CN112835375B - 基于无人机的绝缘子清洗方法、系统、设备、存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于无人机的绝缘子清洗方法，对固定在电塔上的绝缘子进行清洗，包括以下步骤：根据电塔周围环境以及绝缘子位置，规划包含无人机期望悬停位置的期望航线；使无人机沿期望航线运动至期望悬停位置，识别绝缘子并提取绝缘子两侧边缘切线的线特征，并与绝缘子的期望线特征进行比较，得到线特征误差；根据线特征误差控制无人机稳定在期望悬停位置；无人机保持在期望悬停位置时，对绝缘子进行清洗。

Description

基于无人机的绝缘子清洗方法、系统、设备、存储介质

技术领域

本发明涉及无人机视觉伺服控制领域，具体涉及一种基于无人机的绝缘子清洗方法、系统、设备、存储介质。

背景技术

绝缘子是输电线路中一种用来固定带电导体的特殊绝缘控件。由于固定在电塔上的绝缘子长期暴露在野外环境中，其表面容易沾染灰尘形成污秽层，若不及时清洗极易造成供电系统短路故障。以往工作人员采用人工清洗的方法，但是这种方法成本较高且不安全。近年来，绝缘子清洗无人机开始受到电力行业的关注。

传统的绝缘子清洗无人机作业方法是操作员遥控无人机悬停到绝缘子附近，通过观察无人机前置云台相机发回地面站的图像，利用经验判断绝缘子位置，进而对其实施清洁操作。但是，这种开环、纯手动的作业方法存在许多问题。首先，这种方法通过人眼观察来判断绝缘子位置，对操作员的经验要求很高，无人机的自主能力较差。其次，无人机在清洗过程中，容易受到外界扰动的影响。喷水时产生的回冲力、环境风力、气压飘动、无人机自身悬停不稳等都会导致无人机的位置出现偏差。上述问题会导致绝缘子清洗过程耗时，清洗效果不佳。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于无人机的绝缘子清洗方法、系统、设备、存储介质。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种基于无人机的绝缘子清洗方法，对固定在电塔上的绝缘子进行清洗，包括以下步骤：

步骤一：根据电塔周围环境以及绝缘子位置，规划包含无人机期望悬停位置的期望航线；

步骤二：使无人机沿期望航线运动至期望悬停位置，识别绝缘子并提取绝缘子两侧边缘切线的线特征，并与绝缘子的期望线特征进行比较，得到线特征误差；

步骤三：根据线特征误差控制无人机稳定在期望悬停位置；

步骤四：无人机保持在期望悬停位置时，对绝缘子进行清洗。

具体地，步骤一中规划无人机的期望航线时，通过激光雷达对所述绝缘子所在的电塔周围环境进行扫描，建立三维环境地图，从地图中标记各绝缘子的位置和编号，每个绝缘子对应设置四个期望悬停位置；根据各绝缘子的位置以及绝缘子对应的期望悬停位置，规划出所述的期望航线；所述期望悬停位置位于以所述绝缘子为中心、半径为5米、高度为绝缘子几何中心高度的圆周上。

具体地，步骤四中对绝缘子进行清洗时，分别在一个绝缘子对应的四个期望悬停位置对该绝缘子进行冲洗后，再进行下一个绝缘子的冲洗；对所有的绝缘子完成清洗后，无人机沿着期望航线返回。

具体地，所述无人机上设置有能够更改出水方向的出水口；以无人机上的出水口为原点、以出水口到绝缘子中轴线中点的方向为X轴正向、以垂直于X轴向上的方向为Y轴正向建立直角坐标系，则步骤四中对绝缘子进行清洗时，出水口出水方向周期性地在-50°到50°内变化。

具体地，步骤二中，当所述的线特征误差小于设定阈值时，说明无人机到达所述的期望悬停位置。

具体地，步骤二中，所述的期望线特征为预先获取得到；获取所述的期望线特征时，包括以下步骤：

垂直悬挂一枚与所要清洗的绝缘子相同的备用绝缘子，在以所述备用绝缘子为中心、5米为半径、高度为所述备用绝缘子几何中心高度的圆周上，放置单目摄像机对其拍摄，得到图像；

