CN114326761A - 一种基于无人机电力线巡检的异地起降和远程控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于无人机电力线巡检的异地起降和远程控制系统，包括无人机、起飞地遥控器、降落地遥控器以及云端服务器，无人机设有定位模块、图像采集模块、图像处理模块以及控制模块，实现无人机对电力线循迹的位置与航向偏差检测，实时定位数据控制无人机沿电力线飞行，并向云端服务器上传电力线巡检图像和对应坐标数据；起飞地遥控器和降落地遥控器与云端服务器进行通讯，将控制指令上传云端服务器；云端服务器将控制指令分发给起飞地遥控器和降落地遥控器。本发明能够实现无人机的异地起降，远程控制无人机进行电力线巡检，解决传统人工巡检存在的安全问题，同时提高了巡检效率。
Description
技术领域
本发明属于电力巡检技术领域，具体涉及基于无人机的电力线巡检技术。
背景技术
电力是国民经济的重要基础产业，电网的供电质量是直接关系到日常生活、工作的大问题。电网的运行维护不仅影响着电力部门的经济效益，更直接影响到广大人民群众的生活用电。
目前，随着国内的电网规模不断扩大，电力线路覆盖范围日渐变广。在庞大的电力系统中，各个地区由于地形、环境的差异，导致电力线路的铺设和方式都有所不同。并且，大部分输电线路分布于千山万壑之中，这就使得电力巡检越发困难。
传统人工巡检方式效率低下且人力投入巨大，根据有关统计数据显示，在传统的人工巡检场景，每100公里的输电线路巡检大致需要160个工时，这个数据意味着，如果想在一个工作日内完成100公里的线路巡检，需要的线路巡检人员是至少20位，效率之低下显而易见。
目前电力线路的运行管理模式和常规作业方式，表明传统巡线方式面临的困难有：劳动强度大、工作条件艰苦，而且劳动效率低，遇到电网紧急故障和异常气候条件下，线路维护人员不具备有利的交通优势、利用普通仪器或肉眼来巡查设施。这种方式已经不能完全适应现代化电网建设与发展的需求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题就是提供一种基于无人机电力线巡检的异地起降和远程控制系统，实现起飞地起飞至降落地降落，进行电力线巡检，减少作业半径，提高作业效率和安全。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种基于无人机电力线巡检的异地起降和远程控制系统，包括：
无人机，所述无人机设有定位模块、图像采集模块、图像处理模块以及控制模块，通过定位模块实现无人机实时定位，图像采集模块采集电力线图像，图像处理模块对采集的图像进行处理实现无人机对电力线循迹的位置与航向偏差检测，控制模块根据图像处理模块的处理结果和定位模块的实时定位数据控制无人机沿电力线飞行，并向云端服务器上传电力线巡检图像和对应坐标数据；起飞地遥控器，所述起飞地遥控器与云端服务器进行通讯，将控制指令上传云端服务器；
降落地遥控器，所述降落地遥控器与云端服务器进行通讯，将控制指令上传云端服务器；
云端服务器，所述云端服务器将控制指令分发给起飞地遥控器和降落地遥控器。
优选的，所述图像处理模块依次执行如下步骤：对图像预处理去除背景噪声干扰，对处理后的图像进行边缘检测，通过Hough变换完成对图像中的直线提取并将明显误检测的直线过滤，对直线拟合得到巡线方向线段并显示，获取所得到的直线当前时刻偏航角度偏差与侧滚方向位置偏差，将两偏差数据滤波后输出，发送给无人机控制模块。
优选的，通过对无人机航拍电力线图像的处理提取出多条电力线信息，并通过对提取出的电力线参数求和取平均值获得当前时刻的巡线方向。
优选的，通过将当前时刻拟合的巡线方向与前一时刻的巡线方向按照如下公式拟合出最终的当前时刻无人机巡线方向，
式中：l(k)为当前时刻拟合的巡线方向；l(k-1)为前一时刻拟合的巡线方向；a 为取值范围(0,1)的权值；ε为当前时刻拟合的巡线方向与前一时刻拟合的巡线方向的差值；ε0为差值阈值；
通过对当前时刻拟合的巡线方向与前一时刻拟合的巡线方向差值不同情况，分别赋予当前时刻与前一时刻拟合的巡线方向不同的权值，拟合出最终可信度更高的无人机巡线方向。
优选的，所述控制指令包括起飞地控制、降落地控制、起飞、降落、开始巡线、图像处理、开始传输数据以及停止传输数据。
优选的，所述定位模块为提供实时厘米级定位数据的RTK模块。
优选的，所述图像采集模块为单目摄像头。
优选的，所述无人机、起飞地遥控器、降落地遥控器以及云端服务器之间采用5G通信。
本发明采用的技术方案，通过5G通信，把控制指令上传云端服务器并分发给起飞地遥控器和降落地遥控器，无人机通过定位模块实现实时定位，并在飞行过程中通过航拍采集电力线图像，从起飞点到降落点之间进行图像处理，实现无人机对电力线循迹的位置与航向偏差检测，从而实现电力线巡检控制。
因此，具有如下有益效果：
