CN116627172A - 一种基于无人机的电网室内自动巡检系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种基于无人机的电网室内自动巡检系统，包括：无人机搭载子系统包括飞行平台、室内导航定位模组和载荷模组，用于为巡检载荷设备提供飞行载具平台，采用基于紧耦合激光雷达融合IMU的SLAM算法进行实时定位，得到实时位置信息；机库分系统包括机库平台和充电模组，用于提供容纳空间、辅助机构，并实现自动充电；通信单元用于为无人机、机库和管控平台提供实时传输目标信息的传输媒介；管控平台用于根据预置飞行任务和预置飞行策略管理并控制无人机设备资源，实现多无人机巡检综合管控。本申请能解决现有技术受限于无或弱GPS信号室内环境和大量专业操作人员的需求，导致实际电网室内无人机自主巡检效果较差的技术问题。

Description

一种基于无人机的电网室内自动巡检系统

技术领域

本申请涉及无人机巡检技术领域，尤其涉及一种基于无人机的电网室内自动巡检系统。

背景技术

随着国家的发展和社会的进步，电网建设除了规模和发展速度超前之外，还要保证供电的稳定性、持续性和供电质量，这就要求常态化的电力巡检来保障。然而当前我国电力巡检大都依靠着人工为主，一方面受地域空间、复杂地形、多变的气象影响，人工巡检存在着不少局限性和危险性；另一方面，由于不断上升的人力成本，这使得电力巡检的成本也越来越高。在这样的情形下，采用无人机、传感器和智能辅助设备可以助力常态化巡检工作的高效高质量发展。

无人机系统及巡检技术在电力领域的深度应用仍有较大发展空间，特别是在针对室内电力设备的自主巡检领域。当前电力行业主流的应用场景集中在室外环境，基于成熟的GPS定位技术，常规无人机系统的应用十分简单和便捷。但在无或弱GPS信号的室内环境，无人机的巡检效果就受到了明显的影响。加之随着无人机应用的逐渐广泛，对专业操控人员的数量需求也随之提升，这会对操控人员的数量和技能熟练度形成一定的依赖，在一定程度上会影响实现无人值守全自主飞行作业的能力升级。

发明内容

本申请提供了一种基于无人机的电网室内自动巡检系统，用于解决现有技术受限于无或弱GPS信号室内环境和大量专业操作人员的需求，导致实际电网室内无人机自主巡检效果较差的技术问题。

有鉴于此，本申请提供了一种基于无人机的电网室内自动巡检系统，包括：无人机搭载子系统、机库分系统、通信单元和管控平台；

所述无人机搭载子系统包括飞行平台、室内导航定位模组和载荷模组，用于为巡检载荷设备提供飞行载具平台，采用基于紧耦合激光雷达融合IMU的SLAM算法进行实时定位，得到实时位置信息；

所述机库分系统包括机库平台和充电模组，用于提供容纳空间、辅助机构，并实现自动充电；

所述通信单元，用于为无人机、机库和所述管控平台提供实时传输目标信息的传输媒介，目标信息包括无人机飞行参数、采集图像信息和控制指令；

所述管控平台，用于根据预置飞行任务和预置飞行策略管理并控制无人机设备资源，实现多无人机巡检综合管控。

优选地，所述无人机搭载子系统，具体用于：

为巡检载荷设备提供飞行载具平台，同时选取三光一体式相机作为载荷模组中的任务载荷设备；

通过激光雷达获取电网室内雷达数据后，采用根据IMU预积分原理构建的预积分模型对所述雷达数据进行融合分析，得到实时定位信息。

优选地，所述飞行平台包括：外壳、结构部件、运动机构、控制模组及电气子系统；

所述运动机构，用于驱动所述机库的舱盖开合；

所述电气子系统，用于管理所述机库的强弱电连接。

优选地，所述充电模组包括送电组件和受电组件，所述受电组件安装在所述无人机上；

所述充电模组，用于在检测到所述无人机的实时动力电池电量低于第一电量阈值时，为所述无人机自动充电，在检测到实时机载电池电量低于第二电量阈值时，选择机载电池充电模式。

