一种基于无人机的绝缘子憎水性检测装置和方法与流程

本发明属于无人机技术领域，具体涉及一种基于无人机的绝缘子憎水性检测装置和方法。

背景技术：

输电线路中的复合绝缘子受自然环境影响非常大，会被灰尘等污秽物所污染，当气候比较湿润时，复合绝缘子表面由于附着大量污秽物，导致闪络电压降低，甚至在额定工作电压下都会发生污闪，使电网的安全运行受到很大的影响。因此必须检查输电线路复合绝缘子表面的污秽情况，并对污秽进行清除。经研究发现，憎水性能太差，会引起复合绝缘子闪络放电，严重会引起电网安全事故，因此，运行人员必须熟悉所管线路的复合绝缘子憎水性能状况。

传统检测复合绝缘子憎水性的方法往往采用简单喷水装置并结合工程经验完成分级判断。某些电网公司已设计出的电动喷水装置也均为手持式设备，其操作模式需要人工攀爬杆塔，该过程检测效率低、安全性低，且人工对喷水的判断不够准确。

近年来，无人机技术在电网运维中得到了广泛的应用。由于无人机具有体积小、结构简单、控制灵活；能够垂直起降；悬停、倒飞、侧飞能力强；飞行安全；噪音小等优点。因此，无人机可以应用在电力系统中，减少工作人员登塔操作，节省人力与时间，在电力线路中得到了广泛的应用前景。

技术实现要素：
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为了克服上述背景技术的缺陷，本发明提供一种基于无人机的绝缘子憎水性检测装置和方法，提供了一种可应用于电力行业，对已投用的复合绝缘子进行憎水性检测的带电作业方案。

为了解决上述技术问题本发明的所采用的技术方案为：

一种基于无人机的绝缘子憎水性检测装置：包括无人机，无人机设有高压水箱，高压水箱通过输水管路连接有雾化喷嘴，输水管路上设有电磁阀，电磁阀的控制端连接无人机的控制器的信号输出端；还包括在无人机上靠近雾化喷嘴设置的光纤镜头，光纤镜头的信号输出端通过光电转换器连接控制器的信号输入端；控制器还连接有红外测距仪和无线通讯器，红外测距仪和无线通讯器。

较佳地，输水管路设置于杆状的绝缘空心管内。

较佳地，光纤镜头和光电转换器之间通过光纤连接，光纤连接于光纤镜头的一段设置于绝缘空心管内。

较佳地，光纤镜头设置在绝缘空心管内，位于雾化喷嘴的上方。

较佳地，还包括补光灯，补光灯设置于光纤镜头上方，补光灯的控制端连接控制器的信号输出端。

较佳地，红外测距仪和无线通讯器均设置于无人机的机身，无线通讯器设置于机身顶部，设置于数个旋翼之间的中心位置。

较佳地，控制器包括憎水性检测模块，用于依据绝缘子片喷水前和喷水后图像对绝缘子串的憎水性进行评级，并通过无线通讯器将评价结果发送出去。

本发明还提供一种利用上述装置进行的基于无人机的绝缘子憎水性检测方法：

控制器控制无人机向待测绝缘子行进，并控制无人机悬停于靠近待测绝缘子的安全区域内；

控制器通过光电传感器接收从光纤镜头发送过来的绝缘子片图像，判断绝缘子片被遮挡部分面积是否大于等于绝缘子片总面积的40％，若是，则调整无人机位置或光纤镜头的拍摄角度，若否，则从绝缘子片图像中提取并保存为未喷水图像；

控制器控制电磁阀开启，通过雾化喷嘴向绝缘子片喷射水雾，然后关闭电磁阀；

控制器再次通过光纤镜头获取同一位置的绝缘子片图像，提取并保存为喷水后图像；

控制器对比喷水后图像和为喷水图像，依据预存的憎水性分级标准得到绝缘子的憎水性评级，并将憎水性评级结果通过无线通讯器发送出去。

较佳地，控制器控制无人机悬停于靠近待测绝缘子的安全区域内的方法包括：

红外测距仪实时获取无人机与待测绝缘子之间的实时距离，当实时距离小于预设安全距离时，控制无人机向远离待测绝缘子的方向进行预设微小距离的行进，直到实际距离大于或等于预设安全距离；预设安全距离和预设微小距离均为人工设定的经验值。

