CN211087009U - 一种基于飞行器的接触网巡检装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于飞行器的接触网巡检装置，涉及无人机技术领域，包括飞行器及地面控制分析系统，飞行器包括动力系统、用于避障控制的避障模块、执行图像采集任务并与地面控制分析系统无线传输通信的图像采集传输模块、装载图像采集传输模块的双轴拍摄云台、飞行控制模块、用于精准测得飞行器与障碍物距离的导航测距模块、惯性导航模块、电子罗盘，利用高清成像设备对接触网进行图像数据采集，并将采集的图像数据与正常图像数据比对判断接触网是否异常，在判断出异常时报警，同时将相关信息(如站区、杆号、定位信息)传送至检修人员，该巡检装置代替人工巡检，具有智能化程度高、系统可靠性高和灵活性好的特点，能有效降低故障发生率。

Description

一种基于飞行器的接触网巡检装置

技术领域

本实用新型属于无人机技术领域，尤其涉及一种基于飞行器的接触网巡检装置。

背景技术

接触网是在铁路系统中，沿钢轨上空“之”字形架设的，供受电弓取流的高压输电线。接触网是铁路电气化工程的主架构，是沿铁路线上空架设的向电力机车供电的特殊形式的输电线路。接触网承担电力机车输送电能的重要任务，要保证输送的连续性和可靠性。接触网架设于铁路沿线受自然条件影响大，很容易发生故障，同时还可能存在物挂线、构建故障等导致事故频发现象。现有解决方案大都通过人工检查接触网和人为清理杂物，存在许多弊端：一方面这种方法会造成人力物力的极大浪费，另一方面该方法灵活性差，无法及时发现接触网的故障。

目前，飞行器技术是热门研究领域，涉及巡检、安防及航拍等应用，现有技术中，也有涉及飞行器技术在接触网巡检中的应用，解决方案中可代替人工检测接触网和人为清理杂物，但在智能化程度、灵活性、系统可靠性、巡检全面性等方面尚存在一些不足。在巡检任务中，提高飞行器的稳定性，降低故障发生率，是飞行器在接触网巡检中关键技术。

发明内容

本实用新型提供了一种基于飞行器的接触网巡检装置，利用飞行器(Ⅰ) 上搭载的高清成像设备(410)对接触网进行图像数据采集，并将采集的图像数据与正常图像数据进行对比来判断接触网是否异常，在判断出异常时报警，同时将相关信息(如站区、杆号、定位信息)传送至检修人员，若是简单故障(如异物)，飞行器(Ⅰ)可以尝试进行清理；如是复杂故障，则发送信息至检修人员进行修理。

为实现上述目的，本实用新型提供一种基于飞行器的接触网巡检装置，包括飞行器(Ⅰ)及地面控制分析系统(Ⅱ)，其特征在于，所述飞行器(Ⅰ) 包括为飞行器(Ⅰ)提供动力的动力系统(21)、用于飞行器(Ⅰ)避障控制的避障模块(51)、执行图像采集任务并与地面控制分析系统(Ⅱ)无线传输通信的图像采集传输模块(41)、装载图像采集传输模块(41)的双轴拍摄云台(31)；所述飞行器(Ⅰ)还包括飞行控制模块(11)、用于精准测得飞行器(Ⅰ)与障碍物距离的导航测距模块(81)、惯性导航模块(61)和电子罗盘(71)；

所述图像采集传输模块(41)包括高清成像设备(410)、安装在高清成像设备(410)上的光源适应控制设备(500)、电源管理模块(413)、高速存储模块(411)和无线通信模块(412)；

所述光源适应控制设备(500)包括光敏传感器(501)、光照控制器(502) 和红外补偿光源(503)；

所述地面控制分析系统(Ⅱ)对高清成像设备(410)设置管理和实时监控，对实时采集传输的图像数据作比对分析和数据管理，并进行异常报警、传送检修信息。

进一步地，所述飞行控制模块(11)接收导航测距模块(81)、惯性导航模块(61)、电子罗盘(71)的传感信息，对飞行器(Ⅰ)姿态数据进行融合处理，向无刷电机发出控制信号，控制飞行器(Ⅰ)稳定、准确飞行。

进一步地，所述避障模块(51)接收超声波传感器的传感信息，作出判断并向飞行控制模块(11)发出避障信号。

进一步地，所述超声波传感器装置于飞行器(Ⅰ)上，优选安放于飞行器(Ⅰ)的左、右、前、后四个方位。

进一步地，所述高清成像设备(410)为第一工业高清相机(410a)和第二工业高清相机(410b)，第一工业高清相机(410a)全景成像优选采用1200 万像素级，第二工业高清相机(410b)关键区域成像优选采用1600万像素级。

