一种基于多旋翼飞行器的高压输电线路巡检机器人及其方法

文档序号:4142042阅读:241来源:国知局
专利名称:一种基于多旋翼飞行器的高压输电线路巡检机器人及其方法
技术领域
本发明属于电力线路巡检维护技术领域,特别是一种基于多旋翼飞行器的高压输电线路巡检机器人及其方法。
背景技术
输电线路是电力系统重要组成部分,它的安全稳定直接关系到电力系统的可靠性,由于我国输电线路走廊地理环境复杂,且电力线及杆塔附近等长期暴露在野外,容易受各种因素影响而发生断股、磨损、腐蚀等损伤,如不能及时修复更换,会导致严重事故,造成大面积停电,从而造成极大的经济损失和严重的社会影响。所以必须对输电线路进行定期巡检,以便及时发现并消除隐患,确保供电安全。
目前普遍采用人工巡检方法进行巡检,由人在地面沿线逐塔巡视,这种检测方法存在效率低、危险性高、可靠性差、费用高及漏检等诸多缺陷。为此,有必要开发一种代替人工巡检的输电线路自动巡检机器人,以及时发现输电线路故障,提高工作效率,达到确保输电线路安全运行的目的。专利200320116747. O公开了一种自动巡线机器人单体的设计,可实现在输电线上稳定行走、跨越障碍物、紧急刹车等功能。专利201010596347. 9公开了一种高压线路运行状态智能巡检行走装置。现有高压线路巡检机器人具有重量轻、结构简单合理、具有一定越障能力等特点而受到广泛关注和研究,但是同时存在巡检速度慢,续航能力不强,挂线不方便等不足。专利201110006723. 9公开了一种电力线路巡检方法。无人机采用直升机,体积大,重量也大,飞行稳定性不够好,巡线时的事故对高压线路造成极大隐患和威胁,而且功耗高。

发明内容
本发明的目的在于提供一种基于多旋翼飞行器的高压输电线路巡检机器人及其方法。实现本发明目的的技术解决方案为一种基于多旋翼飞行器的高压输电线路巡检机器人,包括四旋翼飞行器和巡检系统,双电源模块为四旋翼飞行器和巡检系统供电,所述四旋翼飞行器包括机器人本体、四个旋翼、四个旋翼电机、四个旋翼电机驱动器,各旋翼、旋翼电机和旋翼驱动器匹配使用,四个旋翼固定安装在各自的旋翼电机上,四个驱动器分别与各自的旋翼电机3连接;其中机器人本体包括四个支撑臂、四个起落支架以及本体控制单元,四个支撑臂的一端连接在一起,本体控制单元和巡线系统设置在四个支撑臂连接处上,四个旋翼电机、四个驱动器、四个起落支架分别设置在各自的支撑臂的另一端;巡线系统对高压输电线路进行拍摄和数据传输。本发明与现有技术相比,其显著优点(1)本发明机器人基于四旋翼空中飞行巡检,具有高的空中飞行稳定性和较好的巡检速度。通过无线摄像控制,可以将可见光摄像仪移动到疑似故障点附近,实现高压输电线路可疑故障点的重点检测。(2)四旋翼飞行器通过本体控制单元能够实现自动控制飞行,电磁传感器能够保证飞行器与高压输电线路一直保持一定安全距离,机器人可以自主避障和导航,也能通过遥控单元发送控制命令,控制方式灵活、高效。(3)本发明采用人工/自主共享控制方法,将自主系统与人工发送的控制命令在巡线机器人控制器中融合,自主控制与人工控制共享机器人的自由度,调整机器人的位置和姿态,完成巡线任务。(4)本发明采用红外成像仪和可见光摄像仪,能够拍摄清晰的图像和视频,并通过无线传输方式输送给地面图像处理单元进行处理,结合GPS模块的使用,能够很好的记录故障的坐标信息。(5)巡线系统的可调节装置能够保证可见光摄像仪在三维空间的移动,从而可以对疑似故障点进行重点检测,为故障排除提供了准确的信息。(6)双电源模块由无接触互感器电源对蓄电池在线实时补充电能,保证了机器人的实时在线工作能力。(7)本装置结构紧凑、设计合理、操作简单,具有良好的应用价值和使用前景。下面结合附图对本发明作进一步详细描述。