优选地，所述管控平台包括设备资源管理子单元、飞行策略管理子单元、飞行任务管理子单元、任务数据管理子单元和系统账号管理子单元；

所述设备资源管理子单元，对多无人机进行配置管理，基于巡检业务站点对所述无人机进行信息配置；

所述飞行策略管理子单元，用于根据所述巡检业务站点生成无人机巡检航线和巡航参数，得到预置飞行策略，所述巡航参数包括飞行速度、飞行高度和无人机动作；

所述飞行任务管理子单元，用于生成所述控制指令，并对接收到的巡检任务进行整理和分类，得到预置飞行任务，所述预置飞行任务包括定时巡检任务、临时巡检任务和手动巡检任务；

所述任务数据管理子单元，用于记录无人机的巡检信息，所述巡检信息包括飞行时间、飞行里程、站点日志和所述采集图像信息；

所述系统账号管理子单元，用于管理访问系统的用户的用户账号、用户角色和用户权限。

优选地，所述无人机与所述管控平台之间通过所述机库的中继实现信息传输。

从以上技术方案可以看出，本申请实施例具有以下优点：

本申请中，提供了一种基于无人机的电网室内自动巡检系统，包括：无人机搭载子系统、机库分系统、通信单元和管控平台；无人机搭载子系统包括飞行平台、室内导航定位模组和载荷模组，用于为巡检载荷设备提供飞行载具平台，采用基于紧耦合激光雷达融合IMU的SLAM算法进行实时定位，得到实时位置信息；机库分系统包括机库平台和充电模组，用于提供容纳空间、辅助机构，并实现自动充电；通信单元，用于为无人机、机库和管控平台提供实时传输目标信息的传输媒介，目标信息包括无人机飞行参数、采集图像信息和控制指令；管控平台，用于根据预置飞行任务和预置飞行策略管理并控制无人机设备资源，实现多无人机巡检综合管控。

本申请提供的基于无人机的电网室内自动巡检系统，基于紧耦合激光雷达融合IMU的SLAM算法进行实时定位，得到实时位置信息；将激光雷达数据与IMU数据融合，提高了巡检系统的定位可靠性和鲁棒性，且能够适应多种巡检环境，确保定位的准确性，减少了对GPS信号变化的依赖；此外，通过管控平台对多无人机进行无人机巡检综合管控，可以一定程度上减少对专业操作人员的依赖，还可以更加合理的分配无人机设备资源，使得无人机巡检任务更加合理规范。因此，本申请能够解决现有技术受限于无或弱GPS信号室内环境和大量专业操作人员的需求，导致实际电网室内无人机自主巡检效果较差的技术问题。

附图说明

图1为本申请实施例提供的一种基于无人机的电网室内自动巡检系统的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的基于紧耦合激光雷达融合IMU的SLAM算法的计算框架示意图；

图3为本申请实施例提供的充电模组工作示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

为了便于理解，请参阅图1，本申请提供的一种基于无人机的电网室内自动巡检系统的实施例，包括：无人机搭载子系统101、机库分系统102、通信单元103和管控平台104；

无人机搭载子系统101包括飞行平台、室内导航定位模组和载荷模组，用于为巡检载荷设备提供飞行载具平台，采用基于紧耦合激光雷达融合IMU的SLAM算法进行实时定位，得到实时位置信息。

进一步地，无人机搭载子系统101，具体用于：

为巡检载荷设备提供飞行载具平台，同时选取三光一体式相机作为载荷模组中的任务载荷设备；

通过激光雷达获取电网室内雷达数据后，采用根据IMU预积分原理构建的预积分模型对雷达数据进行融合分析，得到实时定位信息。

需要说明的是，巡检载荷设备包括且不限于无人机和载荷模组中的其他载荷设备，例如激光雷达、机库或信号传输装置等。本实施例中的飞行平台以小型四旋翼无人机为基础架构，小巧的机体尺寸搭配强大的视觉感知避障能力，高度可适应狭小且障碍物较多的室内空间飞行；同时采用安全开放的系统标准接口，支持第三方基于其SDK和API进行深度定制开发，挖掘更智能、更匹配的应用功能。此外，基于巡检任务需求，载荷模组中的载荷设备选用小型的三光一体式相机即可满足需求。

