CN205594455U - 一种输电线路杆塔的三维建模系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种输电线路杆塔的三维建模系统，包括多旋翼无人机、设置在所述多旋翼无人机底部中心处的传感控制组件、设置在地面站用于接收所述传感控制组件发送的数据的计算机；传感控制组件包括安装在所述多旋翼无人机底部中心处的飞机控制装置和竖直安装在所述飞机控制装置底部的可见光传感器单元。本实用新型提出的系统能够有效地协调无人机各个功能模块，保证无人机稳定飞行，充分利用无人机飞控及差分GPS采集的数据，将无人机航拍二维图像与其地理位姿信息相融合；其成本低且建模精度高，避免了检修人员的人身安全出现问题，同时为输电线路杆塔的研究工作提供了准确的依据。

Description

一种输电线路杆塔的三维建模系统

技术领域

本实用新型涉及输电线路杆塔建模技术领域，具体涉及一种输电线路杆塔的三维建模系统。

背景技术

多旋翼无人机巡检系统具有方便灵活、快速便捷优点，可以实现高效且低成本的获取输电线塔的航拍图像，但对于每次输电线路杆塔巡检得到数以千计的二维图像，需要专业检修人员一张张的筛选及辨别，效率较低且容易出错。

以往，无人机航拍的序列图像仅包含二维信息，无法再现实体的三维几何结构。传统的三维重建方法价格昂贵效率低，而有人直升机载激光雷达测量系统虽可提供高精度的三维空间信息，但成本高昂，三维模型一旦建立，更新频率极低，无法反应输电线路实时状态。

目前，移动杆塔三维模型的重建主要有两种方法。1:基于激光扫描的三维模型建立方法：光学三维激光扫描工作原理是利用激光三角测距原理，通过光源孔发射出一束水平激光束来扫描物体，该激光束经过旋转平面镜的作用改变角度，使得激光线发射到物体表面。物体表面反射激光束，每一条激光线都通过CCD传感器采集成一帧数据。高速的扫描使得用户在很短的时间内得到所需的数据。该方法的缺点是成本高，作业设备重，不宜无人机搭载；2:基于照片建模技术的三维模型建立方法：基于照片的建模方法是根据立体视觉或运动图像自动或半自动地提取场景的几何信息。基于照片的建模方法可以快速地、高效地完成物体的三维建模。基于照片三维重建的基本原理是通过两幅以上的照片获取照片中各点的空间信息，进而建立三维模型。该方法缺点是精确度较低。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型提供的一种输电线路杆塔的三维建模系统，该系统能够有效地协调无人机各个功能模块，保证无人机稳定飞行，充分利用无人机飞控及差分GPS采集的数据，将无人机航拍二维图像与其地理位姿信息相融合；其成本低且建模精度高，避免了检修人员的人身安全出现问题，同时为输电线路杆塔的研究工作提供了准确的依据。

本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的：

一种输电线路杆塔的三维建模系统，所述系统包括多旋翼无人机、设置在所述多旋翼无人机底部中心处的传感控制组件、设置在地面站用于接收所述传感控制组件发送的数据的计算机；