所述单目摄像机与所述备用绝缘子的几何中心连线垂直于所述单目摄像机的成像平面，所述备用绝缘子位于图像中央；

从图像中识别出所述备用绝缘子，并对其两侧边缘作切线，求取切线的图像特征，从而得到所述期望线特征。

具体地，所述无人机上安装有机载单目摄像机；步骤三中根据线特征误差得到期望速度，通过期望速度控制无人机稳定在期望悬停位置并使无人机的朝向始终对准待清洗的绝缘子；根据线特征误差得到期望速度的方法如下：

所述切线的表示方法采用斜截式，即所述线特征表示为ξ＝[θ，ρ]^T，θ，ρ为所述线特征的参数；θ表示所述切线的倾角，ρ表示原点到所述切线的垂直距离；

所述线特征的动力学模型为：

其中，

分别为两条切线的图像光流，χ＝[v_t，ω]^T＝[v_x，v_y，v_z，ω_x，ω_y，ω_z]^T，v_x，v_y，v_z，ω_x，ω_y，ω_z分别为所述机载单目摄像机在自身坐标系中x轴方向的速度、y轴方向的速度、z轴方向的速度、沿x轴转动的速度、沿y轴转动的速度、沿z轴转动的速度；J＝[J₁，J₂]^T，J₁，J₂分别为所述两条切线的线特征的雅可比矩阵，描述了相机速度变化随线参数的变化关系；

其中，AX+BY+CZ+D＝0为两条切线所在的平面。(A，B，C)是所述平面的法向量，D是所述平面与所述机载单目摄像机之间的距离；

所述雅可比矩阵可以通过基于无迹卡尔曼滤波在线估计，输入信息为图像特征和机载惯性测量单元IMU信息，输出为雅可比矩阵；

所述机载单目摄像机在自身坐标系中的空间速度：

其中，矩阵J⁺是J的伪逆矩阵；

所述期望线特征的速度

其中，ξ^*为期望线特征；所述机载单目摄像机期望速度，也即所述无人机的期望速度

一种基于无人机的绝缘子清洗系统，包括：

航线规划模块，其根据电塔周围环境以及绝缘子位置，规划包含无人机期望悬停位置的期望航线；

图像处理与目标识别模块，无人机沿期望航线运动至期望悬停位置，其识别绝缘子并提取绝缘子两侧边缘切线的线特征，并与绝缘子的期望线特征进行比较，得到线特征误差；

视觉伺服控制模块，其根据线特征误差控制无人机稳定在期望悬停位置；

清洗模块，无人机保持在期望悬停位置时，对绝缘子进行清洗。

一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述的清洗方法。

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现所述的清洗方法。

与现有技术相比，本发明的有益技术效果是：

本发明通过航线规划，使无人机的能够自主飞行到预定位置对绝缘子进行清洗并自主返航；清洗过程中采用视觉反馈闭环控制方案，能够保持无人机悬停时的位置，并使无人机正前方始终对准绝缘子，提高绝缘子清洗无人机的自主程度和绝缘子的清洗效率，降低了操作员的训练难度，增强了无人机的抗干扰能力，提升了无人机安全飞行能力。

附图说明

图1为本发明清洗方法的流程图；

图2为本发明绝缘子在机载单目摄像机的成像平面投影的示意图；

图3为本发明机载单目摄像机成像平面中线特征的表示图；

图4为本发明视觉伺服控制框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一种优选实施方式作详细的说明。

如图1所示，一种基于无人机的绝缘子清洗方法，对固定在电塔上的绝缘子进行清洗，包括以下步骤：

S1：根据电塔周围环境以及绝缘子位置，规划包含无人机期望悬停位置的期望航线。

步骤一中，规划无人机的期望航线时，操作员控制无人机对所述绝缘子所在的电塔周围环境进行扫描，建立三维环境地图，从地图中标记各绝缘子的位置和编号，每个绝缘子对应设置四个期望悬停位置；根据各绝缘子的位置以及绝缘子对应的期望悬停位置，规划出所述的期望航线；所述期望悬停位置位于以所述绝缘子为中心、半径为5米、高度为绝缘子几何中心高度的圆周上。

