专利名称：基于微型多旋翼无人直升机的电力杆塔智能巡检方法
技术领域：
本发明属于输电线路巡检技术领域，特别涉及基于微型多旋翼无人直升机的电力杆塔智能巡检方法。
背景技术：
采用高压和超高压架空电力线是长距离输配电力的主要方式，电力线及杆塔附件长期暴露在野外因受到持续的机械张力、电气闪络、材料老化的影响而产生断股、磨损、腐蚀等损伤，如不及时修复更换，原本微小的破损和缺陷就可能扩大。最终导致严重事故，造成大面积的停电和巨大的经济损失，因此电力公司对线路的维修和监控的力度逐步增大。 定期对线路设备巡检，是及时预防和排除故障的最有效手段。及时发现线路损伤和缺陷并加以评估，根据缺陷的轻重缓急，以合理的费用和正确的优先顺序，安排必要的维护和修复，是确保供电的可靠性的有效手段。传统的巡检方式主要采用人力巡检，使用肉眼或望远镜对辖区内的电力线进行观测。由于输电线路分布点多面广、地理条件复杂，巡线工人需要翻山越岭、涉水过河、徒步或驱车巡检，工作效率低、劳动强度大、工作环境危险。目前多采用的巡检方式是大型直升飞机或无人机巡检。该方法虽然较传统人力巡检方式提高了巡检效率、降低了巡检难度，但是由于其所使用的飞机体形庞大，为了确保输电线路的安全运行，往往不能有效靠近观测目标。并且由于飞机驾驶具有不稳定性，往往观测目标在摄像机视野中快速通过，不能较全面的采集到可靠的数据，增加了技术难度。使用大型直升机的另一个弊端是成本较高，在操作的便捷性上具有较大的限制。微型多旋翼直升机是一种微型无人机，结构简单，旋翼通过刚性框架转化为简单动力。起降场地受限小，可以垂直起降，空中悬停，飞行姿态可控性强，对于起降场地要求低，所以特别适合山区。微型旋翼飞机体积小、重量轻，其绝缘防护外壳使其在飞行期间的软碰撞是可以容忍的，所以便于近距离接近被观测物体执行危险任务。飞机运行及维护成本较大型直升机相对低廉许多。因此，采用微型多旋翼直升机进行巡检任务具有许多其他巡检方法所不具备的优势。
发明内容
本发明公开了基于多旋翼无人机的电力杆塔智能巡检方法。它分为以下步骤1)杆塔建模使用计算机和GPS定位系统对架空输电线杆塔进行建模，获得微型多旋翼无人直升机安全飞行区域，并对安全飞行区域进行评估；2)检视视点规划通过已建立的网格预先确定微型多旋翼无人直升机的安全飞行区域和所有可行的观察视点，以飞行效率、观测质量和巡检任务为约束条件，运用最优化方法求解有效覆盖待巡检部位的最佳观察视点；在每个观察视点附近，微型多旋翼无人直升机根据自身位置与观测到的设备的不同，对观测角度进行微调，确保在该观察视点对所能观察到的输电设备进行充分的捕捉；
3)自主导航地面站通过与微型多旋翼无人直升机的无线通讯数据链路进行通讯，并采用基本导航和精确导航控制微型多旋翼无人直升机的运动轨迹和姿态；4)数据采集微型多旋翼无人直升机在预定观察位置通过视觉传感器获得图像数据、红外热像数据以及该观察位置的GPS和飞行状态信息，然后通过地面站与微型多旋翼无人直升机的无线通讯数据链路，将以上数据传回地面站；5)故障分析巡检及决策人员根据传回地面站的可见光及红外热像图像数据、可见光及红外热像视频数据、GPS位置信息和飞行状态信息资料，在地面站图像处理、视频分析以及故障诊断等模块的辅助下，进行有针对性的分析、判别和诊断，从而确定架空输电线杆塔整体的健康状况，辅助输电线路维护部门实施架空输电线杆塔的维修和故障排查。