所述传感控制组件包括安装在所述多旋翼无人机底部中心处的飞机控制装置和竖直安装在所述飞机控制装置底部的可见光传感器单元。

优选的，所述飞机控制装置为扁平状长方体、且其上下端板的边长均大于所述扁平状长方体的高；

所述飞机控制装置的上端板固定安装在所述多旋翼无人机底部中心处；

所述飞机控制装置的下端板用调整台与所述可见光传感器单元连接。

优选的，所述可见光传感器单元包括传感器固定架和安装在所述传感器固定架下部的可见光传感器；

所述传感器固定架的顶端与所述调整台固定连接。

优选的，所述调整台包括四角用螺钉连接且间距可调的上下板；

所述上板的底面中心处设有圆形凸台，且所述凸台的中心处设有正方形定位槽，所述定位槽的中心处设有螺孔；

所述上板远离所述凸台的四角处均设有腰型孔，所述飞机控制装置的下端板在所述上板的顶面用螺钉穿过所述腰型孔与所述调整台可移动式连接；

所述下板的板中心处设有半径大于所述凸台半径的圆形孔。

优选的，所述传感器固定架包括顶板、底板及用于连接所述顶板和底板的粗调滑板；

所述顶板和底板均与所述粗调滑板可滑动式连接；

所述顶板与所述凸台上的所述定位槽用螺钉固定连接；

所述底板上固定安装有所述可见光传感器。

优选的，所述顶板的中心处设有螺孔；所述螺钉穿过所述顶板中心处的螺孔至所述定位槽中心处的螺孔内、固定所述调整台与所述传感器固定架。

从上述的技术方案可以看出，本实用新型提供了一种输电线路杆塔的三维建模系统，包括多旋翼无人机、设置在所述多旋翼无人机底部中心处的传感控制组件、设置在地面站用于接收所述传感控制组件发送的数据的计算机；传感控制组件包括安装在所述多旋翼无人机底部中心处的飞机控制装置和竖直安装在所述飞机控制装置底部的可见光传感器单元。本实用新型提出的系统能够有效地协调无人机各个功能模块，保证无人机稳定飞行，充分利用无人机飞控及差分GPS采集的数据，将无人机航拍二维图像与其地理位姿信息相融合；其成本低且建模精度高，避免了检修人员的人身安全出现问题，同时为输电线路杆塔的研究工作提供了准确的依据。

与最接近的现有技术比，本实用新型提供的技术方案具有以下优异效果：

1、本实用新型所提供的技术方案中，通过采集无人机姿态数据，控制无人机各个马达输出量，协调无人机各个功能模块，保证无人机稳定飞行，充分利用无人机飞控及差分GPS采集的数据，将无人机航拍二维图像与其地理位姿信息相融合，以及基于序列图像的三维重建技术相结合，实现高精度、低成本输电线塔三维重建。

2、本实用新型所提供的技术方案，系统包括设置在地面站的计算机、多旋翼无人机、设置在多旋翼无人机内的差分GPS单元及设置在多旋翼无人机底部中心处的传感控制组件；能够有效地协调无人机各个功能模块，保证无人机稳定飞行，充分利用无人机飞控及差分GPS采集的数据，将无人机航拍二维图像与其地理位姿信息相融合；其成本低且建模精度高，避免了检修人员的人身安全出现问题，同时为输电线路杆塔的研究工作提供了准确的依据。

3、本实用新型所提供的技术方案，将无人机航拍二维图像与其地理位姿信息相融 合；其成本低且建模精度高。

4、本实用新型提供的技术方案，应用广泛，具有显著的社会效益和经济效益。

附图说明

图1是本实用新型的一种输电线路杆塔的三维建模系统的结构侧视图；

图2是本实用新型的一种输电线路杆塔的三维建模系统的结构主视图；

图3是本实用新型的建模系统中的调整台的结构主视图；

图4是本实用新型的建模系统中的调整台的立体结构示意图；

图5是本实用新型的建模系统中的传感器固定架的结构示意图。

其中，1-计算机；2-多旋翼无人机；3-飞机控制装置；4-调整台；401-圆形凸台；402-定位槽；403-螺孔；404-腰型孔；405-圆形孔；5-传感器固定架；501-顶板；502-底板；503-粗调滑板；6-可见光传感器。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

如图1和2所示，本实用新型提供一种输电线路杆塔的三维建模系统，系统包括设置在地面站的计算机1、多旋翼无人机2、设置在多旋翼无人机2内的差分GPS单元及设置在多旋翼无人机2底部中心处的传感控制组件；

