CN112269398B - 一种变电站无人机自主巡检系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种变电站无人机自主巡检系统，包括图像分析模块、无人机和设于变电站内的地标；所述地标设于无人机的巡检路线的巡检航拍点的俯视向位置处，地标绘有无人机可辩识的姿态信息；当无人机沿巡检路线对变电站巡检时，根据地标处的姿态信息把无人机的飞行工况调整为航拍工况，以航拍工况拍摄变电站航拍照片并回传给图像分析模块；所述图像分析模块通过比对无人机在不同时间点拍摄的变电站航拍照片，来评估变电站是否存在异常信息；本发明可实现无人机自主巡航、着陆、自主充电，无需人力干预，且拍摄的图像可自动进行批量图像比对。
Description
技术领域
本发明涉及无人机定位导航技术领域，尤其是一种变电站无人机自主巡检系统。
背景技术
传统的变电站人工巡检，运维人员全面巡视一遍，4个人至少需要4个小时，甚至需要人员爬上杆塔进行线路和电气设备的检查，不仅耗时、耗力、存在危险、成本高。而且变电站广泛分布于偏远地区，面对如此大的工作量，人工巡线周期过长，代价太大，显然不切实际。因此，利用无人机代替人力进行变电站的自主智能巡检已经渐渐成为一个必然的发展方向。
现有技术下，无人机巡检需要人工判别大量航拍图像，且成本高，没有开展自主巡检、充电等环节，仍需大量人力干预。本提案提出变电站无人机自主巡检方法，可实现无人机自主巡航、着陆、自主充电，无需人力干预，且拍摄的图像可自动进行批量图像比对，找出变电站内漂浮物或故障，无需人眼查找故障，实现无人机“一键式”进行无人机航电规划、空间定位、数据采集、图像识别等全过程自主作业。
发明内容
本发明提出一种变电站无人机自主巡检系统，可实现无人机自主巡航、着陆、自主充电，无需人力干预，且拍摄的图像可自动进行批量图像比对。
本发明采用以下技术方案。
一种变电站无人机自主巡检系统，所述巡检系统包括图像分析模块、无人机（1）和设于变电站内的地标（5）；所述地标设于无人机的巡检路线的巡检航拍点的俯视向位置处，地标绘有无人机可辩识的姿态信息；当无人机沿巡检路线对变电站巡检时，根据地标处的姿态信息把无人机的飞行工况调整为航拍工况，以航拍工况拍摄变电站航拍照片并回传给图像分析模块（10）；所述图像分析模块通过比对无人机在不同时间点拍摄的变电站航拍照片，来评估变电站是否存在异常信息。
所述无人机包括飞控模块、摄像设备和超声波测距设备；所述地标设于变电站的地面上；当无人机沿巡检路线对变电站巡检时，在地标上方悬停并通过无人机自带的摄像设备对地标信息进行识读。
所述无人机摄像设备的航拍方向朝向下方；所述地标包括同心圆与等腰三角形结合形成的可被无人机辩识的图案；当无人机对地标信息进行识读时，同心圆圆心识读为地标中心点，等腰三角形底边中心指向顶点的向量为该处地标指定的无人机航拍工况朝向及该处地标指定的无人机航向。
当无人机对地标信息进行识读时，对地标的图像进行预处理，提取图像边缘轮廓，进行椭圆拟合，当无人机摄像设备采集图像中存在同心圆则可判断识别出地标目标，并计算同心圆标识中心点；将地标的图案内圆设置为感兴趣区域，只对感兴趣区域内图像进行处理，通过Harris角点检测提取三角形三个角点，计算地标信息中的无人机航拍工况朝向的方向角，为无人机提供用于飞行工况调整的位置和方向信息。
所述巡检系统的巡检方法包括以下步骤；
步骤一、当无人机收到巡检信号时，首先通过GPS规划无人机巡检路线；
