于根据来自三拼相机1的快门信号，记录三拼相机1的曝光点坐标及曝光时间，并将曝光点坐标及曝光时间发送至MCU控制器2。

将后差分装置3与三拼相机1连接起来，保证每台相机的数量与移动差分数据保持一致，可以通过给定飞行方式进行电力线路巡检，采集完整的照片信息。

MCU控制器2与三拼相机1通讯连接，用于分别发送三个同步信号至三拼相机1，以驱动三拼相机1曝光，且将曝光点坐标以及曝光时间写入三拼相机1所拍摄的照片中。

杆塔模型构建模块4与三拼相机1通讯连接，用于获取三拼相机1拍摄的杆塔及导线照片，并对杆塔及导线照片进行处理，生成点云，通过点云构建杆塔及导线的三维模型。杆塔模型构建模块4可以是装载有PIX4D软件的电脑端，用PIX4D软件处理采集的照片信息，最终得到高精度三维杆塔模型。

其中，如图2所示，设定航线包含有第一航线和第二航线，第一航线与第二航线的飞行方向相反；第一航线和第二航线均包含有三条直线段，以及每相邻两条直线段之间的折线段，第一航线的第一折线段与第二航线的第一折线段交叉，形成第一交叉图形，第一航线的第二折线段与第二航线的第二折线段交叉，形成第二交叉图形，第一交叉图形和第二交叉图形均分别包围一个杆塔。

三拼相机1中第一相机11在无人机飞行方向上左倾(相机拍摄方向面向无人机飞行方向并向左倾斜)或右倾(相机拍摄方向面向无人机飞行方向并向右倾斜)第一预设角度，且没有前倾(相机拍摄方向面向无人机飞行方向并向前倾斜)和后倾(相机拍摄方向面向无人机飞行方向并向后倾斜)，第二相机12在无人机飞行方向上左倾或右倾第一预设角度，且前倾第二预设角度，第三相机13在无人机飞行方向上左倾或右倾第一预设角度，且后倾第二预设角度。

其中，第一预设角度大于等于13度且小于等于17度，可以是15度，第二预设角度大于等于43度且小于等于47度，可以是45度。左倾或者右倾的第一预设角度大于等于13度且小于等于17度，保证旁向重叠度在70％-90％，前倾或者后倾的第二预设角度大于等于43度且小于等于47度，保证航向重叠度在65％-85％。第一预设角度为15度时，对应的旁向重叠度为87.58％，第二预设角度为45度时，对应的航向重叠度为79.78％，以便满足航测成图的需要。

在一实施例中，第一相机11、第二相机12以及第三相机13在无人机飞行方向上均为左倾设置，在另一实施例中，第一相机11、第二相机12以及第三相机13在无人机飞行方向上均为右倾设置。

由于第一相机11、第二相机12以及第三相机13的快门本身性能不一致，以及被使用磨损时间不一样，导致快门曝光迟滞不同步，因而MCU控制器2分别把三个相机的快门(热靴)信号反馈给后差分装置3进行曝光点坐标和时间记录。

第一航线与第二航线关于杆塔连线对称，杆塔连线为第一交叉图形所包围的杆塔和第二交叉图形所包围的杆塔之间的连线。

第一航线中的三条直线段的方向为沿着杆塔的导线方向，且第二航线中的三条直线段的方向也为沿着杆塔的导线方向

第一航线的折线段对应的折线角度以及第二航线的折线段对应的折线角度的范围均为80度～100度，折线角度可以是90度。

基于无人机航拍的电力杆塔模型提取系统还包括：杆塔模型构建模块(图中未示出)。

本发明提供的方案中，利用后差分装置3提高照片位置精度、采集输电线路杆塔和导线的可见光图像信息，利用PIX4D软件生成高精度点云，实现电力杆塔及导线的三维重建。

在一实施例中，无人机按照本发明提供的设定航线飞行，该设定航线可以称为“菱形”航线，如图2所示，航宽为L，塔与塔间距为S，无人机在左侧飞行靠近杆塔时，45°转弯绕塔飞行，进入右侧航线，然后再90°转弯绕塔飞行，返回左侧航线，同理，无人机在右侧航线飞行时，靠近杆塔时绕塔飞行，在“菱形”航线上飞行，可通过HZH航迹规划软件实现。