进一步地，所述光照控制器(502)接收光敏传感器(501)环境光照传感信息，计算光照判断补光条件，控制红外补偿光源(503)的补光状态。

进一步地，所述红外补偿光源(503)，优选采用近红外补光灯IR40。

进一步地，所述高速存储模块(411)，采用高性能存储器，用于存储第一工业高清相机(410a)和第二工业高清相机(410b)压缩后的数据信息。

进一步地，所述无线通信模块(412)，通过5.8G通道与地面控制分析系统(Ⅱ)进行无线传输通信。

进一步地，所述飞行器(Ⅰ)可分为固定翼、旋翼机和直升机，优选采用旋翼机。

本实用新型一种基于飞行器的接触网巡检装置的有益效果为：

(1)飞行器(Ⅰ)在接触网巡检作业时飞行姿态能够保持稳定，按照预设路线进行飞行；

(2)实现安全智能化避障，可自行躲避障碍物，避免与绝缘子、导线、杆塔等障碍物法生产碰撞，降低了巡线检测时发生事故的概率；

(3)支持对接触网进行前方全景和关键区域图像数据采集，可分辨供电设施周边安全，能够分辨定位，支持设备等缺陷、故障的识别，图像采集控制精度高，目标清晰，巡检异常判断更加准确、可靠；

(4)将采集的图像数据与正常图像数据进行对比来判断接触网是否异常，在判断出异常时报警，同时将相关信息(如站区、杆号、定位信息)传送至检修人员。

附图说明

下面结合附图和具体实施方法对本实用新型做进一步详细的说明。

图1为本实用新型装置结构框图；

图2为本实用新型图像采集传输模块组成框图；

图3为本实用新型图像采集传输模块结构示意图；

图4为本实用新型光源适应控制设备组成框图；

图5为本实用新型光源适应控制流程图；

图6为本实用新型姿态控制流程图；

图7为本实用新型避障控制流程图。

图中附图标记：Ⅰ、飞行器；Ⅱ、地面控制分析系统；11、飞行控制模块；21、动力系统；31、双轴拍摄云台；41、图像采集传输模块；51、避障模块；61、惯性导航模块；71、电子罗盘；81、导航测距模块；410、高清成像设备；410a、第一工业高清相机；410b、第二工业高清相机；411、高速存储模块； 412、无线通信模块；413、电源管理模块；500、光源适应控制设备；501、光敏传感器；502、光照控制器；503、红外补偿光源；100、避震缓冲结构；200、挂载结构。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本实用新型的实施例进行详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

如图1所示，本实用新型提供一种基于飞行器的接触网巡检装置，包括飞行器(Ⅰ)及地面控制分析系统(Ⅱ)，飞行器(Ⅰ)包括为飞行器(Ⅰ)提供动力的动力系统(21)、用于飞行器(Ⅰ)避障控制的避障模块(51)、执行图像采集任务并与地面控制分析系统(Ⅱ)无线传输通信的图像采集传输模块 (41)、装载图像采集传输模块(41)的双轴拍摄云台(31)，以及飞行控制模块(11)、用于精准测得飞行器(Ⅰ)与障碍物距离的导航测距模块(81)、惯性导航模块(61)和电子罗盘(71)。图像采集传输模块(41)包括高清成像设备(410)、光源适应控制设备(500)、电源管理模块(413)、高速存储模块(411) 和无线通信模块(412)，光源适应控制设备(500)包括光敏传感器(501)、光照控制器(502)和红外补偿光源(503)。动力系统(21)、双轴拍摄云台(31)、避障模块(51)、导航测距模块(81)、惯性导航模块(61)、电子罗盘(71)、图像采集传输模块(41)分别于飞行控制模块电连接。

本实用新型工作机理：地面控制分析系统(Ⅱ)设定巡检路线和范围通过5.8G通道传送给飞行器(Ⅰ)，飞行器(Ⅰ)获取巡检路线并设定目标姿态及导航航线，飞行控制模块(11)控制飞行姿态，飞行器(Ⅰ)对所要检测的接触网进行实时巡线检测，通过双轴拍摄云台上(31)的图像采集传输模块(41) 实时采集图像数据，并将压缩处理的全景图像数据、关键区域图像数据通过5.8G 射频传送到地面控制分析系统(Ⅱ)，地面控制分析系统(Ⅱ)将获取的图像数据与正常图像数据进行对比来判断接触网是否异常，并在判断出异常时报警，同时将相关信息(如站区、杆号、定位信息)传送至检修人员。此外，在实时巡检过程中飞行器(Ⅰ)能够检测姿态、周边环境，及时调制飞行状态，实现自主避障导航。