步骤二、当无人机的飞控模块经摄像设备识别出变电站地面的地标后，飞控模块控制无人机在地标上空保持水平悬停，并通过超声波测矩设备测量出无人机相对与地面的高度，飞控模块控制无人机飞行使之与地面的相对高度保持为阈值；
步骤三、无人机开启图像识别对地标信息进行识读，计算出地标中心，控制无人机往悬停地标方向做水平方向的平移，当地标中心与摄像机平面中心重合时，调整无人机方向，以地标中的等腰三角形底边中心指向顶点为无人机调整后的飞行朝向，顶点与同心圆圆心重合，当无人机机头方向与地标信息的规定方向一致时，无人机在阈值高度拍摄变电站该地标处的俯视图像，然后按该处地标指定的无人机航向，继续飞行到下一个地标处进行巡检航拍。
所述图像分析模块收到无人机航拍的变电站俯视图后，以无人机在同一拍摄地点处相邻间隔时间拍摄的两张原始航拍图像进行比对以评估变电站异常，其比对方法包括以下步骤；
步骤A1、通过光照补偿排除图像因光照强度不同带来的干扰，具体将图像装换为RGB三个独立通道，并通过直方图均衡化函数均衡像素的强度值，以减小不同时刻光照强度差异为图像比对造成的影响；
步骤A2、将步骤A1处理后的图像归一化，转化为相同尺寸，并进行灰度化，将两张灰度图进行图像减运算，运算后图像便只保留两图差异的部分，进一步将运算后图像二值化，突出差异的部分；
步骤A3、最后对二值化图像进行中值滤波和开运算，所述中值滤波用于降低图像的噪点，所述开运算通过对图像先腐蚀后膨胀的过程来消除图像中的小物体，并且使在平滑图像中较大物体边界时同时不明显改变其面积，以滤除变电站内小树叶、干草带来的干扰；
步骤A4、在开运算后的两幅图像中找出两图差异的边界，并将边界在两张原始图像相同位置绘出，便可比对出两幅无人机航拍图的差异之处。
所述图像分析模块针对两幅无人机航拍图的差异之处进行变电站巡检评估，当评估结果是存在变电站异常时，图像分析模块把评估结果上传至数据中心并发出告警。
所述无人机可在停机坪（9）处进行着陆及充电；所述停机坪处设有着陆标识（7）、防护罩（8）、充电模块和环境监测模块；所述环境监测模块以内置的传感器对停机坪处的温度、湿度、风速进行监测；当无人机遍历所有的巡检航拍点并完成航拍后，以GPS引导自主返航并飞至停机坪上方，对着陆标识进行识读以使无人机以所需姿态和所需落点完成返航降落。
所述着陆标识也包括包括同心圆与等腰三角形结合形成的可被无人机辩识及识读的图案；无人机在返航降落时，以对地标信息进行识读相同的方法来识读停机秤的着陆标识；
所述着陆标识表面设置多个半球形凹槽，当无人机返航降落后，无人机起落架置于着陆标识的凹槽内，所述凹槽底部设有接入UPS电源可为无人机供电的充电点（11），所述UPS可保障充电点的电源不间断和稳定性；
所述着陆标识中，三角形内的半球形凹槽底部为充电点正极，三角形外的凹槽底部为充电点负极；所述充电点通过无人机的前起落架下端引线将正极电能传输至无人机电池，并通过无人机的后起落架引线，将电能传输回负极，对无人机进行自主充电。
所述防护罩为与环境监测模块相连的半球形防护罩；当环境监测模块监测到停机坪处环境存在高温、下雨及大风气象时，所述防护罩关闭。
本发明可实现无人机自主巡航、着陆、自主充电，无需人力干预，且拍摄的图像可自动进行批量图像比对，找出变电站内漂浮物或故障，无需人眼查找故障，实现无人机“一键式”进行无人机航电规划、空间定位、数据采集、图像识别等全过程自主作业。
本发明所述方案中的地标可为无人机提供坐标和方向，保障无人机每次巡检时都能悬停在相同位置，以相同朝向的无人机姿态进行拍摄，有助于提高图像比对的准确性。