操作员可以控制本发明中用于清洗的无人机，也可以控制其他架载有激光雷达的辅助无人机对电塔环境进行扫描。

所述期望航线要绕开输电线路，尽量采用水平飞行和垂直飞行结合方式。

S2：使无人机沿期望航线运动至期望悬停位置，识别绝缘子并提取绝缘子两侧边缘切线的线特征，并与绝缘子的期望线特征进行比较，得到线特征误差。

具体地，步骤二中，所述的期望线特征在地面上预先获取得到；获取所述的期望线特征时，包括以下步骤：

垂直悬挂一枚与所要清洗的绝缘子相同的备用绝缘子，在以所述备用绝缘子为中心、5米为半径、高度为所述备用绝缘子几何中心高度的圆周上，放置单目摄像机对其拍摄，得到图像；

所述单目摄像机与所述备用绝缘子的几何中心连线垂直于所述单目摄像机的成像平面，所述备用绝缘子位于图像中央；

从图像中识别出所述备用绝缘子，并对其两侧边缘作切线，求取切线的图像特征，从而得到所述期望线特征。

由于所述备用绝缘子各角度的侧视图均相同，故在所述圆周上的任意位置得到的期望线特征都相同。

S3：根据线特征误差控制无人机稳定在期望悬停位置。

具体地，步骤三中，当所述的线特征误差小于设定阈值时，说明无人机到达所述的期望悬停位置，通过这样的方式可以再次确认无人机到达期望悬停位置。

具体地，所述无人机上安装有机载单目摄像机；步骤三中根据线特征误差得到期望速度，通过期望速度控制无人机稳定在期望悬停位置并使无人机的朝向始终对准待清洗的绝缘子；根据线特征误差得到期望速度的方法如下：

所述切线的表示方法采用斜截式，即所述线特征表示为ξ＝[θ，ρ]^T，θ，ρ为所述线特征的参数；θ表示所述切线在图3中的倾角，ρ表示图3中原点到所述切线的垂直距离；

如图2和3所示，所述线特征的动力学模型为：

其中，

分别为两条切线的图像光流，χ＝[v_t，ω]^T＝[v_x，v_y，v_z，ω_x，ω_y，ω_z]^T，v_x，v_y，v_z，ω_x，ω_y，ω_z分别为所述机载单目摄像机在自身坐标系中x轴方向的速度、y轴方向的速度、z轴方向的速度、沿x轴转动的速度、沿y轴转动的速度、沿z轴转动的速度；J＝[J₁，J₂]^T，J₁，J₂分别为所述两条切线的线特征的雅可比矩阵，描述了相机速度变化随线参数的变化关系；

其中，AX+BY+CZ+D＝0为两条切线所在的平面。(A，B，C)是所述平面的法向量，D是所述平面与所述机载单目摄像机之间的距离；

所述雅可比矩阵可以通过基于无迹卡尔曼滤波在线估计，输入信息为图像特征和机载惯性测量单元IMU信息，输出为雅可比矩阵；

所述机载单目摄像机在自身坐标系中的空间速度：

其中，矩阵J⁺是J的伪逆矩阵；

所述期望线特征的速度

其中，ξ^*为期望线特征，ξ^*-ξ为所述的线特征误差；所述机载单目摄像机期望速度，也即所述无人机的期望速度

图4为视觉伺服控制模块的控制原理框图。

无人机在清洗过程中，容易受到外界扰动的影响，喷水时产生的回冲力、环境风力、气压飘动、无人机自身悬停不稳等都会导致无人机的位置出现偏差，通过线特征误差对无人机进行控制，使无人机保持稳定选定，且无人机的朝向始终对准待清洗的绝缘子，提高清洗的准确度和效率。

S4：无人机保持在期望悬停位置时，对绝缘子进行清洗。

具体地，步骤四中对绝缘子进行清洗时，分别在一个绝缘子对应的四个期望悬停位置对该绝缘子进行冲洗后，再进行下一个绝缘子的冲洗；对所有的绝缘子完成清洗后，无人机沿着期望航线返回。

具体地，所述无人机上设置有能够更改出水方向的出水口；以无人机上的出水口为原点、以出水口到绝缘子中轴线中点的方向为X轴正向、以垂直于X轴向上的方向为Y轴正向建立直角坐标系，则步骤四中对绝缘子进行清洗时，出水口出水方向周期性地在-50°到50°内变化。

