CN113074698B - 一种基于机器视觉的智能杆塔倾斜检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于机器视觉的智能杆塔倾斜检测系统，包括：无人机、云台；无人机还包括动力模块、飞控模块、定位模块、电源模块、视觉计算模块；无人机通过云台外挂有相机模块；动力模块用于提供无人机的飞行动力；视觉计算模块与相机模块电连；视觉计算模块中设置有SLAM系统，包括机器视觉模型；视觉计算模块、定位模块分别与飞控模块电连；飞控模块电连动力模块；电源模块用于无人机的工作供电；本发明优点在于，设置SLAM系统结合机器视觉模型，提高杆塔识别检测的速度和准确性，并自主完成飞行‑检测各个环节，节省了人力；同时，不需要与监控中心进行实时数据传输，节省了相应的通信及计算资源。
Description
技术领域
本发明涉及机器视觉技术领域，尤其涉及一种基于机器视觉的智能杆塔倾斜检测系统。
背景技术
当今社会，电力和通信在日常生活和工业生产中的重要性不言而喻，这就对电力网和通信网的稳定性提出了很高的要求。杆塔作为空中电力网和通信网架设的基础，在电力网和通信网中起着至关重要的作用。由于外力作用、气候变化、地质灾害等因素的影响，杆塔容易发生倾斜，给电力网和通信网带来安全隐患，需要及时进行排查和修复。
目前，杆塔倾斜测量多采用在杆塔塔身安装倾角传感器或在杆塔周围安装摄像头获取杆塔倾斜角，然后通过无线传输等方式传输到后台监测中心，但这些方法需要为每个杆塔配备倾角传感器模块、无线模块、电源模块、摄像头模块等，会带来极高的材料成本和安装成本，且这些模块安装在现场，后期的维护成本也极高。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种基于机器视觉的智能杆塔倾斜检测系统，实现单一移动平台完成区域内杆塔倾斜检测，有效解决上述问题。
为此目的，本发明由如下技术方案实施。
一种基于机器视觉的智能杆塔倾斜检测系统，包括：无人机、云台；
所述无人机还包括动力模块、飞控模块、定位模块、电源模块、视觉计算模块；所述无人机通过所述云台外挂有相机模块；
所述动力模块用于提供所述无人机的飞行动力；
所述视觉计算模块与所述相机模块电连；所述视觉计算模块中设置有SLAM(同步定位与建图)系统，包括机器视觉模型；所述机器视觉模型用于识别拍摄图像中的杆塔；所述视觉计算模块通过所述SLAM系统计算所述杆塔的相对位置，并发送至所述飞控模块；
所述视觉计算模块、定位模块分别与所述飞控模块电连；所述飞控模块电连所述动力模块；所述飞控模块用于控制所述动力模块输出，调整所述无人机姿态、航向及高度；
所述电源模块用于所述无人机的工作供电。
进一步，所述无人机为旋翼机；所述动力模块为无人机油动发动机、无人机电动马达其中一种或两种组合。
进一步，所述定位模块包括气压定高单元、卫星定位单元、惯性导航定位单元其中一种或多种组合。
进一步，所述相机模块为双目相机。
进一步，所述云台包括第一安装板、第二安装板；
所述第一安装板与所述无人机的机体固定连接，所述第二安装板与三轴稳定器固定连接；所述三轴稳定器末端安装有所述相机模块；
所述第一安装板与所述第二安装板之间为浮动连接结构，且连接处设置有多个弹性件；所述第一安装板与所述第二安装板的连接处还设有振动信号采集器；
所述第二安装板与所述三轴稳定器的连接处安装有低频换能器。
更进一步，所述第二安装板与所述三轴稳定器的连接处加工有多个通孔，所述通孔沿所述三轴稳定器安装位的周向分布，安装位形成镂空结构；所述安装位的下表面吊挂所述三轴稳定器，所述安装位的上表面安装所述低频换能器。
更进一步，所述通孔为长圆形孔、长圆弧形孔、圆孔其中一种或多种组合。
更进一步，所述弹性件为中空的橡胶柱，所述橡胶柱分别安装于所述第二安装板的边角处；所述每个所述橡胶柱的中心处设置有一个所述振动信号采集器。
本发明具有如下优点：
1、本发明设置SLAM(同步定位与建图)系统结合机器视觉模型，大大提高杆塔识别检测的速度和准确性，并自主完成飞行-检测各个环节，节省了人力。
2、依靠内置的SLAM(同步定位与建图)系统，不需要与监控中心进行实时数据传输，节省了相应的通信及计算资源。
3、结合无人机飞行检测，用相机于杆塔顶部获取俯视图像，只需要对一幅图像进行处理，无需考虑遮挡物影响拍摄或威胁飞行安全。