本发明的停机坪可辅助无人机自主降落，着陆标志上设置凹槽可通过无人机起落架引线为无人机电池充电，便于使用和操作。
本发明停机坪有温湿度和风速监测传感器，当检测到周围环境温度高、下雨以及刮风等天气，将自动启动球型防护罩将无人机罩住，可有效防止无人机损坏，延长设备使用期限。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：
附图1是本发明的示意图；
附图2是本发明的系统原理示意图；
附图3是本发明的巡检流程示意图；
附图4是本发明的停机坪的示意图；
图中：1-无人机；2-门架；3-架空线路；4-变电站过道；5-地标；7-着陆标识；8-防护罩；9-停机坪；10-图像分析模块；11-充电点。
具体实施方式
如图所示，一种变电站无人机自主巡检系统，所述巡检系统包括图像分析模块10、无人机1和设于变电站内的地标5；所述地标设于无人机的巡检路线的巡检航拍点的俯视向位置处，地标绘有无人机可辩识的姿态信息；当无人机沿巡检路线对变电站巡检时，根据地标处的姿态信息把无人机的飞行工况调整为航拍工况，以航拍工况拍摄变电站航拍照片并回传给图像分析模块10；所述图像分析模块通过比对无人机在不同时间点拍摄的变电站航拍照片，来评估变电站是否存在异常信息。
所述无人机包括飞控模块、摄像设备和超声波测距设备；所述地标设于变电站的地面上；当无人机沿巡检路线对变电站巡检时，在地标上方悬停并通过无人机自带的摄像设备对地标信息进行识读。
所述无人机摄像设备的航拍方向朝向下方；所述地标包括同心圆与等腰三角形结合形成的可被无人机辩识的图案；当无人机对地标信息进行识读时，同心圆圆心识读为地标中心点，等腰三角形底边中心指向顶点的向量为该处地标指定的无人机航拍工况朝向及该处地标指定的无人机航向。
当无人机对地标信息进行识读时，对地标的图像进行预处理，提取图像边缘轮廓，进行椭圆拟合，当无人机摄像设备采集图像中存在同心圆则可判断识别出地标目标，并计算同心圆标识中心点；将地标的图案内圆设置为感兴趣区域，只对感兴趣区域内图像进行处理，通过Harris角点检测提取三角形三个角点，计算地标信息中的无人机航拍工况朝向的方向角，为无人机提供用于飞行工况调整的位置和方向信息。
所述巡检系统的巡检方法包括以下步骤；
步骤一、当无人机收到巡检信号时，首先通过GPS规划无人机巡检路线；
步骤二、当无人机的飞控模块经摄像设备识别出变电站地面的地标后，飞控模块控制无人机在地标上空保持水平悬停，并通过超声波测矩设备测量出无人机相对与地面的高度，飞控模块控制无人机飞行使之与地面的相对高度保持为阈值；
步骤三、无人机开启图像识别对地标信息进行识读，计算出地标中心，控制无人机往悬停地标方向做水平方向的平移，当地标中心与摄像机平面中心重合时，调整无人机方向，以地标中的等腰三角形底边中心指向顶点为无人机调整后的飞行朝向，顶点与同心圆圆心重合，当无人机机头方向与地标信息的规定方向一致时，无人机在阈值高度拍摄变电站该地标处的俯视图像，然后按该处地标指定的无人机航向，继续飞行到下一个地标处进行巡检航拍。
所述图像分析模块收到无人机航拍的变电站俯视图后，以无人机在同一拍摄地点处相邻间隔时间拍摄的两张原始航拍图像进行比对以评估变电站异常，其比对方法包括以下步骤；
步骤A1、通过光照补偿排除图像因光照强度不同带来的干扰，具体将图像装换为RGB三个独立通道，并通过直方图均衡化函数均衡像素的强度值，以减小不同时刻光照强度差异为图像比对造成的影响；
步骤A2、将步骤A1处理后的图像归一化，转化为相同尺寸，并进行灰度化，将两张灰度图进行图像减运算，运算后图像便只保留两图差异的部分，进一步将运算后图像二值化，突出差异的部分；