本实施例采用室内导航定位模组实现无人机巡检系统的实时定位，可以根据实现功能划分为两个模块：计算模块和激光雷达组件；激光雷达组件用于实时获取电网室内雷达数据，雷达数据一般是指环境内物体的三维坐标信息；计算模块用于进行根据IMU预积分原理构建的预积分模型，并根据预积分模型对雷达数据和IMU数据进行融合分析计算，得到实时定位信息；实质过程就是利用雷达数据特征点与IMU预积分的位置、方向和速度进行融合操作，得到优化的位置信息。

具体的，雷达数据特征点是在根据IMU预积分变换参数和线性插值处理后的矫正数据中提取的特征。基于前后时刻的雷达数据特征可以构建距离约束条件，而基于IMU数据可以构建前后两帧的代价函数；基于距离约束条件和代价函数则可以生成预积分模型，采用LM算法可以优化求解预积分模型，进而得到实时位置信息；计算过程可以参阅图2。

在实际操作过程中，采用计算效率高、鲁棒的激光雷达-惯性里程计框架；系统利用紧密耦合的迭代扩展卡尔曼滤波器将激光雷达数据的特征点与IMU数据融合，从而在快速运动、噪声或杂波环境中确保巡航的鲁棒性；还可以在大跨度空间室内提供可靠定位。

进一步地，飞行平台包括：外壳、结构部件、运动机构、控制模组及电气子系统；

运动机构，用于驱动机库的舱盖开合；

电气子系统，用于管理机库的强弱电连接。

需要说明的是，外壳和结构部件主要支撑起机库整体造型；运动机构驱动机库的舱盖开合，以及无人机归来时等执行动作；控制模组执行对机库的控制动作；电气子系统管理机库的强弱电连接。

此外，本实施例中的机库平台能够与飞行平台适配，本实施例还选用基于自研机库产品定制改装的小型化机库，通过视觉识别算法等定位技术的优化应用，使得无人机在室内环境下依然能够与机库进行精准的位置对接，实现在机库平台上的精准降落。

机库分系统102包括机库平台和充电模组，用于提供容纳空间、辅助机构，并实现自动充电。

需要说明的是，机库分系统是作为无人机巡检系统自动化运行的辅助设备，通过提供容纳空间与辅助机构为系统自动化运行提供安全防护，通过充电模组实现对无人机的自动充电，从而确保无人机巡检系统无人值守的自主化运行性能。其中，机库平台主要用于为机库提供安装空间。

进一步地，充电模组包括送电组件和受电组件，受电组件安装在无人机上；

充电模组，用于在检测到无人机的实时动力电池电量低于第一电量阈值时，为无人机自动充电，在检测到实时机载电池电量低于第二电量阈值时，选择机载电池充电模式。

本实施例在充电模组中设计了智能化工作机制，可对完成飞行任务降落在机库的无人机进行自动补电，无需人工参与，即可使无人机保持满电量待飞准备状态，随时执行任务。

请参阅图3，送电组件安装在机库端，且送电组件中含有用于检测无人机工作状态的充电控制模块，充电控制模块可以根据检测到的无人机工作状态判定无人机是否降落在机库中，从而生成补电控制指令，机库端还设置了电源管理模块，用于检测无人机实时动力电池电量是否低于第一电量阈值，若是，则驱动充电器为无人机自动充电。电源管理模块还可以检测实时机载电池电量是否低于第二电量阈值，若是，则选择机载电池充电模式。若是实际情况需要，还可以在电源管理模块中配置温度检测、充电模式选择等功能，具体的在此不作限定。