所述地面控制分析系统(Ⅱ)设定巡检路线和范围，通过无线通信模块 (412)传输给飞行器(Ⅰ)，飞行控制模块(11)能够获取导航测距模块(81)、惯性导航模块(61)、电子罗盘(71)传感的信息，对采集的姿态数据滤波融合，计算出姿态的偏差，将姿态偏差转换为PMW波，进而控制无刷电机，动力系统 (21)为飞行器(Ⅰ)提供驱动动力，导航测距模块(81)精准测得飞行器(Ⅰ) 与障碍物距离，从而确保飞行器(Ⅰ)稳定、准确飞行。如图6所示，姿态控制工作流程：

A1：系统初始化；

B1：地面控制分析系统(Ⅱ)设定巡检路线和范围，无线通信传输给飞行器(Ⅰ)；

C1：飞行器(Ⅰ)获取巡检路线，设定目标姿态及导航路线；

D1：飞行控制模块(11)检测飞行器(Ⅰ)实时姿态；

E1：姿态坐标变换；

F1：计算姿态偏差；

G1：串级PID控制；

H1：输出PWM；

I1：动力系统(21)提供动力驱动电机，修正姿态，修正航线。

所述避障模块(51)通过安放于飞行器(Ⅰ)的左、右、前、后四个方位超声波传感器检测环境中的障碍物。通过超声波传感器实时探测并判断无人机(Ⅰ)前进方向上是否存在障碍物。如未探测到障碍物或探测到的障碍物较远不对飞行安全构成威胁，避障模块(51)会不发出壁障信号；如在前进方向探测到的障碍物较近并判断已经对飞行安全构成威胁，避障模块(51)会向飞行控制模块(11)发出壁障信号，飞行控制模块(11)根据障碍方位和距离自动规划飞行路径，完成避障。如图7所示，避障碍控制工作流程：

A2：系统初始；

B2：飞行器(Ⅰ)超声波传感器检测环境中障碍物；

C2：避障模块(51)获取前向、后向、侧向以及上下向检测结果；

D2：判断各个方向是否存在障碍物，若是，则进入F2，若否，则进入 E2；

E2：未检测到障碍物，飞行器(Ⅰ)保持飞行；

F2：检测到障碍物，根据不同障碍物场景，选择避障算法；

G2：姿态控制；

H2：避开障碍物。

所述飞行器(Ⅰ)通过导航测距模块(81)和避障模块(51)实现自主精准避障，在飞行器(Ⅰ)进行接触网巡线时，避免与绝缘子、导线、杆塔等障碍物发生碰撞，从而进行自行躲避，降低了巡线检测任务时发生事故的概率。

如图2所示，所述图像采集传输模块(41)包括高清成像设备(410)、光源适应控制设备(500)、电源管理模块(413)、高速存储模块(411)和无线通信模块(412)；高速存储模块(411)采用高性能存储器，用于存储第一工业高清相机(410a)和第二工业高清相机(410b)压缩后的数据信息；无线通信模块(412)通过5.8G通道与地面控制分析系统(Ⅱ)进行无线传输通信，并能够对相机参数、系统功能等进行设置，根据需求传输压缩后的图像数据，供技术人员分析；电源管理模块(413)为图像采集传输模块(41)提供电源并进行供电管理。

如图3所示，所述双轴拍摄云台(31)装载图像采集传输模块(41)，光源适应控制设备(500)安装在高清成像设备(410)上，双轴拍摄云台(31) 通过避震缓冲结构(100)与挂载结构(200)连接。高清成像设备(410)为第一工业高清相机(410a)和第二工业高清相机(410b)，分别对飞行器(Ⅰ)前方接触网全景和关键区域进行拍摄，第一工业高清相机(410a)全景成像分辨率采用1200万像素级，可以分辨供电设施周边安全，第二工业高清相机(410b) 关键区域分辨率采用1600万像素级，能够分辨定位，支持设备等缺陷、故障的识别，图像采集控制精度高，目标清晰，巡检异常判断更加准确、可靠。

如图4所示，光源适应控制设备(500)包括光敏传感器(501)、光照控制器(502)和红外补偿光源(503)，所述红外补偿光源(503)是近红外补光灯IR40，光照控制器(502)接收光敏传感器(501)环境光照传感信息，计算光照判断补光条件，控制近红外补光灯IR40的启闭。如图5所示，光源适应控制工作流程：

A3：系统初始化；

B3：光敏传感器(501)感知环境光照；

C3：光照控制器(502)计算光照；

D3：判断光照是否满足要求，若是，则进入E3，若否，则进入F3；

E3：光照满足要求，不进行补光；

F3：光照不满足要求，计算光照偏差，转化为PWM；

G3：红外补光灯开启。

所述地面控制分析系统(Ⅱ)对高清成像设备(410)设置管理和实时监控，对实时采集传输的图像数据作比对分析和数据管理，并进行异常报警、传送检修信息。地面控制分析系统(Ⅱ)对拍摄目标区域的高清成像设备(410) 进行初始化和参数管理设置，在运行过程中实时监控各相机状态，在每次杆位时刻获取拍摄的图像数据，以及巡视功能下的全景图像数据，并在后台进行图像数据的压缩处理；将实时获取的行车定位信息，与高清成像设备(410)获取的图像数据，构成实时对应的映射关系，形成统一的记录，将图像数据和定位信息合并存入自定文的数据库中；并对图片数据进行杆号识别，并能将杆号数据与图片信息相关联，方便后期定位査询；同时对自定义数据库中的巡线图像记录进行管理，支持图像局部放大和图片转存功能，显示所属站区、杆号、公里标等定位信息。同时具备査询功能，能够通过站区、杆号的选择输入，直接跳转到该定位图片进行显示。

