CN204623851U - 基于无人机的电气设备在线监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开的基于无人机的电气设备在线监测系统，包括无人飞行器、无线充电平台以及远程上位机，该无人飞行器上搭载有主控制器、飞行控制模块、热红外成像仪以及用于供电的电池充电模块，所述主控制器分别连接飞行控制模块和热红外成像仪；当无人飞行器飞行至无线充电平台上时，能够对充电电池进行无线充电；该无人飞行器以主控制器为核心处理器，配合飞行控制模块使飞行器实现定点巡线及检测线路的功能，检测部分利用热红外成像仪采集高压线路或设备的热红外图像，以便在地面站根据图像进行检测；考虑到无人飞行器续航能力的不足，本设计加入了无线充电平台，通过该无线充电平台对无人飞行器进行续航充电。

Description

基于无人机的电气设备在线监测系统

技术领域

本实用新型涉及电气设备监测技术领域，尤其是基于无人机的电气设备在线监测系统。

背景技术

我国部分地区还处于偏远的山区，线路大多架设在崇山峻岭中，人工巡视效率低、成本高，且高空巡检诸多不便，难以发现导线、杆塔的一些隐蔽缺陷，人工检测线路的局限性充分地暴露了出来。加上输电线路部件自身的老化、劣化，使得巡线的工作量也日益加大。自然灾害、外部人为破坏等均对电网的完全稳定运行提出了严峻的挑战。在一些国家和地区，载人直升机巡线方式已取代人工巡线并成为主要的巡线手段，通过在直升机上搭载光学相机、红外热像仪、紫外成像仪等多种传感器，实现对输电线路缺陷和线行环境的多维巡检。但是，由于载人直升机的巡检方式成本高，在我国难以普及,因此，将费用相对较低的无人机用于高压输电线路的巡检成为当今电力新技术一个很有前景的发展方向。

实用新型内容

为了解决上述技术问题，本实用新型提供一种基于无人机的电气设备在线监测系统，实用可靠，制作成本低，有效提高工作效率。

为了实现上述目的，本实用新型所采用的技术方案是：

基于无人机的电气设备在线监测系统，包括无人飞行器、无线充电平台以及远程上位机，该无人飞行器上搭载有主控制器、飞行控制模块、热红外成像仪以及用于供电的电池充电模块，所述主控制器分别连接飞行控制模块和热红外成像仪；无线充电平台包括电磁发射模块；该远程上位机与无人飞行器中的主控制器无线连接通信；

其中，所述热红外成像仪内置有视像处理模块，所述无人飞行器内设有电磁接收模块，当无人飞行器飞行至无线充电平台上时，所述电磁接收模块与电磁发射模块匹配连接对电池充电模块内置的充电电池进行无线充电。

该无人飞行器以主控制器为核心处理器，配合飞行控制模块使无人飞行器实现定点巡线及检测线路的功能，检测部分利用热红外成像仪采集高压线路或设备的热红外图像，以便在地面站根据图像进行检测；考虑到无人飞行器续航能力不足以完成整个巡线任务，本设计加入了无线充电平台，通过该无线充电平台对无人飞行器进行续航充电。

上述的飞行控制模块包括电子罗盘、加速度传感器、三轴陀螺仪、数字气压传感器以及GPS模块，所述主控制器通过飞行控制模块获取无人飞行器的航点信息，通过飞行控制模块读取三轴加速度、三轴角速度、气压值以及GPS模块返回的实时坐标、航向角以及对地速度和时间，经计算处理得出可信度较高的航点信息。

作为上述技术方案的改进，所述无人飞行器上设有储存模块，所述视像处理模块通过主控制器与储存模块连接，主控制器将热红外成像仪捕获的图像数据编译成标准的BMP图像文件格式后，将该文件以及GPS数据写入储存模块中，以便在其他终端中读取该文件并对拍摄到的图像进行故障分析。

作为上述技术方案的改进，所述无人飞行器上还包括有用于监测充电电池电量的电量检测模块，能实时得到无人飞行器上充电电池的剩余电量，保证无人飞行器能稳定续航。

作为上述技术方案的改进，所述充电电池为锂电池组，所述电池充电模块内配有充电芯片为每块锂电池独立充电，充电效率更高。

作为上述技术方案的改进，所述无线充电平台上设有电能质量检测模块和无线通信模块，所述电能质量检测模块通过无线通信模块与无人飞行器建立无线通信连接。当无人飞行器降落在无线充电平台上，无线充电平台上记录的电能质量数据能通过控制板上的无线通信模块发送到无人飞行器上。