1、本发明能够实现无人机的异地起降，远程控制无人机进行电力线巡检，高精度定位无人机所在位置，从而可用以解决传统人工巡检存在的安全问题，同时提高了巡检效率减少了人工作业量。
2、本发明无人机上搭载有相互位置精准定位的定位模块、保持相互通信和传输数据的无线数传模块，可以实时观测到无人机的所在位置，还有电力线的巡检情况，大大提高了工作效率，安全性高。
3、本发明视觉识别模块包括单目摄像头、图像处理模块，其中图像识别处理模块有图像预处理、电力线边缘检测、Hough变换、电力线信息拟合构成，采用新的算法，能够获取所得到的直线当前时刻偏航角度偏差与侧滚方向位置偏差，送给无人机控制模块，控制无人机巡检过程中的飞行姿态，使其始终沿电力线飞行。
本发明的具体技术方案及其有益效果将会在下面的具体实施方式中结合附图进行详细的说明。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述：
图1为本发明无人机电力线巡检的异地起降和远程控制系统结构示意图；
图2为本发明无人机电力线巡检的异地起降和远程控制系统结构示意图；
图3为无人机图像识别软件流程图；
图4为无人机航向偏差原理图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参考图1和图2所示，一种基于无人机电力线巡检的异地起降和远程控制系统，其包括：
无人机，所述无人机设有定位模块、图像采集模块、图像处理模块以及控制模块，通过定位模块实现无人机实时定位，图像采集模块采集电力线图像，图像处理模块对采集的图像进行处理实现无人机对电力线循迹的位置与航向偏差检测，控制模块根据图像处理模块的处理结果和定位模块的实时定位数据控制无人机沿电力线飞行，并向云端服务器上传电力线巡检图像和对应坐标数据；
起飞地遥控器，所述起飞地遥控器与云端服务器进行通讯，将控制指令上传云端服务器；
降落地遥控器，所述降落地遥控器与云端服务器进行通讯，将控制指令上传云端服务器；
云端服务器，所述云端服务器将控制指令分发给起飞地遥控器和降落地遥控器。
可以理解的是，起飞地与降落地的遥控器上均安装控制无人机的移动APP，起飞地与降落地可以相互转换。所述控制指令包括起飞地控制、降落地控制、起飞、降落、开始巡线、图像处理、开始传输数据以及停止传输数据。
优选的，所述定位模块为提供实时厘米级定位数据的RTK模块，实现飞控、相机与RTK的时钟系统微秒级同步。所述图像采集模块为单目摄像头，能够精准识别电力线。所述无人机、起飞地遥控器、降落地遥控器以及云端服务器之间采用5G通信。
其中，所述图像处理模块依次执行如下步骤：对图像预处理去除背景噪声干扰，对处理后的图像进行边缘检测，通过Hough变换完成对图像中的直线提取并将明显误检测的直线过滤，对直线拟合得到巡线方向线段并显示，获取所得到的直线当前时刻偏航角度偏差与侧滚方向位置偏差，将两偏差数据滤波后输出，发送给无人机控制模块。
以下结合图2和图3对本实施例图像处理模块具体实现步骤作进一步地详细描述，如下：
①图像预处理：本步骤是为下一步的边缘检测作预先的处理，采用传统预处方法，分为RIO提取、高斯滤波、灰度化，最终预处理后背景输出为0(黑色)，目标输出为1(白色)。
②电力线边缘检测:在上一步完成预处理后，进行Canny边缘检测提取本帧图像中的边界信息。灰度值变化最大的点为图形的边缘，此时对其求导、阈值化，提取其中的边缘信息，输出二值图。
③Hough变换：在上一步完成边缘检测后，对图像进行累计概率霍夫变换 (PPHT)算法来检测电力线在OpenCV中可以通过HoughLinesP()函数来实现，函数原型为：
void HoughLinesP(InputArray image,OutputArray lines,double rho,double theta,int threshold,double minLineLength＝0,double max LineGap＝0)
其中，image为输入图像，需要8位的单通道二进制图像。
lines为经过调用HoughLinesP函数后存储的检测线条矢量，每一条矢量线条都由具有四个元素的矢量(x1,y1,x2,y2)表示，其中，(x1,y1)和(x2, y2)为每条检测线段的结束点。
rho为double类型的以像素为单位的距离精度；theta为double类型的以弧度为单位的角度精度。
threshold为int类型的累加平面的阈值参数，即识别图像每条直线时所累加平面所必须达到的值，只有大于该阈值的线段才可以被检测通过并返回到结果中。
第六和第七个参数，有默认值0。
④电力线信息拟合：完成上述步骤之后，进行电力线信息拟合，输出偏航角度偏差与侧滚方向位置偏差。
通过对无人机航拍电力线图像的处理，可以提取出多条电力线信息。
通过对提取出的多条电力线参数求和取平均值获得当前时刻的巡线方向。