图I为本发明的四旋翼飞行器结构示意图。图2为飞行控制单元各部件连接示意图。图3为可调节装置的结构示意图。图4为图像数据处理系统的连接示意图。图5为双电源结构示意图。图6为人工/自主共享控制流程示意图。图7为高压输电线路巡检流程图。
具体实施例方式如图I所示,本发明基于多旋翼飞行器的高压输电线路巡检机器人,包括四旋翼飞行器和巡检系统,双电源模块为四旋翼飞行器和巡检系统供电,所述四旋翼飞行器包括机器人本体I、四个旋翼2、四个旋翼电机3、四个旋翼电机驱动器4,各旋翼2、旋翼电机3和旋翼驱动器4匹配使用,四个旋翼2固定安装在各自的旋翼电机3上,四个驱动器4分别与各自的旋翼电机3连接,上位机16或遥控装置18发送控制命令给机器人本体I实现对高压输电线路的巡检。其中机器人本体I包括四个支撑臂5、起落支架6以及本体控制单元7,四个支撑臂5的一端连接在一起,本体控制单元7和巡线系统设置在四个支撑臂5连接处上(以设置在支撑臂5的中央位置为最佳位置),四个旋翼电机3、四个驱动器4、四个起落支架6分别设置在各自的支撑臂5的另一端;巡线系统对高压输电线路进行拍摄和数据传输。具体而言,四个旋翼电机3、四个驱动器4设置在支撑臂5另一端上面,起落支架6安装在支撑臂5另一端下面。四个支撑臂5展开时相邻的两个支撑臂之间的夹角为70° SA彡90。,处于同一个平面,且可以折叠,方便携带。四旋翼飞行器整体呈“X”形状,可以采用碳纤维材料,重量轻刚性好。如图2所示,本体控制单元7包括单片机控制器8、三轴陀螺仪9、三轴加速度计
10、气压传感器11,三轴陀螺仪9、三轴加速度计10、气压传感器11与单片机控制器8连接,三轴陀螺仪9和三轴加速度计10用于感知机器人的运动状态和本体姿态,并反馈给单片机控制器8,单片机控制器8通过飞行器控制算法(如PID)解算出四个电机转速,使飞行器能够按照发送的控制命令稳定飞行;气压传感器11用于测量机器人的高度,配合三轴陀螺仪9和三轴加速度计10 (根据三轴陀螺仪9和三轴加速度计10测得的运动状态和本体姿态,由单片机控制器8调整四个电机转速相等),将使机器人悬停在疑似故障处,进行重点检测。本体控制单元7还包括超声波传感器12、GPS模块13、电磁传感器14,超声波传感器12、GPS模块13、电磁传感器14与单片机控制器8连接,超声波传感器12用于测量机器人本体I与前方障碍物(如杆塔、树枝等)的距离,通过串口传输给单片机控制器8,用于机器人的自主避障;GPS模块13用于机器人的定位和自主导航,可以使机器人按照规划的路线自主巡线,并记录疑似故障处的位置信息;电磁传感器14用于测量机器人本体I与高压输电线路的距离,为了飞行安全,机器人本体I必须与高压线路保持一定安全距离;当下一个航点超过安全距离时,单片机控制器8根据评价函数100=800+1100重新规划出新的航迹,调节四个电机转速使其处于安全距离。这是一个从初始点向目标不断启发的自主控制过程,其中g(x)为起点到当前待扩展航·点X的航迹代价,启发因子U(X)为航点X到目标位置的实际代价估计值。代价函数
I
_=I.署A IWjfJyI1为起点到航点X间第i个航迹段的长度,hi为航
Λ