所述微型多旋翼无人直升机配备有以下组件锂电池、传感器、数据存储单元、无线通信模块和智能控制模块；传感器包括可见光摄像机、红外摄像机、6轴姿态与3轴磁场传感器、气压计、GPS 定位系统和视觉测量系统；传感器具备多角度抗抖动拍摄功能；可见光摄像机可以进行两自由度360°旋转拍摄，并具有自动变焦的特性；红外摄像机用于检测杆塔设备的发热情况；6轴姿态与3轴磁场传感器能够获得微型多旋翼无人直升机的飞行状态参数；GPS定位系统和视觉测量系统辅助微型多旋翼无人直升机的导航定位，用于获取微型多旋翼无人直升机的地理位置坐标；数据存储单元用于存储微型多旋翼无人直升机的飞行状态参数和传感器数据；无线通信模块用于实现微型多旋翼无人直升机与地面间的图像、数据和指令的双向通信；智能控制模块用于实现飞行指令转换与传输、自主姿态控制、多传感器调度和巡检数据处理分析。所述杆塔建模分为数据获取过程、杆塔定位过程、安全区域划分过程和安全区域评估过程；数据获取过程为通过输电线路设计者所提供的工程图纸获取杆塔基本的结构， 在此基础上借助视觉或激光测试获取更为详细的杆塔结构特征，完成三维重建过程；杆塔定位过程为依照地图及GPS定位系统对待检测输电线路每个杆塔进行确切位置定位；安全区域划分过程为依照(中华人民共和国电力行业标准《架空输电线路直升机巡视技术导则》)，在每个杆塔外围事先划定一个安全飞行区域，将该区域按照杆塔三维重建的粒度离散为一张网格，网格上的每个顶点代表微型多旋翼无人直升机可到达的一个观察视点，顶点间的弧代表微型多旋翼无人直升机可能的飞行路径；安全区域评估过程为按照安全飞行区域中每个设备出现故障的频率与固有使用寿命对所得的安全飞行区域进行进一步评估，从而确定安全飞行区域的不同权重。所述基本导航是指通过GPS定位系统和视觉测量系统联合估算微型多旋翼无人直升机与已规划观察视点之间的相对位置，从而控制微型多旋翼无人直升机的飞行路径；所述精确导航是指根据杆塔模型、视觉测量系统与微型多旋翼无人直升机GPS 定位系统的位置之间的空间关系，并结合GPS定位系统的测量值，进一步校准微型多旋翼无人直升机的观察视点，确保其准确访问预定的观察位置。
本发明的有益效果为1)本智能巡检方法的安全性好。由于在微型多旋翼无人直升机飞行前事先对电塔进行建模，在杆塔周围规划出飞机巡检过程中即可以顺利捕捉图像又不会触碰输电线元件的可靠观察范围。巡检时在该范围内寻找飞行路径，同时确保了微型多旋翼无人直升机及架空输电线路的安全性。2)本智能巡检方法检测准确度好。不同于传统巡检使用大型飞机的方法，本方法采用微型多旋翼直升机，可以在保证安全的前提下更近距离、多角度、全方位地对图像中观测目标进行准确采集，为电力线路巡检故障诊断提供高质量的信息。3)本智能巡检方法巡检效率高。不同于传统意义上的漫游式巡检，本方法首先进行安全区域规划，在此基础上将其离散成一张网格，通过对观察视点在位置、观测效果方面的评价进行加权获得该观察视点的综合评价，结合飞行时间约束、飞机能耗约束，依照最优化理论进行求解，可以使飞机找到完成整个巡检任务的最优路径，避免了不必要的时间消耗和飞机能耗。4)本智能巡检方法灵活性高。该方法将对电塔建模所得的安全区域抽象为网的形式，使得飞机在面对不同的电塔结构、复杂的沿线植物覆盖情况时均可进行灵活建模。因此，面对不同的架空输电线路环境该方法都具有较好的适应性。5)本智能巡检方法成本低，可操作性强。本方法所使用的微型多旋翼直升机相比于传统巡检所使用的大型飞机在飞机价格、设备维护成本方面都拥有绝对优势。