计算机1用于接收传感控制组件发回的数据并整合建模；

差分GPS单元用于实时采集旋翼无人机的位置数据并将其发送至计算机1；

传感控制组件包括安装在多旋翼无人机2底部中心处的飞机控制装置3和竖直安装在飞机控制装置3底部的可见光传感器单元；

飞机控制装置3用于接收地面站的控制指令并根据控制指令控制多旋翼无人机2的飞行轨迹、实时采集多旋翼无人机2的姿态数据并将其发送至计算机1；

可见光传感器6用于拍摄输电线路杆塔的图片并将其发送至计算机1。

其中，飞机控制装置3为扁平状长方体、且其上下端板的边长均大于扁平状长方体的高；

飞机控制装置3的上端板固定安装在多旋翼无人机2底部中心处；

飞机控制装置3的下端板用调整台4与可见光传感器单元连接。

其中，可见光传感器单元包括传感器固定架5和安装在传感器固定架5下部的可见光传感器6；

传感器固定架5的顶端与调整台4固定连接。

如图3和4所示，调整台4包括四角用螺钉连接且间距可调的上下板；

上板的底面中心处设有圆形凸台401，且凸台的中心处设有正方形定位槽402，定位槽402的中心处设有螺孔403；

上板远离凸台的四角处均设有腰型孔404，飞机控制装置的下端板在上板的顶面用螺钉穿过腰型孔404与调整台4可移动式连接；

下板的板中心处设有半径大于凸台半径的圆形孔405。

如图5所示，传感器固定架5包括顶板501、底板502及用于连接顶板501和底板502的粗调滑板503；

顶板501和底板502均与粗调滑板503可滑动式连接；

顶板501与凸台上的定位槽402用螺钉固定连接；

底板502上固定安装有可见光传感器6。

其中，顶板501的中心处设有螺孔403；螺钉穿过顶板501中心处的螺孔403至定位槽402中心处的螺孔403内、固定调整台4与传感器固定架5。

本实用新型提供一种应用在输电线路杆塔的三维建模系统的建模方法的具体应用例，本应用例中，传感控制组件的型号为gopro4；飞机控制装置的型号为pixhawk；

建模方法如下：

(1)基于多旋翼无人机2的三维模型重建系统原理：

无人机飞控系统集成角速度传感器、角加速度传感器、气压高度传感器，无人机还配备GPS，多种传感器相互配合，实现无人机的安全稳定飞行。角速度传感器与角加速度传感器作用是测量无人机飞行实时俯仰、偏航及横滚数据；气压高度传感器作用是测量无人机实时飞行高度；GPS作用是测量无人机飞行实时地理位置。

基于照片建模技术的三维模型建立方法，可以利用多张不同角度照片重建目标三维模型，重建模型与实物形状相同，但无尺寸信息，单纯的基于照片建模技术建立的三维模型应用价值低，若成功采集照片拍摄时照相机的俯仰、偏航、横滚、地理坐标及高度等位姿数据，则可重建具有实际尺寸信息的三维模型。

多旋翼无人机2具有方便灵活、快速便捷等优点，可高效且低成本的获取输电线塔的航拍照片。无人机飞行时，各传感器采集的数据一方面保证无人机安全稳定飞行，一方面用于计算可见光传感器6拍摄航拍照片时的位姿信息，再利用基于照片建模技术的三维模型建立方法，重建具有尺寸数据的输电线路杆塔三维模型。

(2)基于多旋翼无人机2的三维模型重建系统工作过程：

以多旋翼无人机2为平台，搭载高清可见光传感器6，对杆塔进行拍照，利用高清图传模块将照片实时传至地面站模型重建软件，同时利用数传模块将无人机飞控系统中传感器及GPS测量的位置、姿态信息实时传至地面站模型重建软件，软件对照片、位姿等数据进行计算，最终建立杆塔三维模型。

无人驾驶飞机简称“无人机”，英文缩写为“UAV”，是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机。多旋翼无人机2系统由机架、动力模块、飞行控制系统、GPS、数传、图传、地面站组成。

无人机飞行时，GPS实时采集无人机地理位置数据，通过数据传输模块将无人机的地理位置数据传输至地面站；飞控系统实时采集无人机俯仰、横滚、偏航姿态数据，限制无人机俯仰角、横滚角、偏航角的最大瞬时变化量，确保无人机稳定飞行，并通过数传将无人机姿态数据传输至地面站；相机是无人机常见的搭载工具，机载相机拍摄的相片或录像通过数传模块实时传输至地面站。地面站上储存并实时显示无人机位置、姿态数据，为无人机操作人员操作无人机提供依据，保证安全飞行，地面站实时显示机载相机拍摄的图片、录像，无人机操作人员根据已拍摄的图片及录像，及时调整，远程控制机载相机，完成拍摄作业。

无人机系统具备将拍摄的二维图像转换成三维模型的硬件配置，在地面站系统中，对采集到的无人机地理位置、俯仰、偏航、横滚数据进行再计算，获得机载相机的实时地理位置、俯仰、偏航、横滚数据，并使相机的位姿数据与相机拍摄的照片结合，根据多目视觉原理，重建拍摄目标三维模型。

最终，无人机航拍作业成果由二维图像转换成为三维模型，利用无人机系统现有配置，将航拍获得的相片转换成三维模型，可扩展拍摄成果的应用领域，提高无人机机载设备采集的数据利用率。

(3)系统建模精度保证装置：

重建模型精度取决于无人机的飞行控制精度和可见光传感器6的控制精度。无人机的飞行控制精度取决于无人机飞行控制系统自身精度及飞行控制系统安装精度，对于已确定飞控系统型号的无人机，飞控系统作为无人机的大脑，其形心与无人机及任务设备整体重心重合度越高，无人机的飞行控制精度越高，可通过提高飞控系统安装精度提高无人机的飞行控制精度。将机载可见光传感器6与飞控系统刚性连接，通过飞控系统测量的无人机及任务设备整体重心位置的俯仰、偏航、横滚、高度及地理坐标等位姿数据计算可见光传感器6的位姿数据，可通过提高飞控系统安装精度提高可见光传感器6的控制精度。同时，机载可见光传感器6与飞控系统刚性连接，无人机及任务设备整体重心保持不变(忽略螺旋桨的旋转)，易于提高无人机飞飞行控制精度。