可以理解的是，本实施例中的充电器可以将市电220V的交流电转换为合适的直流电压，自动充电过程中的充电器通过与无人机端紧密接触的受电组件连接，完成充电任务。此外，充电模组的最大充电功率不低于100W。

通信单元103，用于为无人机、机库和管控平台提供实时传输目标信息的传输媒介，目标信息包括无人机飞行参数、采集图像信息和控制指令。

进一步地，无人机与管控平台之间通过机库的中继实现信息传输。

本实施例中的无人机与机库，机库与管控平台之间存在有线或者无线的连接关系，主要用于信息的流转，例如采集图像信息的传输，用于巡检的控制指令的下达等，用于实现系统内部的实时数据交换，便于系统协同运行。

需要说明的是，本实施例中的无人机与机库之间通过射频技术进行信息交换，包括无人机飞行参数，例如无人机位姿、巡检高度、巡检速度和巡检动作等飞行相关数据，还有无人机采集的图像或者视频等信息。

本实施例的机库与管控平台之间通过有线或者无线公网，或是私有化部署局域网进行数据传输，具体包括管控平台下发的对机库或者无人机的控制指令，以及机库回传的信息。无人机就是通过机库的中继建立通信，进而实现与管控平台的信息传输。

管控平台104，用于根据预置飞行任务和预置飞行策略管理并控制无人机设备资源，实现多无人机巡检综合管控。

进一步地，管控平台包括设备资源管理子单元、飞行策略管理子单元、飞行任务管理子单元、任务数据管理子单元和系统账号管理子单元；

设备资源管理子单元，对多无人机进行配置管理，基于巡检业务站点对无人机进行信息配置；

飞行策略管理子单元，用于根据巡检业务站点生成无人机巡检航线和巡航参数，得到预置飞行策略，巡航参数包括飞行速度、飞行高度和无人机动作；

飞行任务管理子单元，用于生成控制指令，并对接收到的巡检任务进行整理和分类，得到预置飞行任务，预置飞行任务包括定时巡检任务、临时巡检任务和手动巡检任务；

任务数据管理子单元，用于记录无人机的巡检信息，巡检信息包括飞行时间、飞行里程、站点日志和采集图像信息；

系统账号管理子单元，用于管理访问系统的用户的用户账号、用户角色和用户权限。

需要说明的是，管控平台104可以根据生成的预置飞行任务和预置飞行策略管理并控制无人机设备资源，实现多无人机巡检综合管控；管控方式主要通过控制指令实现。管控平台实质是对无人机设备资源、飞行策略、飞行任务、任务数据以及系统账号进行多方面管理和控制。

此外，本实施例的设备资源管理子单元除了管理多无人机之外，还可以对机库和巡检场地进行管理，可以绑定无人机设备、机库和巡检场地，且可以查看无人机资源与机库状态，便于定时巡检任务的高效执行。

可以理解的是，巡航参数包括飞行速度、飞行高度和无人机动作；还可以包括无人机偏航角、云台角度等信息，此外，还可以设置无人机特定巡航点做出悬停、转向、拍照和录像等不同无人机动作，具体的可以根据需要设置，在此不作限定。

而且，本实施例中的定时巡检任务可以为预置飞行策略提供时间参考信息，进行计划性巡检；例如预置小时/每天/每周/每月的时间规律。手动巡检任务则是系统给用户提供无人机操作权限，便于用户自行操控无人机开展巡检任务。还可以根据需要为不同的预置飞行任务设置优先级，根据任务类型不同，优先级不同制定合理的巡检计划，具体的在此不作限定。

任务数据管理子单元主要是用于为管理人员提供无人机的历史巡检信息，巡检信息还可以包括任务时间等信息。如若实际情况需要，还可以在地图界面动态展示历史巡检飞行轨迹，查看无人机执行任务过程中拍摄的图像或者录制的视频等。

系统账号管理子单元主要是用于实现“一个平台-多个站点”的集中管控模式，用于管理访问系统的所有人员的用户账号、用户角色和用户权限。还可以按照组织架构方式对用户账号进行严格管控，实现责任落实。