较佳地，憎水性风机标准采用hc分级判别标准。

本发明的有益效果在于：本发明中高压水箱自带合适的水压，无需加装水泵；通过控制器控制电磁阀，掌握喷雾时机。无线通信系统安在机顶的上端，在几个旋翼的中间位置。地面工作人员可通过向无人机上的无线通讯器发送命令，控制调整无人机的飞行姿态，待无人机近邻复合绝缘子时，通过无人机搭载的补光灯进行照明，并通过光纤镜头、光电转换器采集符合绝缘子的图像，然后由控制器开启电磁阀，由雾化喷嘴向复合绝缘子喷水，然后再一次采集含水珠的复合绝缘子图像，喷水前后的光纤镜头位置应保持一致。红外测距仪实时反馈无人机距离信息，保证无人机在喷水或拍照时的悬停位置正确，并且处于安全区域以内，不会对绝缘子串造成伤害。通过本发明在无人机上就可以在控制模块中把复合绝缘子的盘面提取出来，最后把取得的复合绝缘子憎水性等级发送给地面工作人员，从而提供了一种新的复合绝缘子憎水性智能检测方案。

附图说明

图1为本发明实施例一的整体结构示意图；

图2为本发明实施例一的控制器与无线通讯器、红外测距仪、电磁阀、光电转换器、光纤镜头的连接结构示意图；

图中：1-旋翼，2-无线通讯器，3-红外测距仪，4-高压水箱，5-电磁阀，6-输水管路，7-雾化喷嘴，8-光纤镜头，9-绝缘空心管，10-补光灯，11-光纤，12-光电转换器，13-控制器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

实施例一

一种基于无人机的绝缘子憎水性检测装置：包括无人机，无人机设有高压水箱4，高压水箱4通过输水管路6连接有雾化喷嘴7，输水管路6上设有电磁阀5，电磁阀5的控制端连接无人机的控制器13的信号输出端；还包括在无人机上靠近雾化喷嘴7设置的光纤镜头8，光纤镜头8的信号输出端通过光电转换器12连接控制器13的信号输入端；控制器13还连接有红外测距仪3和无线通讯器2，红外测距仪3和无线通讯器2。

输水管路6设置于杆状的绝缘空心管9内。

光纤镜头8和光电转换器12之间通过光纤11连接，光纤11连接于光纤镜头8的一段设置于绝缘空心管9内。

光纤镜头8设置在绝缘空心管9内，位于雾化喷嘴7的上方。

还包括补光灯10，补光灯10设置于光纤镜头8上方，补光灯10的控制端连接控制器13的信号输出端。

红外测距仪3和无线通讯器2均设置于无人机的机身，无线通讯器2设置于机身顶部，设置于数个旋翼1之间的中心位置。本实施例的输水管路6为塑料水管。

控制器13包括憎水性检测模块，用于依据绝缘子片喷水前和喷水后图像对绝缘子串的憎水性进行评级，并通过无线通讯器2将评价结果发送出去。

本实施例所述的装置中，控制器13用于控制无人机内各种操作，无线通讯器2用于实时传输地面和无人机的信号，憎水性检测模块可以分析出被测复合绝缘子的憎水性等级，红外测距仪3用于测量无人机与运行中的复合绝缘子之间的距离。通过本装置，可以在无人机上得到被测复合绝缘子的憎水性等级，并由无线通讯器2把结果传递给地面工作人员。

高压水箱4用于向复合绝缘子喷水提供水源，电磁阀5与控制器13相连接，控制器13可以控制电磁阀5的开启和关闭，控制喷水量。输水管路6用于连接电磁阀5后到雾化喷嘴7的部分，保证靠近运行中的复合绝缘子时的绝缘安全，输水管路6套在绝缘空心管9里面。雾化喷嘴7可以360°旋转，确保喷出来的水雾是均匀的。

无人机飞到一定的区域后，由红外测距仪3可以检测无人机和运行中的复合绝缘子是否在安全距离范围内，然后考虑是否拍照。拍照前，先用光纤镜头8找到需要拍摄绝缘子的角度，然后锁定镜头后，由光纤镜头8将图片信息由光纤11传递到光电转换器12中，将图片的光信号转换为图片的电信号，然后将电信号传递给控制器13，控制器13采集图片电信号后，由无线通讯器2及时将绝缘子憎水性图片发送给地面的工作人员。

补光灯10其主要作用是在缺乏光线条件情况下拍摄时提供辅助光线，消除阴影，同时增强了水珠和背景的对比度，以得到易于识别的复合绝缘子憎水性图片。补光灯10具有调节亮度、颜色的作用，可以按照工作人员的想法合理的选择特定的颜色光照射复合绝缘子。

控制器13用于控制无人机内各种操作，如在喷雾控制器13内可以控制电磁阀5的开启和关闭，控制喷水量，也可以控制雾化喷嘴7的360°自由旋转；如在数字图像采集模块内可以控制光电转换器12的开关，补光灯10的亮度和颜色；同时也可以控制无人机的飞、降、转、停，并把所有的信息输入到无线通讯器2中，使地面工作人员可以实时的操控无人机的行为。