一种基于无人机的绝缘子清洗系统，包括：

航线规划模块，其根据电塔周围环境以及绝缘子位置，规划包含无人机期望悬停位置的期望航线；

图像处理与目标识别模块，无人机沿期望航线运动至期望悬停位置，其识别绝缘子并提取绝缘子两侧边缘切线的线特征，并与绝缘子的期望线特征进行比较，得到线特征误差；将所述绝缘子的线特征发送到地面端进行实时显示。

视觉伺服控制模块，其根据线特征误差控制无人机稳定在期望悬停位置；

清洗模块，无人机保持在期望悬停位置时，对绝缘子进行清洗。

所述清洗系统还包括所述的激光雷达、机载惯性测量单元、所述的机载单目摄像机。

所述清洗模块包括具有所述出水口的喷洗装置，以及与喷洗装置连通且安装在无人机上的水箱。

所述激光雷达用于无人机的定位，提供无人机的位置信息和姿态信息；所述机载单目摄像机设置在无人机正前方，用于图像信息采集。

本发明通过航线规划，使无人机的能够自主飞行到预定位置对绝缘子进行清洗并自主返航；清洗过程中采用视觉反馈闭环控制方案，能够保持无人机悬停时的位置，并使无人机正前方始终对准绝缘子，提高绝缘子清洗无人机的自主程度和绝缘子的清洗效率，降低了操作员的训练难度，增强了无人机的抗干扰能力，提升了无人机安全飞行能力。

一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述的清洗方法。

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现所述的清洗方法。

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技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为了清楚起见，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 (8)

1.一种基于无人机的绝缘子清洗方法，对固定在电塔上的绝缘子进行清洗，包括以下步骤：

步骤一：根据电塔周围环境以及绝缘子位置，规划包含无人机期望悬停位置的期望航线；

步骤二：使无人机沿期望航线运动至期望悬停位置，识别绝缘子并提取绝缘子两侧边缘切线的线特征，并与绝缘子的期望线特征进行比较，得到线特征误差；

步骤三：根据线特征误差控制无人机稳定在期望悬停位置；

步骤四：无人机保持在期望悬停位置时，对绝缘子进行清洗；

步骤三中，当所述的线特征误差小于设定阈值时，说明无人机到达所述的期望悬停位置；

所述无人机上安装有机载单目摄像机；步骤三中根据线特征误差得到期望速度，通过期望速度控制无人机稳定在期望悬停位置并使无人机的朝向始终对准待清洗的绝缘子；根据线特征误差得到期望速度的方法如下：

所述切线的表示方法采用斜截式，即所述线特征表示为ξ＝[θ，ρ]^T，θ，ρ为所述线特征的参数；θ表示所述切线的倾角，ρ表示原点到所述切线的垂直距离；

所述线特征的动力学模型为：

其中，

分别为两条切线的图像光流，χ＝[v_t，ω]^T＝[v_x，v_y，v_z，ω_x，ω_y，ω_z]^T，v_x，v_y，v_z，ω_x，ω_y，ω_z分别为所述机载单目摄像机在自身坐标系中x轴方向的速度、y轴方向的速度、z轴方向的速度、沿x轴转动的速度、沿y轴转动的速度、沿z轴转动的速度；J＝[J₁，J₂]^T，J₁，J₂分别为所述两条切线的线特征的雅可比矩阵，描述了相机速度变化随线参数的变化关系；

其中，AX+BY+CZ+D＝0为两条切线所在的平面；(A，B，C)是所述平面的法向量，D是所述平面与所述机载单目摄像机之间的距离；

所述雅可比矩阵可以通过基于无迹卡尔曼滤波在线估计，输入信息为图像特征和机载惯性测量单元IMU信息，输出为雅可比矩阵；

所述机载单目摄像机在自身坐标系中的空间速度：

其中，矩阵J⁺是J的伪逆矩阵；

所述期望线特征的速度

其中，ξ^*为期望线特征；所述机载单目摄像机期望速度，也即所述无人机的期望速度

2.根据权利要求1所述的基于无人机的绝缘子清洗方法，其特征在于，步骤一中规划无人机的期望航线时，通过激光雷达对所述绝缘子所在的电塔周围环境进行扫描，建立三维环境地图，从地图中标记各绝缘子的位置和编号，每个绝缘子对应设置四个期望悬停位置；根据各绝缘子的位置以及绝缘子对应的期望悬停位置，规划出所述的期望航线；所述期望悬停位置位于以所述绝缘子为中心、半径为5米、高度为绝缘子几何中心高度的圆周上。