迹段i的平均高度,A为航迹段i的威胁程度,是关于航迹段i与高压线之间距离的函数。与本体控制单元7相配合的是地面控制系统,本体控制单元7和地面控制系统构成了总控制系统,来控制整个飞行器的空中飞行、悬停、定位和姿态控制,地面控制系统包括上位机16、无线数据收发模块15和遥控装置18。本体控制单元7的单片机控制器8通过无线数据收发模块15实时接收发送机器人的各种飞行数据并在上位机16上显示,包括电池电压、坐标、高度、姿态、飞行时间、飞行速度、飞行路径、距离起飞点的距离、GPS状态等重要信息;操作者通过遥控装置18发送控制命令通过遥控接收装置17接收,由串口传输给单片机控制器8 ;操作者也可以通过上位机16发送控制命令通过无线数据收发模块15传输给单片机控制器8,这提闻了系统集成性,冋时提闻了系统的各错能力。本发明中,巡线系统包括两自由度可调节装置19、红外成像仪20、可见光摄像仪21,所述可调节装置19、红外成像仪20分别安装在四个支撑臂5连接处上;所述可见光摄像仪21通过可调节装置19与机器人本体I连接;如图3所示,可调节装置19包括驱动舵机23、底座24、垂直支杆25和横向转动部件26,驱动舵机23与垂直支杆25连接,用于实现垂直支杆25在纵向平面上的转动,垂直支杆25 —端与底座24连接,另一端用来固定横向转动部件26 ;横向转动部件26与可见光摄像仪21连接,使可见光摄像仪21可以在横向上移动,驱动舵机23和横向转动部件26保证了可见光摄像仪21在三维空间的移动能力。当机器人发现疑似故障点时,可以悬停在疑似故障点附近,调节可见光摄像仪21对其进行重点检测。与巡线系统相配合的是地面图像处理单元,巡线系统和地面图像处理单元共同组成图像数据处理系统,实现对高压输电线路相关部位的拍摄、数据传递(传输给上位机16)和分析。
如图4所示,巡线系统还包括无线视频传输模块22,红外成像仪20、可见光摄像仪21所拍摄的视频通过无线视频传输模块22传输至地面图像处理单元,该地面图像处理单元包括上位机16 (该上位机也可以是地面控制系统的组成部分)、无线视频接收模块27和图像采集卡28。图像采集卡28连接在上位机16的PCI扩展槽上,无线视频接收模块27通过USB 口与上位机16连接,无线视频传输模块22可以及时将可见光摄像仪21和红外成像仪20所拍摄的视频传输给上位机16。 如图5所示,双电源模块由无接触互感式电源29、蓄电池30和电源管理模块31组成,无接触互感式电源29和蓄电池30通过之间的电磁感应耦合,电源管理模块31与蓄电池30连接,无接触互感式电源29采用无接触能量传输技术,通过电磁耦合结构,经过整流、滤波等后对蓄电池30进行充电;电源管理模块31对蓄电池30进行监测和管理。如图7所示,本发明利用上述的基于多旋翼飞行器的高压输电线路巡检机器人实现巡检的方法,步骤如下
步骤一首先通过人工/自主共享控制实现多旋翼飞行器的巡线,在这过程中,无线视频传输模块22将红外成像仪20和可见光摄像机21采集的视频信息实时传输给上位机16 ;无线数据收发模块15将本体控制单元7采集的航点位置数据信息也反馈到上位机16上。如图6所示,人工/自主共享控制是将自主导航的控制命令与人工发送的控制命令在巡线机器人的上位机中融合,自主控制和人工控制共享机器人的位置和姿态,完成机器人的巡线任务,具体步骤如下
(1)由地面控制系统发送控制命令给单片机控制器8,使巡线机器人飞行到高压输电线路起始位置,通过本体控制单元7,在距离起始位置的安全距离处悬停,然后巡线机器人按照预设航线开始自主巡线,在设置具体航线时,按照预先编制好的线塔GPS坐标和根据塔高和设定的安全航高进行低速巡线飞行;
(2)在自主巡线时,通过可见光摄像机21采集二维视频图像,并通过无线视频传输模块22传给上位机16,同时上位机16上也会显示各种飞行参数信息,或者将带GPS坐标位置信息的视频图像在上位机16上存储,在飞行结束后对视频图像进行分析处理,包括图像去噪、图像分割、特征提取等,最后将提取的特征值与故障特征阈值再次进行比较,防止漏检或错检,并且也可以作为训练样本用;在这个过程中,操作者在上位机16上的人机界面32中跟踪巡线机器人的巡线飞行;