进一步，可通过设置信号采集器+低频换能器实现大幅降噪、防抖的能力，减少图像依赖算法处理抖动的问题，同时显著降低机体振动、发动机振动长时间对相机等精密部件的损害。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例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是本发明的一个或几个实施例，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为本发明系统简图；
图2为本发明系统飞行示意图；
图3为本发明具体实施例中云台立体图；
图4为本发明具体实施例中云台侧视图；
图5为本发明具体实施例中第二安装板等轴测视图；
图6为本发明另一实施例中第二安装板等轴测视图；
图7为本发明另一实施例中第二安装板等轴测视图；
图8为本发明另一实施例中第二安装板等轴测视图。
图中
1-无人机；2-相机模块；3-云台；301-第一安装板；302-第二安装板；303-弹性件；304-低频换能器；305-三轴稳定器；306-振动信号采集器。
具体实施方式
以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本发明的目的、方案和效果。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请实施例中的特征可以相互组合。
下面将结合附图，对本发明做进一步说明。
结合图1所示，一种基于机器视觉的智能杆塔倾斜检测系统，主要包括：无人机1、云台3；
其中，无人机1中还包括动力模块、飞控模块、定位模块、电源模块、视觉计算模块；无人机通过云台3外挂有相机模块2；优选地，无人机1为多轴旋翼机；动力模块选为无人机马达，即高性能空心杯电机加桨叶组合，提供无人机的飞行动力。相应的电源模块选择高性能锂电池，用于无人机的工作供电。
上述配置可根据实际需要进行修改，如需大航程、高载重的场景中，可选用油动无人机为平台。但是，相应的油动无人机整体振动更大，并不利于拍摄高清图像。
视觉计算模块与相机模块2电连；其中，视觉计算模块包括微型处理器、数据存储器及其中安装的SLAM系统，SLAM系统中还包括预先进行杆塔识别训练的机器视觉模型；具体可选择YOLOv3模型，准备大量的杆塔照片，并人为在照片中标识出杆塔，进行迭代训练直至模型可以正确从图像中识别杆塔，并且准确率符合要求后停止训练。优选地，相机模块2为双目相机。这样通过图像识别杆塔后，结合SLAM系统实时建模计算出杆塔的相对位置，并发送至飞控模块；飞控模块根据杆塔位置指定飞行策略，将无人机1送至杆塔顶部的上方，进行必要拍摄检测。
进一步，视觉计算模块、定位模块分别与飞控模块电连；采取联合定位的方式，一方面大范围内由定位模块确定地理位置，小范围内由视觉计算模块依据双目相机的拍摄结果确定当前与目标的相对位置，实现较高精度的定位。优选地，定位模块包括气压定高单元、卫星定位单元、惯性导航定位单元其中一种或多种组合。本实施例中考虑选用稳定更好的GPS卫星定位单元，技术更加成熟，精度较好。
飞控模块电连动力模块，用于控制动力模块输出，调整无人机姿态、航向及高度，以便完成预定飞行内容。
工作流程
1、准备阶段，针对同种类型的杆塔和同一个双目相机，只需要进行一次。
(1)、对图像中杆塔进行标定。
(2)、在高性能计算机或服务器上进行机器学习(模型训练)，训练出一种或多种杆塔的视觉检测模型。
2、作业阶段。
A、将系统置于待检线路起始位置，控制云台3将相机模块2的摄像头对准第一座杆塔，确保能检测到起始杆塔，开始作业。
B、摄像头将采集到的图像传输至视觉计算模块进行杆塔目标检测。
C、检测到杆塔后，将杆塔顶部正上空一定位置(安全起见，避免载体和相机与线路或杆塔发生碰撞)作为目标点，视觉计算模块计算出目标点相对系统当前位置的高度和水平距离，传输至飞控模块。
D、飞控模块得到相对高度和水平距离后，如图2所示，控制引导无人机1携带相机模块2运动到目标点(安全起见，如果当前高度大于目标点高度，保持当前高度，到达目标水平位置后再调整至目标高度；如果当前高度小于目标高度，先到达目标高度，再运动至目标水平位置)。
E、到达目标点后，飞控模块控制云台3旋转运动，使相机竖直向下对准杆塔，机器视觉计算模块识别检测杆塔顶部的多边形，计算其平面方程。
F、机器视觉计算单元求取该平面和水平面的夹角，即为杆塔倾角，并从GPS定位模块获取当前位置的GPS坐标，二者一一对应存储于机器视觉计算单元的存储器中。
G、飞控模块控制云台3旋转运动，使相机对准下一个待检杆塔。
H、重复A-G直至测量完所有杆塔。
在本发明的另一个实施例中，为了降低无人机1动力模块产生的振动或机体飞行产生的振动对拍摄图像或相机的影响，在云台3中设置减振装置。