步骤A3、最后对二值化图像进行中值滤波和开运算，所述中值滤波用于降低图像的噪点，所述开运算通过对图像先腐蚀后膨胀的过程来消除图像中的小物体，并且使在平滑图像中较大物体边界时同时不明显改变其面积，以滤除变电站内小树叶、干草带来的干扰；
步骤A4、在开运算后的两幅图像中找出两图差异的边界，并将边界在两张原始图像相同位置绘出，便可比对出两幅无人机航拍图的差异之处。
所述图像分析模块针对两幅无人机航拍图的差异之处进行变电站巡检评估，当评估结果是存在变电站异常时，图像分析模块把评估结果上传至数据中心并发出告警。
所述无人机可在停机坪9处进行着陆及充电；所述停机坪处设有着陆标识7、防护罩8、充电模块和环境监测模块；所述环境监测模块以内置的传感器对停机坪处的温度、湿度、风速进行监测；当无人机遍历所有的巡检航拍点并完成航拍后，以GPS引导自主返航并飞至停机坪上方，对着陆标识进行识读以使无人机以所需姿态和所需落点完成返航降落。
所述着陆标识也包括包括同心圆与等腰三角形结合形成的可被无人机辩识及识读的图案；无人机在返航降落时，以对地标信息进行识读相同的方法来识读停机秤的着陆标识；
所述着陆标识表面设置多个半球形凹槽，当无人机返航降落后，无人机起落架置于着陆标识的凹槽内，所述凹槽底部设有接入UPS电源可为无人机供电的充电点11，所述UPS可保障充电点的电源不间断和稳定性；
所述着陆标识中，三角形内的半球形凹槽底部为充电点正极，三角形外的凹槽底部为充电点负极；所述充电点通过无人机的前起落架下端引线将正极电能传输至无人机电池，并通过无人机的后起落架引线，将电能传输回负极，对无人机进行自主充电。
所述防护罩为与环境监测模块相连的半球形防护罩；当环境监测模块监测到停机坪处环境存在高温、下雨及大风气象时，所述防护罩关闭。
实施例1：
本例中的无人机巡检对象为变电站内的门架2以及站内架空线路3，变电站过道4地面处设置地标。
为保障无人机在巡检时能悬停在特定的水平位置，需在变电站过道4每隔一定距离绘制无人机悬停地标5，无人机根据搭载摄像机中心点与悬停地标中心点像素差调节水平位置，直至两处中心点重合，保障每次飞行都能悬停在相同位置。
巡检无人机搭载摄像头、超声波、GPS等部件，摄像头用于图像采集，超声波测距模块用于无人机飞行高度的测量，使其能悬停在变电站特定位置进行拍照，GPS可为无人机飞行规划路线和航点，无人机内部设有图像处理模块，用于识别地标中心点和方向并利用飞行控制模块控制无人机完成导航、悬停、自主降落等飞行命令。
巡检时，由站内调度中心发送指令给无人机，每间隔一段时间发送一次巡检指令，由GPS规划航点，使无人机在变电站过道处地标限定的巡检点上方悬停。
悬停时的具体作业流程，是通过超声波控制无人机悬停在变电站线路上方某特定高度的高度，当超声波测量出的高度等于特定高度的设定值，开启图像识别，计算出悬停地标中心，控制无人机往悬停地标方向做水平方向的平移，当悬停地标中心与摄像机平面中心重合时，调整无人机方向，其中悬停地标中的等腰三角形底边中心指向顶点为规定的方向，顶点与同心圆圆心重合，当无人机方向与规定方向一致时，拍摄一张线路的俯视图后，继续到下一个悬停地标进行拍摄。当所有点图片都拍摄完成，将图片通过图传上传至站内调度中心
本例中，通过超声波测距和图像识别，精确调整无人机高度和水平位置，使其每次都能悬停在同一高度同一位置进行拍摄，并将图像自动上传至远端调度中心的图像分析模块进行图像比对，以找出同一位置每两次间隔拍照图像差异，若两次间隔图像存在较大差异，将异常图像和告警信号发送至数据中心进行进一步判别，以评估巡检变电站的运行情况，若空中漂浮物滞留在线路或母线上便能够及时发现，减少变电站线路故障的发生。