无线通讯器2是联系地面人员和无人机的桥梁，它应该具备以下特点：①体积小巧：发射机体积小巧，重量轻，能够减少无人机承载压力，有易于无人机空中任务完成。②可靠性高：系统采用先进的cofdm调制技术，抗干扰能力非常强，同时采用256位aes加密技术，能够有效的防止干扰和窃听。③易用性强：采用高科技手段，进行智能化设计，尽量减少系统操作的复杂性，并作到系统工作稳定可靠，维护简单。④传输距离远：系统功率控制在1w以内，利用无人机飞行高度，能够保障传输距离在3公里以上，同时系统有较强的绕射能力和穿透能力，能够应对建筑物阻挡问题。⑤传输图像清晰：系统采用最新h.264/mpeg-2/4压缩方式，所传视频能够达到d1效果，使无人机所拍的图像清晰展现至用户面前。

红外测距设备安装在无人机内部，位于机顶，它的红外测距仪3可以采集到整个无人机到运行中的复合绝缘子的距离信息，让地面工作人员判断无人机是否处于安全工作位置，这是保证能顺利采集到复合绝缘子憎水性图片的前提条件。

憎水性检测模块可以分析出被测复合绝缘子的憎水性等级，直接把复合绝缘子的hc等级由无线通讯器2把结果传递给地面工作人员。

无人机采用多旋翼1结构，没有复杂的传动装置，可垂直起降，能精确悬停，并且拍摄角度多变，保证拍摄图像的效果和质量，操作简便，适合于输电线路复合绝缘子憎水性检测。具体操作是通过地面人员的操控指令，把指示信号发射到无人机无线通讯器2，命令无人机执行各种操作。同时，将复合绝缘子憎水性结果通过无线通讯器2传送给地面工作人员。

实施例二

一种实施例一所述装置进行的基于无人机的绝缘子憎水性检测方法：

控制器13控制无人机向待测绝缘子行进，并控制无人机悬停于靠近待测绝缘子的安全区域内；

控制器13通过光电传感器接收从光纤镜头8发送过来的绝缘子片图像，判断绝缘子片被遮挡部分面积是否大于等于绝缘子片总面积的40％，若是，则调整无人机位置或光纤镜头8的拍摄角度，若否，则从绝缘子片图像中提取并保存为未喷水图像；

控制器13控制电磁阀5开启，通过雾化喷嘴7向绝缘子片喷射水雾，然后关闭电磁阀5；

控制器13再次通过光纤镜头8获取同一位置的绝缘子片图像，提取并保存为喷水后图像；

控制器13对比喷水后图像和为喷水图像，依据预存的憎水性分级标准得到绝缘子的憎水性评级，并将憎水性评级结果通过无线通讯器2发送出去。

控制器13控制无人机悬停于靠近待测绝缘子的安全区域内的方法包括：

红外测距仪3实时获取无人机与待测绝缘子之间的实时距离，当实时距离小于预设安全距离时，控制无人机向远离待测绝缘子的方向进行预设微小距离的行进，直到实际距离大于或等于预设安全距离；预设安全距离和预设微小距离均为人工设定的经验值。憎水性分级标准采用hc分级判别标准。

无人机为本发明主要的动力部分，其他部件安装在无人机内部，依托无人机飞行进入复合绝缘子串附近。控制器13实现对各个外围设备的供电和控制，并对无人机的飞行进行控制。机内无线通讯器2实现无人机和地面工作人员的通讯，接收喷水指令，并发送距离等数据。

工作人员通过发射信号控制无人机的控制器13，实现喷雾控制器13对复合绝缘子进行喷雾。然后，采集喷水前后的复合绝缘子图像，并在控制器13中提取出复合绝缘子的盘面，将复合绝缘子憎水性等级信息由无线通讯器2发送至地面端。

雾化喷嘴7和电磁阀5通过输水管路6连接，输水管路6将高压水箱4中的水向雾化喷嘴7输送。高压水箱4固定挂在无人机内顶部，电磁阀5和输水管路6位于飞机内的支架上，无人机的控制器13设置在无人机内顶部。电磁阀5与无人机的控制器13相连接，无人机的控制器13可以控制电磁阀5的开关，实现喷水的启停。高压水箱4携带一定的水量，用于向复合绝缘子喷雾提供水源。通过向无人机的控制器13中发送指令，实现电磁阀5控制喷水通路，实现喷水时机的控制。