本申请实施例提供的基于无人机的电网室内自动巡检系统，基于紧耦合激光雷达融合IMU的SLAM算法进行实时定位，得到实时位置信息；将激光雷达数据与IMU数据融合，提高了巡检系统的定位可靠性和鲁棒性，且能够适应多种巡检环境，确保定位的准确性，减少了对GPS信号变化的依赖；此外，通过管控平台对多无人机进行无人机巡检综合管控，可以一定程度上减少对专业操作人员的依赖，还可以更加合理的分配无人机设备资源，使得无人机巡检任务更加合理规范。因此，本申请实施例能够解决现有技术受限于无或弱GPS信号室内环境和大量专业操作人员的需求，导致实际电网室内无人机自主巡检效果较差的技术问题。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以通过一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(英文全称：Read-OnlyMemory，英文缩写：ROM)、随机存取存储器(英文全称：RandomAccess Memory，英文缩写：RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种基于无人机的电网室内自动巡检系统，其特征在于，包括：无人机搭载子系统、机库分系统、通信单元和管控平台；

所述无人机搭载子系统包括飞行平台、室内导航定位模组和载荷模组，用于为巡检载荷设备提供飞行载具平台，采用基于紧耦合激光雷达融合IMU的SLAM算法进行实时定位，得到实时位置信息；

所述机库分系统包括机库平台和充电模组，用于提供容纳空间、辅助机构，并实现自动充电；

所述通信单元，用于为无人机、机库和所述管控平台提供实时传输目标信息的传输媒介，目标信息包括无人机飞行参数、采集图像信息和控制指令；

所述管控平台，用于根据预置飞行任务和预置飞行策略管理并控制无人机设备资源，实现多无人机巡检综合管控。

2.根据权利要求1所述的基于无人机的电网室内自动巡检系统，其特征在于，所述无人机搭载子系统，具体用于：

为巡检载荷设备提供飞行载具平台，同时选取三光一体式相机作为载荷模组中的任务载荷设备；

通过激光雷达获取电网室内雷达数据后，采用根据IMU预积分原理构建的预积分模型对所述雷达数据进行融合分析，得到实时定位信息。

3.根据权利要求1所述的基于无人机的电网室内自动巡检系统，其特征在于，所述飞行平台包括：外壳、结构部件、运动机构、控制模组及电气子系统；

所述运动机构，用于驱动所述机库的舱盖开合；

所述电气子系统，用于管理所述机库的强弱电连接。

4.根据权利要求1所述的基于无人机的电网室内自动巡检系统，其特征在于，所述充电模组包括送电组件和受电组件，所述受电组件安装在所述无人机上；

所述充电模组，用于在检测到所述无人机的实时动力电池电量低于第一电量阈值时，为所述无人机自动充电，在检测到实时机载电池电量低于第二电量阈值时，选择机载电池充电模式。

5.根据权利要求1所述的基于无人机的电网室内自动巡检系统，其特征在于，所述管控平台包括设备资源管理子单元、飞行策略管理子单元、飞行任务管理子单元、任务数据管理子单元和系统账号管理子单元；

所述设备资源管理子单元，对多无人机进行配置管理，基于巡检业务站点对所述无人机进行信息配置；

所述飞行策略管理子单元，用于根据所述巡检业务站点生成无人机巡检航线和巡航参数，得到预置飞行策略，所述巡航参数包括飞行速度、飞行高度和无人机动作；

所述飞行任务管理子单元，用于生成所述控制指令，并对接收到的巡检任务进行整理和分类，得到预置飞行任务，所述预置飞行任务包括定时巡检任务、临时巡检任务和手动巡检任务；

所述任务数据管理子单元，用于记录无人机的巡检信息，所述巡检信息包括飞行时间、飞行里程、站点日志和所述采集图像信息；

所述系统账号管理子单元，用于管理访问系统的用户的用户账号、用户角色和用户权限。

6.根据权利要求1所述的基于无人机的电网室内自动巡检系统，其特征在于，所述无人机与所述管控平台之间通过所述机库的中继实现信息传输。