实施例2：
由于无人机巡航能力有限，一次充电难以维持多次巡检任务，为减少人力干预，提高续航能力，对无人机停机坪进行自主返航充电设计，为实现无人机定点带方向着陆，也需设计着陆标识辅助无人机降落至特定点进行自主充电。因此根据无人机飞行着陆特点将悬停地标与着陆标识设计为同心圆与等腰三角形的结合体。
如图1和图4所示，停机坪9主要包括环境监测模块（温度、湿度、风速）、着陆标识7、防护罩8和充电点（充电模块）11。
当无人机完成一次巡检任务时，即所有巡检点图像拍摄完毕，开启自主返航，通过GPS引导无人机飞行至停机坪上方，进行着陆地标的中心点和方向识别，并最终带方向定点降落至停机坪着陆地标7上。
着陆标识7表面设置4个半球形凹槽，即可辅助无人机起落架陷落于凹槽内，凹槽底部接入站里UPS电源作为电源为无人机供电，可保障电源不间断和稳定性。
三角形内的凹槽（图4中b处）为充电模块11正极，三角形外的凹槽（图4中a处）为充电模块11负极，通过前起落架下端引线将正极电能传输至无人机电池，并通过后起落架引线，将电能传输回负极，实现自主充电。
环境监测模块为停机坪周围设置温湿度传感器、风力感应器，当检测到周围环境温度高、下雨以及刮风等天气，将自动启动球型防护罩8将无人机罩住，当外界环境良好时，重新打开防护罩，如图4所示，防止无人机受外在环境影响发生故障。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容,依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (7)
1.一种变电站无人机自主巡检系统，其特征在于：所述巡检系统包括图像分析模块、无人机（1）和设于变电站内的地标（5）；所述地标设于无人机的巡检路线的巡检航拍点的俯视向位置处，地标绘有无人机可辩识的姿态信息；当无人机沿巡检路线对变电站巡检时，根据地标处的姿态信息把无人机的飞行工况调整为航拍工况，以航拍工况拍摄变电站航拍照片并回传给图像分析模块；所述图像分析模块通过比对无人机在不同时间点拍摄的变电站航拍照片，来评估变电站是否存在异常信息；
所述无人机包括飞控模块、摄像设备和超声波测距设备；所述地标设于变电站的地面上；当无人机沿巡检路线对变电站巡检时，在地标上方悬停并通过无人机自带的摄像设备对地标信息进行识读；
所述无人机摄像设备的航拍方向朝向下方；所述地标包括同心圆与等腰三角形结合形成的可被无人机辩识的图案；当无人机对地标信息进行识读时，同心圆圆心识读为地标中心点，等腰三角形底边中心指向顶点的向量为该处地标指定的无人机航拍工况朝向及该处地标指定的无人机航向；
所述巡检系统的巡检方法包括以下步骤；
步骤一、当无人机收到巡检信号时，首先通过GPS规划无人机巡检路线；
步骤二、当无人机的飞控模块经摄像设备识别出变电站地面的地标后，飞控模块控制无人机在地标上空保持水平悬停，并通过超声波测矩设备测量出无人机相对与地面的高度，飞控模块控制无人机飞行使之与地面的相对高度保持为阈值；
步骤三、无人机开启图像识别对地标信息进行识读，计算出地标中心，控制无人机往悬停地标方向做水平方向的平移，当地标中心与摄像机平面中心重合时，调整无人机方向，以地标中的等腰三角形底边中心指向顶点为无人机调整后的飞行朝向，顶点与同心圆圆心重合，当无人机机头方向与地标信息的规定方向一致时，无人机在阈值高度拍摄变电站该地标处的俯视图像，然后按该处地标指定的无人机航向，继续飞行到下一个地标处进行巡检航拍。