图1为微型多旋翼直升机电力杆塔智能巡检流程图；图加为微型多旋翼直升机巡检飞行安全区域主视图；图2b为微型多旋翼直升机巡检飞行安全区域左视图；图2c为微型多旋翼直升机巡检飞行安全区域俯视图；图3a为微型多旋翼直升机视点规划及最优路径选择主视图；图北为微型多旋翼直升机视点规划及最优路径选择左视图；图中标号1-安全飞行区域1 ；2-安全飞行区域2 ；3-安全飞行区域3 ；4-安全飞行区域4 ；5-安全飞行区域5 ；6-安全飞行区域6 ；7-安全飞行区域7。
具体实施例方式下面结合附图对本发明进一步详细说明如图1所示，基于多旋翼无人机的电力杆塔智能巡检方法。它分为以下步骤杆塔建模、检视视点规划、自主导航、数据采集和故障分析。杆塔建模分为数据获取过程、杆塔定位过程、安全区域划分过程和安全区域评估过程；数据获取过程为通过输电线路设计者所提供的工程图纸获取杆塔基本的结构， 在此基础上借助视觉或激光测试获取更为详细的杆塔结构特征，完成三维重建过程；杆塔定位过程为依照地图及GPS定位系统对待检测输电线路每个杆塔进行确切位置定位；
安全区域划分过程为依照中华人民共和国电力行业标准《架空输电线路直升机巡视技术导则》，在每个杆塔外围事先划定一个安全飞行区域(即飞机巡检过程中即可以顺利捕捉图像又不会触碰输电线元件的可靠观察范围，微型多旋翼无人直升机在此范围内飞行时，不得挂碰到任何输电塔元件以及电线，不得对输电线正常工作造成不良影响；在该范围内对目标观察拥有较好的观察视角)。如图2a、图2b、图2c所示，是安全飞行区域的三视图，在安全飞行区域1和7中， 微型多旋翼无人直升机可以观测到杆塔、导线、接地装置及基础设施；在安全飞行区域2、 3、5、6中，微型多旋翼无人直升机可以观测到绝缘子、金具、附属设施及导线。按照每个安全飞行区域中输电设备出现故障的频率统计结果和固有使用寿命对所得的安全飞行区域赋予不同的巡检权重。例如，划分出重点巡检区域(安全飞行区域2、3、5、6)和普通巡检区域 (安全飞行区域1、4、7)。将图2a、图2b、图2c中的安全飞行区域看做空间中的一张曲面， 将其离散化后可以得到张网格，顶点代表微型多旋翼无人直升机可到达的一个观察视点， 弧代表微型多旋翼无人直升机可能的飞行路径，如图3a、图北所示。安全区域评估过程为按照安全飞行区域中每个设备出现故障的频率与固有使用寿命对所得的安全飞行区域进行进一步评估，从而确定安全飞行区域的不同权重(如重点巡检区域、普通巡检区域等)。所述检视视点规划是指在上述安全飞行区域内优选观察视点的过程；观察视点指微型多旋翼无人直升机在空间中所处的观察位置和视角，即微型多旋翼无人直升机自身的位置坐标以及视觉传感器的朝向，具体来说，微型多旋翼无人直升机在巡检过程中，需依照顺序依次访问到每个区域完成对整个杆塔的巡检(可见光图像采集、红外图像采集、电塔及周边环境信息的采集)，在区域中要观测该区域包含的输电设备， 但区域内部观察视点选择具有灵活性，如何选择相应的观察视点，确保观测的质量和飞行的时间，是视点规划要解决的问题。通过已建立的连通图预先确定微型多旋翼无人直升机的安全飞行区域和所有可行的观察视点，以飞行效率、观测质量和巡检任务为约束条件，运用最优化方法求解有效覆盖待巡检部位的最佳观察视点；微型多旋翼无人直升机依照杆塔建模的结果来规划其运动轨迹和观察视角。