优选地，结合图3、4所示，云台3包括第一安装板301、第二安装板302；
第一安装板301与无人机1的机体固定连接，第二安装板302与三轴稳定器305固定连接；三轴稳定器305的末端安装有相机模块2；
第一安装板301与第二安装板302之间为浮动连接结构，且连接处设置有多个弹性件303；优选地，弹性件303为中空的橡胶柱，四个橡胶柱分别安装于第二安装板302的四个边角处；结合图5所示，每个橡胶柱的中心处设置有一个振动信号采集器306，用于采集机体传递的振动信号，计算单元则记载对应频率及振幅。
第二安装板302与三轴稳定器305的连接处安装有低频换能器304；优选地，如图5所示，第二安装板302与三轴稳定器305的连接处加工有多个通孔，具体通孔为长圆形孔(腰形孔)。四个通孔沿三轴稳定器305的安装位的周向分布，使安装位形成镂空结构；安装位下表面吊挂三轴稳定器，安装位的上表面安装低频换能器304。这样建立了复合式的减振结构，首先由弹性件303吸收中高频的振动，之后由四角的振动信号采集器306检测低频振动信号，并通过计算单元计算在第二安装板302中心处进行耦合，由低频换能器304输出反向振动信号，与传递的振动信号叠加，可大幅减少相机模块2接受的振动。
进一步，安装位的通孔形式可根据具体需要设计成不同形式，参考图6-8所示，具体可以为长圆弧形孔、圆孔或L型长圆孔其中一种。设计目的是：一方面利于低频换能器304振动信号与实际振动信号耦合，减少能量损失，降低耦合难度，另一方面结构简单，减少了重量，有利于无人机1的续航。
以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (7)
1.一种基于机器视觉的智能杆塔倾斜检测系统，包括：无人机、云台；
其特征在于，所述无人机还包括动力模块、飞控模块、定位模块、电源模块、视觉计算模块；所述无人机通过所述云台外挂有相机模块；
所述动力模块用于提供所述无人机的飞行动力；
所述视觉计算模块与所述相机模块电连；所述视觉计算模块中设置有SLAM系统，包括机器视觉模型；所述机器视觉模型用于识别拍摄图像中的杆塔；所述视觉计算模块通过所述SLAM系统计算所述杆塔的相对位置，并发送至所述飞控模块；
所述视觉计算模块、定位模块分别与所述飞控模块电连；所述飞控模块电连所述动力模块；所述飞控模块用于控制所述动力模块输出，调整所述无人机姿态、航向及高度；
所述电源模块用于所述无人机的工作供电；
所述相机模块为双目相机；
所述机器视觉模型检测到杆塔后，将杆塔顶部正上空一定位置作为目标点，所述视觉计算模块计算出目标点相对所述智能杆塔倾斜检测系统当前位置的高度和水平距离，传输至飞控模块；所述飞控模块得到相对高度和水平距离后，控制引导所述无人机携带相机模块运动到目标点；所述智能杆塔倾斜检测系统到达目标点后，所述飞控模块控制云台旋转运动，使双目相机竖直向下对准杆塔，机器视觉计算模块识别检测杆塔顶部的多边形，计算所述多边形的平面方程；机器视觉计算单元求取所述多边形所在的平面和水平面的夹角，即为杆塔倾角。
2.根据权利要求1所述的智能杆塔倾斜检测系统，其特征在于，所述无人机为旋翼机；所述动力模块为无人机油动发动机、无人机电动马达其中一种或两种组合。
3.根据权利要求1所述的智能杆塔倾斜检测系统，其特征在于，所述定位模块包括气压定高单元、卫星定位单元、惯性导航定位单元其中一种或多种组合。
4.根据权利要求1所述的智能杆塔倾斜检测系统，其特征在于，所述云台包括第一安装板、第二安装板；
所述第一安装板与所述无人机的机体固定连接，所述第二安装板与三轴稳定器固定连接；所述三轴稳定器末端安装有所述相机模块；
所述第一安装板与所述第二安装板之间为浮动连接结构，且连接处设置有多个弹性件；所述第一安装板与所述第二安装板的连接处还设有振动信号采集器；
所述第二安装板与所述三轴稳定器的连接处安装有低频换能器。
5.根据权利要求4所述的智能杆塔倾斜检测系统，其特征在于，所述第二安装板与所述三轴稳定器的连接处加工有多个通孔，所述通孔沿所述三轴稳定器安装位的周向分布，安装位形成镂空结构；所述安装位的下表面吊挂所述三轴稳定器，所述安装位的上表面安装所述低频换能器。
6.根据权利要求5所述的智能杆塔倾斜检测系统，其特征在于，所述通孔为长圆形孔、长圆弧形孔、圆孔其中一种或多种组合。
7.根据权利要求4所述的智能杆塔倾斜检测系统，其特征在于，所述弹性件为中空的橡胶柱，所述橡胶柱分别安装于所述第二安装板的边角处；所述每个所述橡胶柱的中心处设置有一个所述振动信号采集器。
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