CN113516708A

CN113516708A - 一种基于图像识别与uwb定位融合的输电线路巡检无人机精确定位系统及方法

Info

Publication number: CN113516708A
Application number: CN202110572072.3A
Authority: CN
Inventors: 董海波; 卢卓; 李文君
Original assignee: China University of Mining and Technology CUMT
Current assignee: China University of Mining and Technology CUMT
Priority date: 2021-05-25
Filing date: 2021-05-25
Publication date: 2021-10-19
Anticipated expiration: 2041-05-25
Also published as: CN113516708B

Abstract

本发明公开了一种基于图像识别与UWB定位融合的输电线路巡检无人机精确定位系统及方法，该系统包括一架装设UWB定位标签的无人机、一台数字摄像机、一台图像处理计算机、以及数个UWB定位基站组成。通过在两个杆塔之间的输电线路上安装四个空间位置已知的UWB定位基站，基站识别无人机上的定位标签发出的超宽带信号，根据UWB‑TDOA(到达时间差)定位原理建立的无人机空间位置解算方法，得到无人机在输电线路物方坐标系中的空间位置；再通过无人机载的摄像机拍摄的两个不同定位基站的图像，由图像处理计算机完成定位基站特征点识别和处理，利用空间前方交会方法，得到无人机的物方坐标。再建立根据两种测量方法的误差，建立球形空间坐标模型，补偿和矫正无人机空间位置信息。可用于精确定位巡线无人机的空间位置。本方法安装调试简便，抗干扰能力强，可满足定位信号弱的环境下无人机进行输电线路巡检的要求。

Description

一种基于图像识别与UWB定位融合的输电线路巡检无人机精确定位系统及方法

技术领域

本发明涉及一种输电线路巡检无人机的精确空间定位方法，属检测设备定位和机器视觉应用领域。

技术背景

无人机是电力系统中输电线路巡检的常用设备。

当前，无人机的巡检工作主要依靠GPS导航、惯导定位等定位技术以及人工遥控和飞行经验实现，而输电线路巡检工作进行时GPS 导航信号弱和输电线路非直线的弧垂因素，极易影响操作人员的视线与决策，最终导致无人机无信号失联、原定飞行轨迹不可观测到输电线路等问题，甚至引发事故造成安全问题。因此，实现无人机定位的智能化、精准遥控显得尤为重要，而要实现无人机的精确定位首先就要完成对无人机空间位置的实时监测。基于UWB定位系统的输电线路巡检无人机的精确定位技术，其技术实质就是利用多个空间位置信息确定的UWB定位基站实时收发无人机位置信号，并结合视觉传感器采集的图像特征点来检测无人机机身位姿，实现该技术方案，有人工成本低、操作简单、定位精度高等优点。

发明内容

本发明针对背景技术的不足和工作状况，提出一种新的巡线无人机空间位姿检测方法，对无人机的空间位姿进行检测，使工人能实时观测到无人机在输电线路高空的位置状态，从而提高巡线效率和安全性。

技术方案

一种巡线无人机的精确定位方法，能够实时检测到无人机的空间位置参数，包括UWB-TDOA方法测算的坐标(x_i,y_i,z_i)，及空间前方交会方法测算的(x'_i,y'_i,z'_i)，并根据误差融合两坐标，得到更精确的位置信息。

其中包括：一架装设UWB定位标签的无人机、一台数字摄像机、一台处理超宽带信号的计算机、以及数个UWB定位基站。

在实施方式中，UWB定位标签配合无人机的电源模块、控制模块、储存器模块等，固定安装于无人机外壳内部。

在实施方式中，无人机飞行前，启动UWB定位标签，无人机飞行时，UWB定位标签不断发出超宽带信号。

在实施方式中，网络摄像机安装时需保证位于无人机起落架中间，并调整其视野保证拍摄照片的完整性。

在实施方式中，工控计算机与无人机无线连接，实时解算定位标签接收到的定位基站信号，得到无人机空间位置坐标。

在实施方式中，工控计算机还提取并处理网络摄像机采集的图像，从而矫正无人机位姿。

在实施方式中，UWB定位基站，通过绝缘可缠绕的外壳固定在输电线路及杆塔上，其数个基站距离分布合理有序。

与已有技术相比，本发明的有益效果是：

用机器视觉技术和UWB定位技术的无人机空间位姿检测相结合，减小工人的工作量，克服了人眼观测的局限性；本发明采用UWB信号收发装置，有效提升了定位精度，功率损耗小，节约了成本，安装方便，抗干扰性好。

附图说明

附图1为本发明无人机UWB-TDOA解算模型；

附图2为本发明无人机拍摄像对空间前方交会结算模型；

附图3为本发明UWB无线定位坐标和图像识别空间坐标融合模型。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细阐述。