(3)当巡线过程中遇到特殊情况,通过上位机16上的人机界面32采用人工/自主共享控制,对巡线机器人进行姿态和位置的调整,该人工/自主共享控制是由操作者通过上位机16或遥控装置18发送的人工控制命令和自主控制命令在单片机控制器8中按照预先确定的权重值进行迭加,从而对巡线机器人的自由度进行影响,共同改变巡线机器人的位置和姿态;
(4)上位机16将姿态和位置的调整发送给单片机控制器8,对预设的航线进行修正。步骤二 上位机16将视频信息在本地存储,并对视频信息进行处理,包括可见光图像分析和红外图像分析诊断,采用现有的图像处理技术,对图像进行预处理后,采用基于特征的匹配方法,比较与不同故障的相似程度,在确定为疑似故障点后,将疑似故障点位置信息发送给单片机控制器8。步骤三通过人工/自主共享控制,干预巡线机器人的当前作业情况,使巡线机器人飞行到疑似故障点附近并保持悬停状态,然后通过可调节装置19将可见光摄像仪21移动到疑似故障点附近,进行重点检测,并获取故障特征值。步骤四地面图像处理单元将疑似故障点特征值与故障特征值阈值进行比较,确定为故障点后,将位置信息和故障类型存储到数据库,其中故障特征阈值是判断是否为故障点的基准,针对不同的故障,分别设置不同的故障特征阈值,巡线结束后将上位机16上存储的视频信息作为故障特征阈值的训练样本,采用k均值聚类算法进行分类,并确定不同故障的特征阈值。最后说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制,尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明,本领域的技术人员应该理解,可以对本发明方案进行 修改或者一些变动,而不脱离本技术方案的宗旨和范围,比如,多旋翼机器人可以是四旋翼、八旋翼等,旋翼的布局也可以有变化,其均应涵盖在本发明的权力要求范围当中。
权利要求
1.一种基于多旋翼飞行器的高压输电线路巡检机器人,其特征在于包括四旋翼飞行器和巡检系统,双电源模块为四旋翼飞行器和巡检系统供电,所述四旋翼飞行器包括机器人本体(I)、四个旋翼(2)、四个旋翼电机(3)、四个旋翼电机驱动器(4),各旋翼(2)、旋翼电机(3)和旋翼驱动器(4)匹配使用,四个旋翼(2)固定安装在各自的旋翼电机(3)上,四个驱动器(4)分别与各自的旋翼电机(3)连接; 其中机器人本体(I)包括四个支撑臂(5)、四个起落支架(6)以及本体控制单元(7),四个支撑臂(5)的一端连接在一起,本体控制单元(7)和巡线系统设置在四个支撑臂(5)连接处上,四个旋翼电机(3)、四个驱动器(4)、四个起落支架(6)分别设置在各自的支撑臂(5)的另一端;巡线系统对高压输电线路进行拍摄和数据传输。
2.根据权利要求I所述的基于多旋翼飞行器的高压输电线路巡检机器人,其特征在于四个支撑臂(5)展开时相邻的两个支撑臂之间的夹角为70° SAS 90°,并处于同一个平面。
3.根据权利要求I所述的基于多旋翼飞行器的高压输电线路巡检机器人,其特征在于本体控制单元(7)包括单片机控制器(8)、三轴陀螺仪(9)、三轴加速度计(10)、气压传感器(11),三轴陀螺仪(9 )、三轴加速度计(10 )、气压传感器(11)与单片机控制器(8 )连接,三轴陀螺仪(9)和三轴加速度计(10)用于感知机器人的运动状态和本体姿态,并反馈给单片机控制器(8);气压传感器(11)用于测量机器人的高度,根据三轴陀螺仪(9)和三轴加速度计(10)测得的运动状态和本体姿态,由单片机控制器(8)调整四个电机转速相等,将使机器人悬停在疑似故障处,进行重点检测。