“菱形”航线飞行方式，两塔之间航线长度为H1，其计算公式为：

“菱形”航线飞行方式，每杆塔拍摄有效航线长度为X1，其计算公式为：

传统“带状”航线飞行方式(即来回往返式飞行方式)，如图3所示，每杆塔拍摄有效航线长度为X2，其计算公式为：

X2＝4L；

“S型(蛇形)”航线飞行方式，如图4所示，带宽为M，两塔之间航线长度为H2，其计算公式为：

H2＝([S/M]+1-[[S/M]/(S/M)])L+2S，说明：[S/M]即为取整。

按照经验值，S＝300米，L＝40米，M＝30米，此时：

“菱形”航线飞行方式，两塔之间航线长度为H1＝892.5米；

“菱形”航线飞行方式，每杆塔拍摄有效航线长度为X1＝226.2米；

传统“带状”飞行方式，每杆塔拍摄有效航线长度为X2＝120米；

“S型(蛇形)”航线飞行方式，带宽为M，两塔之间航线长度为H2＝1040米。

经比较，“菱形”航线飞行方式相对于传统“带状”航线飞行方式，每杆塔拍摄有效航线长度提升了88.5％，加上“菱形”航线飞行方式采用三拼相机1飞行拍摄，每杆塔拍摄的有效照片数量增加了265.5％。

经比较，“菱形”航线飞行方式相对于“S型(蛇形)”飞行方式，在塔与塔间距S＝300米，是飞行效率提高了：(H2-H1)/H2*100＝14.2％。

本发明还提供一种基于无人机航拍的电力杆塔模型提取方法，其应用于上述的电力杆塔模型提取系统中，该方法包括：

无人机接收飞行控制指令，并根据飞行控制指令按照设定航线飞行；飞行控制指令可以是手机终端APP发送的；

通过MCU控制器2分别发送三个同步信号至三拼相机1，以驱动三拼相机1曝光；

通过后差分装置3根据来自三拼相机1的快门信号，记录三拼相机1的曝光点坐标及曝光时间，且将曝光点坐标及曝光时间发送至MCU控制器2；

通过MCU控制器2将曝光点坐标以及曝光时间写入三拼相机1所拍摄的照片中；

通过杆塔模型构建模块4获取三拼相机1拍摄的杆塔及导线照片，并对杆塔及导线照片进行处理，生成点云，通过点云构建杆塔及导线的三维模型。杆塔模型构建模块4获取的杆塔及导线照片中包含有曝光点坐标以及曝光时间。

其中，设定航线包含有第一航线和第二航线，第一航线与第二航线的飞行方向相反；第一航线和第二航线均包含有三条直线段，以及每相邻两条直线段之间的折线段，第一航线的第一折线段与第二航线的第一折线段交叉，形成第一交叉图形，第一航线的第二折线段与第二航线的第二折线段交叉，形成第二交叉图形，第一交叉图形和第二交叉图形均分别包围一个杆塔。

第一航线与第二航线关于杆塔连线对称，杆塔连线为第一交叉图形所包围的杆塔和第二交叉图形所包围的杆塔之间的连线。

第一航线中的三条直线段的方向为沿着杆塔的导线方向，且第二航线中的三条直线段的方向也为沿着杆塔的导线方向

第一航线的折线段对应的折线角度以及第二航线的折线段对应的折线角度的范围均为80度～100度，折线角度可以是90度。

三拼相机1中第一相机11在无人机飞行方向上左倾(相机拍摄方向面向无人机飞行方向并向左倾斜)或右倾(相机拍摄方向面向无人机飞行方向并向右倾斜)第一预设角度，且没有前倾(相机拍摄方向面向无人机飞行方向并向前倾斜)和后倾(相机拍摄方向面向无人机飞行方向并向后倾斜)，第二相机12在无人机飞行方向上左倾或右倾第一预设角度，且前倾第二预设角度，第三相机13在无人机飞行方向上左倾或右倾第一预设角度，且后倾第二预设角度。

其中，第一预设角度大于等于13度且小于等于17度，可以是15度，第二预设角度大于等于43度且小于等于47度，可以是45度。左倾或者右倾的第一预设角度大于等于13度且小于等于17度，保证旁向重叠度在70％-90％，前倾或者后倾的第二预设角度大于等于43度且小于等于47度，保证航向重叠度在65％-85％。第一预设角度为15度时，对应的旁向重叠度为87.58％，第二预设角度为45度时，对应的航向重叠度为79.78％，以便满足航测成图的需要。

综上所述，本发明提供的系统及方法，通过一种搭载三拼相机1的无人机，进行航测拍摄电力杆塔及导线的图像，通过三拼相机1拍照，避免了像五拼相机那样采集大量与杆塔线路无关的照片，进而避免了数据处理难度大，也降低了照片数据处理时间以及运营成本，也避免了单相机拍摄照片数量及重叠度不够的问题。而且，控制无人机按照本发明提供的设定航线飞行，相对于传统的“S型(蛇形)”飞行方式而言，飞行拍摄的有效照片数量更多，因而能够通过拍摄的有效照片生成完整的杆塔及导线模型，无人机飞行效率更高。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种基于无人机航拍的电力杆塔模型提取系统，其特征在于，包括：无人机和杆塔模型构建模块，以及设置在所述无人机上的三拼相机、MCU控制器和后差分装置；