设备安装及模型建立：

本发明的UWB定位基站安装的相对位置如附图1所示，一台无人机1，UWB定位基站2、3、4、5。

所述的无人机1上装设着UWB定位标签A，与所述的控制模块连接，固定安装于无人机外壳内部；无人机1上装设着的数字摄像机，通过三轴防抖云台，固定安装于无人机外壳下方、无人机支撑架中央，可旋转一定角度；所述的UWB定位基站2、3、4、5，通过绝缘可缠绕的外壳固定在输电线路及杆塔上，任意三个基站不在同一直线上，其外壳为球体，便于计算机更准确地识别无人机拍摄的图像中定位基站的特征。

本发明要建立物方坐标系D-XYZ，为GPS世界坐标系。无人机在输电线路坐标系中的空间模型和UWB定位基站的空间模型可简化为点。

解算过程如下，无人机在飞行时，采用UWB-TDOA(到达时间差)定位原理，无人机上装置的定位标签1每隔固定时间不断地发出超宽带信号，由四个UWB定位基站接收信号并发送回一个包含基站编号(1、2、3、4)的响应信号，计算出电磁波信号在定位标签1和定位基站之间的飞行时间t，计算出定位标签A与基站的距离：

R＝c*t (1)

其中c为超宽带信号传播速率即电磁波速率。

根据定位标签A与基站的距离，首先得出定位标签相对于四组 UWB定位基站的距离差：

其中，定位标签A与基站的距离可通过物方坐标系D-XYZ中的位置坐标表示：

联结上式方程，用最小二乘法即可解算出定位标签A的三维坐标(x_i,y_i,z_i)。

为了补偿和校正无人机空间位置坐标，本发明结合无人机拍摄影像，采用空间前方交会方法确定无人机物方坐标系下的辅助坐标 (x_i,y_i,z_i)。

解算方法如下：随机选取两个UWB定位基站分别命名为S₁、S₂，参考附图2，本发明还需要以S₁、S₂为原点建立两个像空间辅助坐标系：S₁-U₁V₁W₁、S₂-U₂V₂W₂，使其与物方坐标系D-XYZ坐标轴方向相对应的平行，即互为平移关系，可以更方便的进行坐标变换。Z轴与 XOY平面垂直方向向上，U₁轴、U₂轴与X轴平行,V₁轴、V₂轴与Y轴平行,W₁轴、W₂轴与Z轴平行。

设定位标签A在S₁-U₁V₁W₁中的坐标为(U₁,V₁,W₁)，在S₂-U₂V₂W₂中的坐标为(U₂,V₂,W₂),

在定位标签A所在的位置上，无人机载数字摄像机分别拍摄 UWB定位基站S₁、S₂的相片，分别对应两个像点S'₁、S'₂,S'₁、S'₂的像空间坐标为(x₁,y₁,-f)、(x₂,y₂,-f)，对应的像空间辅助坐标为(u₁,v₁,w₁)、 (u₂,v₂,w₂)，其中，f为数字摄影机焦距。

假设像空间坐标系与像辅助空间坐标系的相对转角已知，由左、右影像的外方位角元素

和

计算相应的正交矩阵R₁、R₂，则：

其中，R₁、R₂为已求左右相片的旋转矩阵。

基线B的三个分量，即右UWB定位标签S₂在左S₁-U₁V₁W₁中的坐标：

UWB定位标签S₁、S₂,像点S'₁、S'₂，无人机定位标签A，三点共线：

式中，定位标签A在S₁-U₁V₁W₁中的坐标为(U₁,V₁,W₁)，在S₂-U₂V₂W₂中的坐标为(U₂,V₂,W₂)，有：

上式可写为：

联立上面一、三两式，得投影系数:

取A在两个UWB定位标签辅助坐标系的平均值,求得定位标签A 的物方坐标(x'_i,y'_i,z'_i)：

本发明中，根据测量的误差范围(UWB定位方法的精度可达到三维15cm，空间前方交会方法测量误差可在6～15cm范围内选取，本发明选取10cm)，以定位标签A的物方坐标为球心，建立球形模型。

以UWB-TDOA(到达时间差)定位原理得到的A的空间坐标 (x_i,y_i,z_i)为球心，测量误差r₁为半径，建立坐标合集球一；以空间前方交会原理得到的A的空间坐标(x'_i,y_i',z_i')为球心，测量误差r₂为半径，建立坐标合集球二。

求得的两球体相交的重合部分，即为本发明补偿和矫正后的无人机空间位置。可表示为：

本发明中未提及的部分采用现有技术加以实现。

Claims

1.一种基于无人机图像识别的输电线路巡检精确定位系统，其特征包括：一架装设UWB定位标签的无人机、一台数字摄像机、一台处理超宽带信号的计算机、以及数个UWB定位基站。