3.1飞控系统位置调整台4模块：

为提高飞控系统的安装精度，设计了无人机飞控系统位置调整台4模块，该模块可 以与可见光传感器6刚性连接。

调整台4上板与调整台4下板开有腰形孔。调整台4上板与飞控系统在腰形孔处用螺钉连接，通过腰形孔调整飞控系统纵向安装位置；调整台4下板在腰形孔处与无人机机身下板用螺钉连接，通过腰形孔调整飞控系统横向安装位置。调整台4上板与调整台4下板通过螺柱与螺母连接，并实现两板距离可变，精调飞控系统竖直方向安装位置和水平度。调整台4上板底部开正方形槽及螺纹孔，用于与固定架上端定位连接。

3.2相机固定架模块：

可见光传感器6与飞控调整台4刚性连接，设计了与调整台4相匹配的相机固定架。固定托架与相机通过两个相互竖直的面接触定位，通过下部调节螺钉连接；固定架上端与调整台4上板通过正方形槽定位，通过上部连接螺钉连接；粗调滑板503与固定架上端及固定托架通过限位槽定位，通过调节螺钉连接，通过粗调滑板503调节固定托架与调整台4上板竖直距离，从而粗调无人机与任务设备整体重心位置。

无人机与任务设备整体横向与纵向两个方向重量分布大体对称，竖直方向上重量分布不对称，所以，飞控系统形心与整体重心重合度在横向与纵向只需精调，在竖直方向上须粗调与精调。通过改变固定托架与固定架上端竖直距离，使整体重心在竖直方向上位于无人机机身中段，粗调飞控竖直方向位置，再通过调节调整台4上、下板间的距离精调飞控在竖直方向上的位置。

(4)地面站三维模型重建软件：

针对多旋翼无人机2飞控系统，利用其控件进行基于流程化界面的二次开发，完成三维模型重建软件的编写。三维模型重建软件通过数传与无人机飞控、差分GPS进行无人机位置、姿态数据无缝通信，并通过图传接收可见光传感器6拍摄的照片，将数据与照片进行整合，并通过相机的图像坐标系与空间物体三维坐标系之间的关系，计算相机内部参数，根据基于照片建模技术的建立三维模型算法，实现目标三维模型的重建。

以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本实用新型进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本实用新型的具体实施方式进行修改或者等同替换，而这些未脱离本实用新型精神和范围的任何修改或者等同替换，其均在申请待批的本实用新型的权利要求保护范围之内。

Claims (6)

1.一种输电线路杆塔的三维建模系统，其特征在于，所述系统包括多旋翼无人机、设置在所述多旋翼无人机底部中心处的传感控制组件、设置在地面站用于接收所述传感控制组件发送的数据的计算机；

所述传感控制组件包括安装在所述多旋翼无人机底部中心处的飞机控制装置和竖直安装在所述飞机控制装置底部的可见光传感器单元。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述飞机控制装置为扁平状长方体、且其上下端板的边长均大于所述扁平状长方体的高；

所述飞机控制装置的上端板固定安装在所述多旋翼无人机底部中心处；

所述飞机控制装置的下端板用调整台与所述可见光传感器单元连接。

3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述可见光传感器单元包括传感器固定架和安装在所述传感器固定架下部的可见光传感器；

所述传感器固定架的顶端与所述调整台固定连接。

4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述调整台包括四角用螺钉连接且间距可调的上下板；

所述上板的底面中心处设有圆形凸台，且所述凸台的中心处设有正方形定位槽，所述定位槽的中心处设有螺孔；

所述上板远离所述凸台的四角处均设有腰型孔，所述飞机控制装置的下端板在所述上板的顶面用螺钉穿过所述腰型孔与所述调整台可移动式连接；

所述下板的板中心处设有半径大于所述凸台半径的圆形孔。

5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述传感器固定架包括顶板、底板及用于连接所述顶板和底板的粗调滑板；

所述顶板和底板均与所述粗调滑板可滑动式连接；

所述顶板与所述凸台上的所述定位槽用螺钉固定连接；

所述底板上固定安装有所述可见光传感器。

6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述顶板的中心处设有螺孔；所述螺钉穿过所述顶板中心处的螺孔至所述定位槽中心处的螺孔内、固定所述调整台与所述传感器固定架。