3.根据权利要求2所述的基于无人机的绝缘子清洗方法，其特征在于：步骤四中对绝缘子进行清洗时，分别在一个绝缘子对应的四个期望悬停位置对该绝缘子进行冲洗后，再进行下一个绝缘子的冲洗；对所有的绝缘子完成清洗后，无人机沿着期望航线返回。

4.根据权利要求1所述的基于无人机的绝缘子清洗方法，其特征在于：所述无人机上设置有能够更改出水方向的出水口；以无人机上的出水口为原点、以出水口到绝缘子中轴线中点的方向为X轴正向、以垂直于X轴向上的方向为Y轴正向建立直角坐标系，则步骤四中对绝缘子进行清洗时，出水口出水方向周期性地在50°到50°内变化。

5.根据权利要求1所述的基于无人机的绝缘子清洗方法，其特征在于：步骤二中，所述的期望线特征为预先获取得到；获取所述的期望线特征时，包括以下步骤：

垂直悬挂一枚与所要清洗的绝缘子相同的备用绝缘子，在以所述备用绝缘子为中心、5米为半径、高度为所述备用绝缘子几何中心高度的圆周上，放置单目摄像机对其拍摄，得到图像；

所述单目摄像机与所述备用绝缘子的几何中心连线垂直于所述单目摄像机的成像平面，所述备用绝缘子位于图像中央；

从图像中识别出所述备用绝缘子，并对其两侧边缘作切线，求取切线的图像特征，从而得到所述期望线特征。

6.一种基于无人机的绝缘子清洗系统，其特征在于，包括：

航线规划模块，其根据电塔周围环境以及绝缘子位置，规划包含无人机期望悬停位置的期望航线；

图像处理与目标识别模块，无人机沿期望航线运动至期望悬停位置，其识别绝缘子并提取绝缘子两侧边缘切线的线特征，并与绝缘子的期望线特征进行比较，得到线特征误差；

视觉伺服控制模块，其根据线特征误差控制无人机稳定在期望悬停位置；

清洗模块，无人机保持在期望悬停位置时，对绝缘子进行清洗；

当所述的线特征误差小于设定阈值时，说明无人机到达所述的期望悬停位置；

所述无人机上安装有机载单目摄像机；根据线特征误差得到期望速度，通过期望速度控制无人机稳定在期望悬停位置并使无人机的朝向始终对准待清洗的绝缘子；根据线特征误差得到期望速度的方法如下：

所述切线的表示方法采用斜截式，即所述线特征表示为ξ＝[θ，ρ]^T，θ，ρ为所述线特征的参数；θ表示所述切线的倾角，ρ表示原点到所述切线的垂直距离；

所述线特征的动力学模型为：

其中，

分别为两条切线的图像光流，χ＝[v_t，ω]^T＝[v_x，v_y，v_z，ω_x，ω_y，ω_z]^T，v_x，v_y，v_z，ω_x，ω_y，ω_z分别为所述机载单目摄像机在自身坐标系中x轴方向的速度、y轴方向的速度、z轴方向的速度、沿x轴转动的速度、沿y轴转动的速度、沿z轴转动的速度；J＝[J₁，J₂]^T，J₁，J₂分别为所述两条切线的线特征的雅可比矩阵，描述了相机速度变化随线参数的变化关系；

其中，AX+BY+CZ+D＝0为两条切线所在的平面；(A，B，C)是所述平面的法向量，D是所述平面与所述机载单目摄像机之间的距离；

所述雅可比矩阵可以通过基于无迹卡尔曼滤波在线估计，输入信息为图像特征和机载惯性测量单元IMU信息，输出为雅可比矩阵；

所述机载单目摄像机在自身坐标系中的空间速度：

其中，矩阵J⁺是J的伪逆矩阵；

所述期望线特征的速度

其中，ξ^*为期望线特征；所述机载单目摄像机期望速度，也即所述无人机的期望速度

7.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1-5中任一项所述的清洗方法。

8.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述程序被处理器执行时实现如权利要求1-5中任一项所述的清洗方法。

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