2.根据权利要求1所述的一种基于无人机图像识别的输电线路巡检精确定位系统，其特征在于，所述的装设UWB定位标签的无人机,包括无人机本体以及装置于无人机本体的UWB定位标签、电源模块、控制模块、存储器模块等。

3.根据权利要求2所述的一种基于无人机图像识别的输电线路巡检精确定位系统，其特征在于，所述的UWB定位标签，与所述的控制模块连接，固定安装于无人机外壳内部。

4.根据权利要求1所述的一种基于无人机图像识别的输电线路巡检精确定位系统，其特征在于，所述的数字摄像机，通过三轴防抖云台，固定安装于无人机外壳下方、无人机支撑架中央，可旋转一定角度，安装位姿应完整采集输电线路的清晰图像。

5.根据权利要求1所述的一种基于无人机图像识别的输电线路巡检精确定位系统，其特征在于，所述的UWB定位基站，通过绝缘可缠绕的外壳固定在输电线路上，其个数不少于四个，每个基站之间距离分布合理有序，任意三个基站不在同一直线上。其外壳为球体，便于计算机更准确地识别无人机拍摄的图像中定位基站的特征。

6.根据权利要求1所述的一种基于无人机图像识别的输电线路巡检精确定位方法，其特征在于，所述的检测方法为：

无人机在输电线路巡检过程中，机上装置的定位标签A不间断地发出间隔时间固定的超宽带信号，由四个定位基站接收信号并发送回一个包含基站编号(1、2、3、4)的响应信号，其中任意三个定位基站均不在同一直线上，得到定位标签A和定位基站的距离。然后采用UWB-TDOA(到达时间差)定位原理，得到无人机的空间位置坐标(x_i,y_i,z_i)。

所述的UWB-TDOA(到达时间差)定位原理为，首先建立输电线路系统的物方坐标系D-XYZ，即人为规定的世界坐标系，

进一步地，由工控计算机获取电磁波信号在定位标签A和定位基站之间的飞行时间t，

进一步地，计算出定位标签A与基站的距离，表示为R＝c*t，其中c为超宽带信号传播速率即电磁波速率，

进一步地，得出定位标签相对于四组定位基站的距离差：

进一步地，通过定位基站在输电线路和杆塔上的空间位置坐标，联结下式方程即可解算出定位标签A的三维坐标(x_i,y_i,z_i)：

再通过数字摄像机采集无人机飞行过程中拍摄的输电线路特征点的图像，采集的数字图像传输给图像处理计算机完成图像识别，补偿和矫正无人机位姿信息。用空间前方交会方法，求解定位标签A的物方坐标(x'_i,y'_i,z'_i)；

选取两个UWB定位基站分别命名为S₁、S₂，以S₁、S₂为原点建立两个像空间辅助坐标系：S₁-U₁V₁W₁、S₂-U₂V₂W₂，其三个坐标轴方向和物方坐标系D-XYZ相对应的平行，即互为平移关系，可以更方便的进行坐标变换，

进一步地，设定位标签A在S₁-U₁V₁W₁中的坐标为(U₁,V₁,W₁)，在S₂-U₂V₂W₂中的坐标为(U₂,V₂,W₂)，

进一步地，在定位标签A所在的位置上，无人机载数字摄像机分别拍摄UWB定位基站S₁、S₂的相片，分别对应两个像点S'₁、S'₂,

进一步地，S'₁、S'₂的像空间坐标为(x₁,y₁,-f)、(x₂,y₂,-f)，对应的像空间辅助坐标为(u₁,v₁,w₁)、(u₂,v₂,w₂)，其中，f为数字摄影机焦距。

ω₁,κ₁和

ω₂,κ₂计算相应的正交矩阵R₁、R₂，则：

其中，R₁、R₂为已求左右相片的旋转矩阵。

进一步地，求基线B的三个分量，即右UWB定位标签S₂在左S₁-U₁V₁W₁中的坐标：

进一步地，UWB定位标签S₁、S₂,像点S'₁、S'₂，无人机定位标签A，三点共线：

上式可写为：

进一步地，联立上面一、三两式，得投影系数：

进一步地，取A在两个UWB定位标签辅助坐标系的平均值,求得定位标签A的物方坐标(x'_i,y'_i,z'_i)：

进一步地，根据测量的误差范围，以定位标签A的物方坐标为球心，建立球形模型。以UWB-TDOA(到达时间差)定位原理得到的A的空间坐标(x_i,y_i,z_i)为球心，测量误差r₁为半径，建立坐标合集球一；以空间前方交会原理得到的A的空间坐标(x'_i,y'_i,z'_i)为球心，测量误差r₂为半径，建立坐标合集球二。

进一步地，求得的两球体相交的重合部分，即为本发明补偿和矫正后的无人机空间位置。