作为上述技术方案的改进，所述电磁发射模块由整流电路、脉冲发生器以及发射线圈组成；所述电磁接收模块由整流稳压装置和接收线圈组成。

作为上述技术方案的进一步改进，所述接收线圈由铝质漆包导线制成，所述整流稳压装置设有高压CBB电容。

作为上述技术方案的改进，所述无人飞行器为四旋翼无人飞行机。

本实用新型的有益效果：该在线监测系统利用无人飞行器替代直升机载人方式进行巡检，以热红外成像仪作为主要巡检工具拍摄电气设备(如变压器)四周的红外影像，在大大节省人力物力的同时把传统的油耗转化为电耗，更加节能环保，同时为了保证巡检路程，本设计新增了无线充电平台，在无人飞行器低电量时能自主降落在无线充电平台上，并且在充电的同时获途经该无线充电平台的电缆的电压电流等重要电能质量指标；此外，该无线充电平台使用无线充电代替传统的有线充电，无线充电相对于有线充电节省了接口的接驳这一步骤，大大提升了充电的可靠性。

附图说明

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做进一步的说明。

图1是本实用新型的整体框图；

图2是本实用新型的整体原理设计框图。

具体实施方式

参照图1和图2，本实用新型提供的是基于无人机的电气设备在线监测系统，包括无人飞行器1、无线充电平台2以及远程上位机3，该无人飞行器1上搭载有主控制器11、飞行控制模块12、热红外成像仪以及用于供电的电池充电模块14，所述主控制器11分别连接飞行控制模块12和热红外成像仪。所采用的无人飞行器1为四旋翼无人飞行机，飞行稳定；无线充电平台2设置在巡检任务途径的电线杆塔附近，远程上位机3为负责远程控制的计算机。

上述的飞行控制模块12包括电子罗盘、加速度传感器、三轴陀螺仪、数字气压传感器以及GPS模块，所述主控制器11通过飞行控制模块12获取无人飞行器1的航点信息，通过飞行控制模块12读取三轴加速度、三轴角速度、气压值以及GPS模块返回的实时坐标、航向角以及对地速度和时间，利用四元数算法把三轴加速度和三轴角速度融合运算计算出机身当前的姿态角；航向角和对地速度算出的位移，利用实时坐标算出的位移进行融合运算，得出可信度较高的航点信息，同时利用气压数据和GPS的数据融合运算得到飞机的实时高度。飞行器姿态解算的主要算法是四元数法而控制方法主要采取模糊PID算法以及串级PID算法。

上述的热红外成像仪内置有视像处理模块13，由一个STM32F103ZE微处理器、OV7670数字摄像头、5.8G图传模块、OSD以及TAU-320热红外摄像头组成，视像处理模块13通过与储存模块连接，该储存模块内置有SD卡。检测部分利用TAU-320热红外摄像头采集高压线路或设备的热红外图像，在巡检过程中，利用TAU-320热红外摄像头拍摄输出320*240的灰度图，信号为PAL制式的模拟信号，视像处理模块13采取LM1881同步信号分离芯片读取出模拟信号的场中断以及行中断，用TCL5510高速AD转换芯片把模拟信号转为8位数字信号，再使用芯片的DMA读取数字信号并储存。

当无人飞行器1需要停靠在无线充电平台2充电时，STM32F103ZE微处理器接收来自主控制器11的工作指令，当视像处理模块13收到无人飞行器1到达无线充电平台2的指令时，打开OV7670数字摄像头对无人飞行器1下方地面进行拍摄并根据图像利用单目定位技术计算出停机坪所在位置，再把目标航点发送至主控制器11。此外，当视像处理模块13收到无人飞行器1到达电线杆塔的指令时，打开TAU-320热红外成像仪对电线杆塔进行拍摄，再把处理过后的数字数据编译成标准的BMP图像文件格式，将该文件以及其他采集到的相关数据通过FatFs文件系统写入SD卡中，以便在其他终端中读取该文件并对拍摄到的图像进行故障分析。

该系统还可实现手动控制模式，相比于全自动模式，手动控制模式能适应更加复杂、更加高要求的电气设备检修，在无人飞行器1执行任务的过程中，若遇到需要仔细检修的特殊电气设备，地面站工作人员可以通过远程上位机3切换为手动控制模式；当无人飞行器1切换成手动控制模式时，通过5.8G图传模块和OSD给地面站发送实时的图像以及航点、高度、时间、电量等信息，地面站工作人员根据实时图像通过远程上位机3对无人飞行器1进行第一人称视觉操控，以便于更灵活的获取所需图像。

该实施例中采用的主控制器11是由一个STM32F103微处理器、2.4G射频模块和EEPROM组成，通过AD转换口读取充电电池电压以计算电池剩余容量，远程上位机3通过NRF24L01无线模块把目标航线途径的电线杆塔航点发送到主控制器11，主控制器11通过UART读取GPS的航点、时间、速度、航向角等数据，并计算出来的目标航点、高度数据。在巡线过程中，主控制器11根据从GPS模块读取出来的信息计算当前位置，判断出所需工作指令，并把工作指令发送到各模块。