再通过将当前时刻拟合的巡线方向与前一时刻的巡线方向按照如下公式拟合出最终的当前时刻无人机巡线方向。
式中：l(k)为当前时刻拟合的巡线方向；l(k-1)为前一时刻拟合的巡线方向；a为取值范围(0,1)的权值；ε为当前时刻拟合的巡线方向与前一时刻拟合的巡线方向的差值；ε_0为差值阈值。
通过对当前时刻拟合的巡线方向与前一时刻拟合的巡线方向差值不同情况，分别赋予当前时刻与前一时刻拟合的巡线方向不同的权值，具体参考表1，可拟合出最终可信度更高的无人机巡线方向。
表1：巡线方向差值与权值对照表
| ε(°) | a() |
| 1.4 | 0.1 |
| 2.9 | 0.2 |
| 4.3 | 0.3 |
| 5.7 | 0.4 |
| 7.2 | 0.5 |
| 8.6 | 0.6 |
| 10.0 | 0.7 |
| 11.4 | 0.8 |
| 12.9 | 0.9 |
举例：权值0.7，从表1中可以得到差值为10度左右。
偏航角度是指无人机机头方向与无人机巡线方向的角度偏差，即图像中拟合出的无人机巡线方向与图像垂线之间的角度。
侧滚方向偏差是指无人机机体与巡线方向之间的距离偏差，即图像中拟合出的无人机巡线方向与图像中心的距离。
如图4所示，无人机的偏航角度为θ，侧滚方向偏差为x。
最后，根据无人机的偏航角度、侧滚方向偏差，无人机控制模块控制无人机巡检过程中的飞行姿态，使其始终沿电力线飞行。即通过公式拟合出最终的当前时刻无人机巡线方向，然后获得无人机的偏航角度为θ，侧滚方向偏差x，然后控制无人机消除偏差，实现始终沿电力线飞行。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，熟悉该本领域的技术人员应该明白本发明包括但不限于上面具体实施方式中描述的内容。任何不偏离本发明的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。
Claims (8)
1.一种基于无人机电力线巡检的异地起降和远程控制系统，其特征在于，包括：
无人机，所述无人机设有定位模块、图像采集模块、图像处理模块以及控制模块，通过定位模块实现无人机实时定位，图像采集模块采集电力线图像，图像处理模块对采集的图像进行处理实现无人机对电力线循迹的位置与航向偏差检测，控制模块根据图像处理模块的处理结果和定位模块的实时定位数据控制无人机沿电力线飞行，并向云端服务器上传电力线巡检图像和对应坐标数据；
起飞地遥控器，所述起飞地遥控器与云端服务器进行通讯，将控制指令上传云端服务器；
降落地遥控器，所述降落地遥控器与云端服务器进行通讯，将控制指令上传云端服务器；
云端服务器，所述云端服务器将控制指令分发给起飞地遥控器和降落地遥控器。
2.根据权利要求1所述的一种基于无人机电力线巡检的异地起降和远程控制系统，其特征在于：所述图像处理模块依次执行如下步骤：对图像预处理去除背景噪声干扰，对处理后的图像进行边缘检测，通过Hough变换完成对图像中的直线提取并将明显误检测的直线过滤，对直线拟合得到巡线方向线段并显示，获取所得到的直线当前时刻偏航角度偏差与侧滚方向位置偏差，将两偏差数据滤波后输出，发送给无人机控制模块。
3.根据权利要求2所述的一种基于无人机电力线巡检的异地起降和远程控制系统，其特征在于：通过对无人机航拍电力线图像的处理提取出多条电力线信息，并通过对提取出的电力线参数求和取平均值获得当前时刻的巡线方向。
4.根据权利要求3所述的一种基于无人机电力线巡检的异地起降和远程控制系统，其特征在于：通过将当前时刻拟合的巡线方向与前一时刻的巡线方向按照如下公式拟合出最终的当前时刻无人机巡线方向，
式中：l(k)为当前时刻拟合的巡线方向；l(k-1)为前一时刻拟合的巡线方向；a为取值范围(0,1)的权值；ε为当前时刻拟合的巡线方向与前一时刻拟合的巡线方向的差值；ε0为差值阈值；
通过对当前时刻拟合的巡线方向与前一时刻拟合的巡线方向差值不同情况，分别赋予当前时刻与前一时刻拟合的巡线方向不同的权值，拟合出最终可信度更高的无人机巡线方向。
5.根据权利要求1所述的一种基于无人机电力线巡检的异地起降和远程控制系统，其特征在于：所述控制指令包括起飞地控制、降落地控制、起飞、降落、开始巡线、图像处理、开始传输数据以及停止传输数据。
6.根据权利要求1所述的一种基于无人机电力线巡检的异地起降和远程控制系统，其特征在于：所述定位模块为提供实时厘米级定位数据的RTK模块。
7.根据权利要求1所述的一种基于无人机电力线巡检的异地起降和远程控制系统，其特征在于：所述图像采集模块为单目摄像头。
8.根据权利要求1所述的一种基于无人机电力线巡检的异地起降和远程控制系统，其特征在于：所述无人机、起飞地遥控器、降落地遥控器以及云端服务器之间采用5G通信。
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