所述无人机，用于接收飞行控制指令，并根据所述飞行控制指令按照设定航线飞行；

所述后差分装置，分别与所述三拼相机以及所述MCU控制器通讯连接，用于根据来自所述三拼相机的快门信号，记录所述三拼相机的曝光点坐标及曝光时间，并将所述曝光点坐标及曝光时间发送至所述MCU控制器；

所述MCU控制器，与所述三拼相机通讯连接，用于分别发送三个同步信号至所述三拼相机，以驱动所述三拼相机曝光，且还用于将所述曝光点坐标以及曝光时间写入所述三拼相机所拍摄的照片中；

所述杆塔模型构建模块，与所述三拼相机通讯连接，用于获取所述三拼相机拍摄的杆塔及导线照片，并对所述杆塔及导线照片进行处理，生成点云，通过所述点云构建所述杆塔及导线的三维模型；

其中，所述设定航线包含有第一航线和第二航线，所述第一航线与所述第二航线的飞行方向相反；所述第一航线和所述第二航线均包含有三条直线段，以及每相邻两条直线段之间的折线段，所述第一航线的第一折线段与所述第二航线的第一折线段交叉，形成第一交叉图形，所述第一航线的第二折线段与所述第二航线的第二折线段交叉，形成第二交叉图形，所述第一交叉图形和所述第二交叉图形均分别包围一个杆塔。

2.根据权利要求1所述的基于无人机航拍的电力杆塔模型提取系统，其特征在于，

所述三拼相机中，第一相机在所述无人机飞行方向上左倾或右倾第一预设角度，第二相机在所述无人机飞行方向上左倾或右倾所述第一预设角度，且前倾第二预设角度，第三相机在所述无人机飞行方向上左倾或右倾所述第一预设角度，且后倾所述第二预设角度；其中，所述第一预设角度大于等于13度且小于等于17度，所述第二预设角度大于等于43度且小于等于47度。

3.根据权利要求1所述的基于无人机航拍的电力杆塔模型提取系统，其特征在于，所述第一航线与所述第二航线关于杆塔连线对称，所述杆塔连线为所述第一交叉图形所包围的杆塔和所述第二交叉图形所包围的杆塔之间的连线。

4.根据权利要求1所述的基于无人机航拍的电力杆塔模型提取系统，其特征在于，所述第一航线中的三条直线段的方向为沿着所述杆塔的导线方向，且所述第二航线中的三条直线段的方向也为沿着所述杆塔的导线方向。

5.根据权利要求1所述的基于无人机航拍的电力杆塔模型提取系统，其特征在于，所述第一航线的折线段对应的折线角度以及所述第二航线的折线段对应的折线角度的范围均为80度～100度。

6.根据权利要求2所述的基于无人机航拍的电力杆塔模型提取系统，其特征在于，所述第一相机、所述第二相机以及所述第三相机在所述无人机飞行方向上均为左倾设置或者均为右倾设置。

7.一种基于无人机航拍的电力杆塔模型提取方法，其特征在于，所述方法应用在如上述权利要求1-6任一权项的系统中；

所述方法包括：

无人机接收飞行控制指令，并根据所述飞行控制指令按照设定航线飞行；

通过MCU控制器分别发送三个同步信号至三拼相机，以驱动所述三拼相机曝光；

通过后差分装置根据来自所述三拼相机的快门信号，记录所述三拼相机的曝光点坐标及曝光时间，且将所述曝光点坐标及曝光时间发送至所述MCU控制器；

通过所述MCU控制器将所述曝光点坐标以及曝光时间写入所述三拼相机所拍摄的照片中；

通过杆塔模型构建模块获取所述三拼相机拍摄的杆塔及导线照片，并对所述杆塔及导线照片进行处理，生成点云，通过所述点云构建所述杆塔及导线的三维模型；

其中，所述设定航线包含有第一航线和第二航线，所述第一航线与所述第二航线的飞行方向相反；所述第一航线和所述第二航线均包含有三条直线段，以及每相邻两条直线段之间的折线段，所述第一航线的第一折线段与所述第二航线的第一折线段交叉，形成第一交叉图形，所述第一航线的第二折线段与所述第二航线的第二折线段交叉，形成第二交叉图形，所述第一交叉图形和所述第二交叉图形均分别包围一个杆塔。

8.根据权利要求7所述的基于无人机航拍的电力杆塔模型提取方法，其特征在于，所述第一航线与所述第二航线关于杆塔连线对称，所述杆塔连线为所述第一交叉图形所包围的杆塔和所述第二交叉图形所包围的杆塔之间的连线。

9.根据权利要求7所述的基于无人机航拍的电力杆塔模型提取方法，其特征在于，所述第一航线的折线段对应的折线角度以及所述第二航线的折线段对应的折线角度的范围均为80度～100度。

10.根据权利要求7所述的基于无人机航拍的电力杆塔模型提取方法，其特征在于，所述第一航线中的三条直线段的方向为沿着所述杆塔的导线方向，且所述第二航线中的三条直线段的方向也为沿着所述杆塔的导线方向。

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