光纤镜头8设置在绝缘空心管9上，且位于喷嘴附近，用于拍摄其前方复合绝缘子的图像。无人机飞到一定的区域后，由红外测距仪3可以检测无人机和运行中的复合绝缘子是否在安全距离范围内，然后考虑是否拍照。拍照前，先用光纤镜头8找到需要拍摄绝缘子的角度，然后锁定镜头后，由光纤镜头8将图片信息由光纤11传递到光电转换器12中，将图片的光信号转换为图片的电信号，然后将电信号传递给控制器13，控制器13采集图片电信号后，由无线通讯器2及时将绝缘子憎水性等级发送给地面的工作人员。

但是，由于运行中的复合绝缘子背景复杂多变，在使用无人机拍摄复合绝缘子憎水性图片时需要根据外围环境和复合绝缘子的具体情况，选择合适的拍摄方法。在拍摄参数方面，需要根据现场的光照强度、气候、可飞行高度等条件，选择合适的补光灯10的亮度和颜色，使得目标物图像清晰、亮度均匀、颜色正常，从而获得最佳图像效果。在拍摄方法方面，应该保证整个飞机绝缘安全和不影响电网正常运行的前提下，尽量缩短无人机与复合绝缘子的距离，以便得到更多图像的细节信息，同时喷雾前后的拍摄应保持光纤镜头8位置完全一致，通过裁剪的方法使得两次图像刚好被裁剪到镜头里。

红外测距仪3是激光红外测距仪3，选择精度为最高的类型。激光红外测距仪3在工作时向复合绝缘子射出一束很细的激光，由光电元件接收复合绝缘子反射的激光束，测距仪内部的计时器测定激光束从发射到接收的时差，计算出无人机到复合绝缘子的距离。实时采集的距离数据由导线传输到控制器13内，然后通过机内无线通讯器2传送至地面端的信号接收器，然后辅助工作人员判断无人机飞行情况。把光信号转换成电信号的复合绝缘子憎水性图像在控制器13中提取出复合绝缘子盘面图像，传输到机内无线通讯器2，然后把复合绝缘子盘面信息发射给地面工作人员。

现在来介绍控制器13中提取复合绝缘子盘面的算法。

复合绝缘子串盘面是一个个椭圆形状连接而成的，而且从图中可以看出椭圆之间连接非常紧密，几乎所有的椭圆边都有不同程度地被遮挡。由于喷水前后拍照需要镜头位置完全一致，所以从最开始无人机进入复合绝缘子串附近时，就应该给镜头选择一个合适的视野，并通过观察需要被测试的复合绝缘子片，并估计其复合绝缘子片的边缘被遮挡比例不超过40％，然后镜头锁定并对其进行拍摄，最后裁剪出复合绝缘子片的部分图像，然后选择合适的水量进行喷雾，拍摄喷雾后的复合绝缘子片图像方法和喷水前一样，只是要保证两次镜头位置完全一致，并最后裁剪出了复合绝缘子片。因此，考虑到复合绝缘子串的实际形状，这里采用基于hough变换的三点椭圆检测算法从图像中提取出复合绝缘子盘面。

最后在憎水性图像分析程序中，通过水珠(水迹)形状特征量进行憎水性分级判断。

水珠(水迹)的特征量包括水珠(水迹)的面积大小、个数、形状等，由数字图像分析程序获得。参照复合绝缘子憎水性hc分级法，由这些水珠(水迹)的特征量将憎水性分成hc1-hc7共7个等级，其中hc1-hc3为憎水性状态，hc4为中间过渡状态，hc5-hc7为亲水状态，下表给出了憎水性分级判据。

喷水分级法憎水性分级判据

而本发明专利中高压水箱4、电磁阀5、塑料水管、空心绝缘杆及雾化喷嘴7组成喷雾控制模块。高压水箱4自带合适的水压，无需加装水泵；喷雾控制模块是把高压水箱4固定在机内顶部，然后连出一条塑料水管，通过电磁阀5控制喷雾时机。

本发明专利还考虑了复合绝缘子盘面的形状，可以由基于hough变换的三点椭圆检测算法提取，以及hc分级判别法。复合绝缘子憎水性等级判别工作设在无人机中进行，把复合绝缘子盘憎水性等级由通信系统发射给地面工作人员。

数字图像采集模块由光纤镜头8、光纤11、光电转换器12、补光灯10组成。光纤镜头8设置在空心绝缘杆里，且位于喷嘴附近，用于拍摄其前方复合绝缘子的图像，由光纤镜头8将图片信息由光纤11传递到光电转换器12中，将图片的光信号转换为图片的电信号。

而本发明专利的无线通信系统安在机顶的上端，在几个旋翼1的中间位置。本发明的辅助装置就是红外测距仪3，没有测量温湿度与高度的装置。红外测距仪3在工作时向复合绝缘子射出一束很细的激光，由光电元件接收复合绝缘子反射的激光束，测距仪内部的计时器测定激光束从发射到接收的时差，计算出无人机到复合绝缘子的距离。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。