2.根据权利要求1所述的一种变电站无人机自主巡检系统，其特征在于：当无人机对地标信息进行识读时，对地标的图像进行预处理，提取图像边缘轮廓，进行椭圆拟合，当无人机摄像设备采集图像中存在同心圆则可判断识别出地标目标，并计算同心圆标识中心点；将地标的图案内圆设置为感兴趣区域，只对感兴趣区域内图像进行处理，通过Harris角点检测提取三角形三个角点，计算地标信息中的无人机航拍工况朝向的方向角，为无人机提供用于飞行工况调整的位置和方向信息。
3.根据权利要求1所述的一种变电站无人机自主巡检系统，其特征在于：所述图像分析模块收到无人机航拍的变电站俯视图后，以无人机在同一拍摄地点处相邻间隔时间拍摄的两张原始航拍图像进行比对以评估变电站异常，其比对方法包括以下步骤；
步骤A1、通过光照补偿排除图像因光照强度不同带来的干扰，具体将图像装换为RGB三个独立通道，并通过直方图均衡化函数均衡像素的强度值，以减小不同时刻光照强度差异为图像比对造成的影响；
步骤A2、将步骤A1处理后的图像归一化，转化为相同尺寸，并进行灰度化，将两张灰度图进行图像减运算，运算后图像便只保留两图差异的部分，进一步将运算后图像二值化，突出差异的部分；
步骤A3、最后对二值化图像进行中值滤波和开运算，所述中值滤波用于降低图像的噪点，所述开运算通过对图像先腐蚀后膨胀的过程来消除图像中的小物体，并且使在平滑图像中较大物体边界时同时不明显改变其面积，以滤除变电站内小树叶、干草带来的干扰；
步骤A4、在开运算后的两幅图像中找出两图差异的边界，并将边界在两张原始图像相同位置绘出，便可比对出两幅无人机航拍图的差异之处。
4.根据权利要求3所述的一种变电站无人机自主巡检系统，其特征在于：所述图像分析模块针对两幅无人机航拍图的差异之处进行变电站巡检评估，当评估结果是存在变电站异常时，图像分析模块把评估结果上传至数据中心并发出告警。
5.根据权利要求1所述的一种变电站无人机自主巡检系统，其特征在于：所述无人机可在停机坪处进行着陆及充电；所述停机坪处设有着陆标识（7）、防护罩（8）、充电模块和环境监测模块；所述环境监测模块以内置的传感器对停机坪处的温度、湿度、风速进行监测；当无人机遍历所有的巡检航拍点并完成航拍后，以GPS引导自主返航并飞至停机坪上方，对着陆标识进行识读以使无人机以所需姿态和所需落点完成返航降落。
6.根据权利要求5所述的一种变电站无人机自主巡检系统，其特征在于：所述着陆标识也包括包括同心圆与等腰三角形结合形成的可被无人机辩识及识读的图案；无人机在返航降落时，以对地标信息进行识读相同的方法来识读停机秤的着陆标识；
所述着陆标识表面设置多个半球形凹槽，当无人机返航降落后，无人机起落架置于着陆标识的凹槽内，所述凹槽底部设有接入UPS电源可为无人机供电的充电点（11），所述UPS可保障充电点的电源不间断和稳定性；
所述着陆标识中，三角形内的半球形凹槽底部为充电点正极，三角形外的凹槽底部为充电点负极；所述充电点通过无人机的前起落架下端引线将正极电能传输至无人机电池，并通过无人机的后起落架引线，将电能传输回负极，对无人机进行自主充电。
7.根据权利要求5所述的一种变电站无人机自主巡检系统，其特征在于：所述防护罩为与环境监测模块相连的半球形防护罩；当环境监测模块监测到停机坪处环境存在高温、下雨及大风气象时，所述防护罩关闭。
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