4.根据权利要求3所述的基于多旋翼飞行器的高压输电线路巡检机器人,其特征在于本体控制单元(7)还包括与单片机控制器(8)连接的超声波传感器(12)、GPS模块(13)、电磁传感器(14),超声波传感器(12)用于测量机器人本体(I)与前方障碍物的距离,通过串口传输给单片机控制器(8),用于机器人的自主避障;GPS模块(13)用于机器人的定位和自主导航,使机器人按照规划的路线自主巡线,并记录疑似故障处的位置信息;电磁传感器(14)用于测量机器人本体(I)与高压输电线路的距离,超过安全距离,单片机控制器(8)调节四个电机转速使其处于安全距离。
5.根据权利要求I所述的基于多旋翼飞行器的高压输电线路巡检机器人,其特征在于与本体控制单元(7)相配合使用的是地面控制系统,本体控制单元(7)和地面控制系统构成了总控制系统,来控制整个飞行器的空中飞行、悬停、定位和姿态控制;地面控制系统包括上位机(16)、无线数据收发模块(15)和遥控装置(18),本体控制单元(7)通过无线数据收发模块(15)实时接收发送机器人的各种飞行数据并在上位机(16)上显示,通过遥控装置(18)发送控制命令来遥控接收装置(17)接收。
6.根据权利要求I所述的基于多旋翼飞行器的高压输电线路巡检机器人,其特征在于巡线系统包括两自由度可调节装置(19)、红外成像仪(20)、可见光摄像仪(21),所述可调节装置(19)、红外成像仪(20)分别安装在四个支撑臂(5)连接处上;可调节装置(19)包括驱动舵机(23)、底座(24)、垂直支杆(25)和横向转动部件(26),驱动舵机(23)与垂直支杆(25)连接,用于实现垂直支杆(25)在纵向平面上的转动,垂直支杆(25)—端与底座(24)连接,另一端用来固定横向转动部件(26),横向转动部件(26)与可见光摄像仪(21)连接,使可见光摄像仪(21)在横向上移动,驱动舵机(23)和横向转动部件(26)使可见光摄像仪(21)在三维空间的移动能力。
7.根据权利要求6所述的基于多旋翼飞行器的高压输电线路巡检机器人,其特征在于巡线系统还包括无线视频传输模块(22),红外成像仪(20)、可见光摄像仪(21)所拍摄的视频通过无线视频传输模块(22 )传输至地面图像处理单元,该地面图像处理单元包括上位机(16 )、无线视频接收模块(27 )和图像采集卡(28 ),图像采集卡(28 )连接在上位机(16 )的PCI扩展槽上,无线视频接收模块(27)通过USB 口与上位机(16)连接,无线视频传输模块(22)及时将可见光摄像仪(21)和红外成像仪(20)所拍摄的视频传输给上位机(16)。
8.根据权利要求6所述的基于多旋翼飞行器的高压输电线路巡检机器人,其特征在于双电源模块由无接触互感式电源(29 )、蓄电池(30 )和电源管理模块(31)组成,无接触互感式电源(29 )和蓄电池(30 )通过之间的电磁感应耦合,电源管理模块(31)与蓄电池(30 )连接,无接触互感式电源(29)采用无接触能量传输技术,通过电磁耦合结构,经过整流、滤波后对蓄电池(30 )进行充电;电源管理模块(31)对蓄电池(30 )进行监测和管理。