优选的，所述无人飞行器1上还包括有用于监测充电电池电量的电量检测模块，能实时得到无人飞行器1上充电电池的剩余电量，保证无人飞行器1能稳定续航。

考虑到飞行器续航能力不足以完成整个巡线任务，本设计加入了无线充电平台2，通过该无线充电平台2对无人飞行器1进行续航充电。无线充电平台2采用了电磁共振耦合传输方案，摒弃了传统电磁感应方案带来传输距离短的问题。电磁发射模块由整流电路、脉冲发生器以及发射线圈组成；所述电磁接收模块由整流稳压装置和接收线圈组成。电磁共振即电磁发射装置与电磁接收装置在相同频率下进行能量传输，接收线圈采用铝质漆包导线，铝线具有电阻小的特点，能有效降低传输功耗且重量轻适合无人飞行器1携带。接收线圈与高压CBB电容组成LC串联谐振回路，当接收线圈置于发射线圈的同频率电磁场周围时，通过电磁共振作用使接收线圈产生高达200V的交流电压，然后利用整流稳压装置进行降压和稳压限流，输出直流电进行充电。在10MHz,接收线圈直径为30cm情况下，传输距离可达到2m以上、理论传输效率高达90%，取代电磁感应传输方式。

实施例中所采用的充电电池为锂电池组，该锂电池组由3个规格相同的锂电池串联而成，电池充电模块14内配有充电芯片为每块锂电池独立平衡充电，保证每块锂电池都能充满电，充电效率更高。

优选的，所述无线充电平台2上设有电能质量检测模块和无线通信模块，所述电能质量检测模块通过无线通信模块与无人飞行器1建立无线通信连接。当无人飞行器1降落在无线充电平台2上，无线充电平台2上记录的电能质量数据能通过控制板上的无线通信模块发送到无人飞行器1上，该电能质量数据为途经该无线充电平台2的电线杆电缆的电压电流等重要电能质量指标。

该在线监测系统利用无人飞行器1替代直升机载人方式进行巡检，以热红外成像仪作为主要巡检工具拍摄电气设备的红外影像，能轻易靠近电气设备，达到多角度全面拍摄的效果，灵活性更高，在大大节省人力物力的同时把传统的油耗转化为电耗，更加节能环保。

以上所述，只是本实用新型的较佳实施例而已，本实用新型并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本实用新型的技术效果，都应属于本实用新型的保护范围。

Claims (9)

1.基于无人机的电气设备在线监测系统，其特征在于：包括，

无人飞行器（1），该无人飞行器（1）上搭载有主控制器（11）、飞行控制模块（12）、热红外成像仪以及用于供电的电池充电模块（14），所述主控制器（11）分别连接飞行控制模块（12）和热红外成像仪；

无线充电平台（2），包括电磁发射模块；以及，

远程上位机（3），该远程上位机（3）与无人飞行器（1）中的主控制器（11）无线连接通信；

其中，所述热红外成像仪内置视像处理模块（13），所述无人飞行器（1）内设有电磁接收模块，当无人飞行器（1）飞行至无线充电平台（2）上时，所述电磁接收模块与电磁发射模块匹配连接对电池充电模块（14）内置的充电电池进行无线充电。

2.根据权利要求1所述的基于无人机的电气设备在线监测系统，其特征在于：所述飞行控制模块（12）包括电子罗盘、加速度传感器、三轴陀螺仪、数字气压传感器以及GPS模块，所述主控制器（11）通过飞行控制模块（12）获取无人飞行器（1）的航点信息。

3.根据权利要求1或2所述的基于无人机的电气设备在线监测系统，其特征在于：所述无人飞行器（1）上设有储存模块，所述视像处理模块（13）通过主控制器（11）与储存模块连接。

4.根据权利要求1所述的基于无人机的电气设备在线监测系统，其特征在于：所述无人飞行器（1）上还包括有用于监测充电电池电量的电量检测模块。

5.根据权利要求1或4所述的基于无人机的电气设备在线监测系统，其特征在于：所述充电电池为锂电池组，所述电池充电模块（14）内配有充电芯片为每块锂电池独立充电。

6.根据权利要求1所述的基于无人机的电气设备在线监测系统，其特征在于：所述无线充电平台（2）上设有电能质量检测模块和无线通信模块，所述电能质量检测模块通过无线通信模块与无人飞行器（1）建立无线通信连接。

7.根据权利要求1所述的基于无人机的电气设备在线监测系统，其特征在于：所述电磁发射模块由整流电路、脉冲发生器以及发射线圈组成；所述电磁接收模块由整流稳压装置和接收线圈组成。

8.根据权利要求7所述的基于无人机的电气设备在线监测系统，其特征在于：所述接收线圈由铝质漆包导线制成，所述整流稳压装置设有高压CBB电容。

9.根据权利要求1所述的基于无人机的电气设备在线监测系统，其特征在于：所述无人飞行器（1）为四旋翼无人飞行机。