所述地面控制分析系统(Ⅱ)将获取的实时图像数据与预存在地面控制分析系统(Ⅱ)的正常图像数据进行对比，判断是否出现异常，如有异常时，将相关信息(站区、杆号、坐标信息)发送至检修人员进行维护，保障机车安全行驶。

所述飞行器(Ⅰ)可分为固定翼、旋翼无人机以及直升机，优选使用旋翼无人机。一是旋翼无人机机体较小，巡线时不会占用航道，因此无需进行航空线路申请；二是巡线的实时性高，可实行高精度控制，并实时获取目标高清图像；三是设备易于检测、维修与训练，可快速更换易损件、备用动力电池组合；四是可快速充电，保障持续飞行；五是具有车载大范围机动和个人携带能力，并且使用方便，培训简单。在同等巡检条件下，固定翼和直升机的造价都相当昂贵，价格较难以承受。此外，固定翼和直升机的速度相对较快且机载设备比较多，一般适用远距离线路总体情况检测，而不能仔细检测线路的细节，容易造成一般故障的遗漏。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于飞行器的接触网巡检装置，包括飞行器(Ⅰ)及地面控制分析系统(Ⅱ)，其特征在于，所述飞行器(Ⅰ)包括为飞行器(Ⅰ)提供动力的动力系统(21)、用于飞行器(Ⅰ)避障控制的避障模块(51)、执行图像采集任务并与地面控制分析系统(Ⅱ)无线传输通信的图像采集传输模块(41)、装载图像采集传输模块(41)的双轴拍摄云台(31)；所述飞行器(Ⅰ)还包括飞行控制模块(11)、用于精准测得飞行器(Ⅰ)与障碍物距离的导航测距模块(81)、惯性导航模块(61)和电子罗盘(71)；

所述图像采集传输模块(41)包括高清成像设备(410)、安装在高清成像设备(410)上的光源适应控制设备(500)、电源管理模块(413)、高速存储模块(411)和无线通信模块(412)；

所述光源适应控制设备(500)包括光敏传感器(501)、光照控制器(502)和红外补偿光源(503)；

所述地面控制分析系统(Ⅱ)对高清成像设备(410)设置管理和实时监控，对实时采集传输的图像数据作比对分析和数据管理，并进行异常报警、传送检修信息。

2.根据权利要求1所述的一种基于飞行器的接触网巡检装置，其特征在于，所述飞行控制模块(11)接收导航测距模块(81)、惯性导航模块(61)、电子罗盘(71)的传感信息，对飞行器(Ⅰ)姿态数据进行融合处理，向无刷电机发出控制信号，控制飞行器(Ⅰ)稳定、准确飞行。

3.根据权利要求1所述的一种基于飞行器的接触网巡检装置，其特征在于，所述避障模块(51)接收超声波传感器的传感信息，作出判断并向飞行控制模块(11)发出避障信号。

4.根据权利要求3所述的一种基于飞行器的接触网巡检装置，其特征在于，所述超声波传感器装置于飞行器(Ⅰ)上，并安放于飞行器(Ⅰ)的左、右、前、后四个方位。

5.根据权利要求1所述的一种基于飞行器的接触网巡检装置，其特征在于，所述高清成像设备(410)为第一工业高清相机(410a)和第二工业高清相机(410b)，第一工业高清相机(410a)全景成像采用1200万像素级，第二工业高清相机(410b)关键区域成像采用1600万像素级。

6.根据权利要求1所述的一种基于飞行器的接触网巡检装置，其特征在于，所述红外补偿光源，优选采用近红外补光灯IR40。

7.根据权利要求1所述的一种基于飞行器的接触网巡检装置，其特征在于，所述高速存储模块，采用高性能存储器，用于存储高清成像设备(410)压缩后的数据信息。

8.根据权利要求1所述的一种基于飞行器的接触网巡检装置，其特征在于，所述无线通信模块(412)，通过5.8G通道与地面控制分析系统(Ⅱ)进行无线传输通信。

9.根据权利要求1-8任一所述的一种基于飞行器的接触网巡检装置，其特征在于，所述飞行器(Ⅰ)可分为固定翼、旋翼机和直升机。

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