9.一种利用权利要求I至8任意一项所述的基于多旋翼飞行器的高压输电线路巡检机器人实现巡检的方法,其特征在于步骤如下 步骤一首先通过人工/自主共享控制实现多旋翼飞行器的巡线,在这过程中,无线视频传输模块(22 )将红外成像仪(20 )和可见光摄像机(21)采集的视频信息实时传输给上位机(16);无线数据收发模块(15)将本体控制单元(7)采集的航点位置数据信息也反馈到上位机(16)上; 步骤二 上位机(16)将视频信息在本地存储,并对视频信息进行处理,包括可见光图像分析和红外图像分析诊断,确定为疑似故障点后,将疑似故障点位置信息发送给单片机控制器(8); 步骤三通过人工/自主共享控制,干预巡线机器人的当前作业情况,使巡线机器人飞行到疑似故障点附近并保持悬停状态,然后通过可调节装置(19)将可见光摄像仪(21)移动到疑似故障点附近,进行重点检测,并获取故障特征值; 步骤四地面图像处理单元将疑似故障点特征值与故障特征值阈值进行比较,确定为故障点后,将位置信息和故障类型存储到数据库,其中故障特征阈值是判断是否为故障点的基准,针对不同的故障,分别设置不同的故障特征阈值,巡线结束后将上位机(16)上存储的视频信息作为故障特征阈值的训练样本,采用k均值聚类算法进行分类,并确定不同故障的特征阈值。
10.根据权利要求9所述的基于多旋翼飞行器的高压输电线路巡检方法,其特征在于人工/自主共享控制是将自主导航的控制命令与人工发送的控制命令在巡线机器人的上位机中融合,自主控制和人工控制共享机器人的位置和姿态,完成机器人的巡线任务,具体步骤如下 (1)由地面控制系统发送控制命令给单片机控制器(8),使巡线机器人飞行到高压输电线路起始位置,通过本体控制单元(7),在距离起始位置的安全距离处悬停,然后巡线机器人按照预设航线开始自主巡线,在设置具体航线时,按照预先编制好的线塔GPS坐标和根据塔高和设定的安全航高进行低速巡线飞行; (2)在自主巡线时,通过可见光摄像机(21)采集二维视频图像,并通过无线视频传输模块(22)传给上位机(16),同时上位机(16)上也会显示各种飞行参数信息,或者将带GPS坐标位置信息的视频图像在上位机(16)上存储,在飞行结束后对视频图像进行分析,防止漏检或错检;在这个过程中,操作者在上位机(16)上的人机界面(32)中跟踪巡线机器人的巡线飞行; (3)当巡线过程中遇到特殊情况,通过上位机(16)上的人机界面(32)采用人工/自主共享控制,对巡线机器人进行姿态和位置的调整,该人工/自主共享控制是由操作者通过上位机(16)或遥控装置(18)发送的人工控制命令和自主控制命令在单片机控制器(8)中按照预先确定的权重值进行迭加,从而对巡线机器人的自由度进行影响,共同改变巡线机器人的位置和姿态; (4)上位机(16)将姿态和位置的调整发送给单片机控制器(8),对预设的航线进行修正。·
全文摘要
本发明公开了一种基于多旋翼飞行器的高压输电线路巡检机器人,包括四旋翼飞行器和巡检系统,双电源模块为四旋翼飞行器和巡检系统供电,所述四旋翼飞行器包括机器人本体、四个旋翼、四个旋翼电机、四个旋翼电机驱动器,各旋翼、旋翼电机和旋翼驱动器匹配使用,四个旋翼固定安装在各自的旋翼电机上,四个驱动器分别与各自的旋翼电机3连接;巡线系统对高压输电线路进行拍摄和数据传输。本发明基于四旋翼空中飞行巡检,具有高的空中飞行稳定性和较好的巡检速度。通过无线摄像控制,可以将可见光摄像仪移动到疑似故障点附近,实现高压输电线路可疑故障点的重点检测。
文档编号B64C39/02GK102941920SQ20121051414
公开日2013年2月27日 申请日期2012年12月5日 优先权日2012年12月5日
发明者刘永, 杜姗姗, 孙国辛, 陈楠森 申请人:南京理工大学
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