如图 2a、图2b、图2c所示，微型多旋翼无人直升机在巡检过程中，依照划分的安全区域的顺序依次遍历安全飞行区域1至安全飞行区域7，每个区域内部都有许多不同的观察视点。根据对杆塔建模所得的数据，每一个观察视点都有不同的能观测到的输电设备以及不同的观测角度。如图3a、图北所示，黑色三角代表观察视点，巡检时，微型多旋翼无人直升机从区域1中的一个观察视点出发，在途经区域2至7的过程中，微型多旋翼无人直升机在一条最优路径上飞行，如图3a、图北中折线所示，以实现最佳的巡检效果。折线示意连接这些关键观察视点构成一条最优路径。在每个观察视点周围，微型多旋翼无人直升机还需根据自身与观测目标相对位置，对观测角度进行微调，确保在该观察视点对所能观察到的输电设备进行充分的捕捉。此时微型多旋翼无人直升机开始进行巡检，由于已进行了安全区域评估，所以此时的巡检飞行过程已经具备较高的安全性。微型多旋翼无人直升机通过处理器上运行的飞控算法结合飞行速度、角速度、高度等传感器反馈数据，完成对微型多旋翼无人直升机飞行姿态的控制。首先，通过GPS定位系统，微型多旋翼无人直升机估算飞行位置与已规划观察视点之间的相对位置，调整飞行路径。由于GPS定位系统精确度的局限性，此时的观察位置与预定观察位置仍存在一定误差，因此还需要进一步精确导航。当微型多旋翼无人直升机飞至预定观察视点附近，此时主要根据杆塔模型与微型多旋翼无人直升机的位置之间的空间关系，并结合GPS定位系统的测量值，进一步校准微型多旋翼无人直升机的观察视点，确保其准确访问预定的观察位置。微型多旋翼无人直升机按照上述步骤，从安全飞行区域1开始进行自主导航，结合传感器反馈数据，不断估算自身与预定观察视点及杆塔的相对位置，依次访问安全飞行区域1至安全飞行区域7中所有已规划的最优观察视点。微型多旋翼无人直升机在预定观察位置通过可见光摄像机及红外摄像机采集图像数据，并对每个任务点的环境信息、飞行状态进行记录。微型多旋翼无人直升机进行巡检的同时，通过无线数据链路将所采集的数据传回地面站。地面巡检及决策人员可配备一个能够接收无线信号的成像设备(比如显示器或便携式手持终端等)实时地观察到杆塔上的情况。故障分析是指巡检及决策人员根据传回地面站的可见光及红外热像图像数据、 可见光及红外热像视频数据、GPS位置信息和飞行状态信息资料，在地面站图像处理、视频分析以及故障诊断等模块的辅助下，进行有针对性的分析、判别和诊断，从而确定架空输电线杆塔整体的健康状况，辅助输电线路维护部门有效实施架空输电线杆塔的维修和故障排查。
权利要求
1.基于微型多旋翼无人直升机的电力杆塔智能巡检方法，其特征在于，分为以下步骤1)杆塔建模使用计算机和GPS定位系统对架空输电线杆塔进行建模，获得微型多旋翼无人直升机安全飞行区域，并对安全飞行区域进行评估；2)检视视点规划通过已建立的网格预先确定微型多旋翼无人直升机的安全飞行区域和所有可行的观察视点，以飞行效率、观测质量和巡检任务为约束条件，运用最优化方法求解有效覆盖待巡检部位的最佳观察视点；在每个观察视点附近，微型多旋翼无人直升机根据自身位置与观测到的设备的不同， 对观测角度进行微调，确保在该观察视点对所能观察到的输电设备进行充分的捕捉；3)自主导航地面站通过与微型多旋翼无人直升机的无线通讯数据链路进行通讯，并采用基本导航和精确导航控制微型多旋翼无人直升机的运动轨迹和姿态；4)数据采集微型多旋翼无人直升机在预定观察位置通过视觉传感器获得图像数据、 红外热像数据以及该观察位置的GPS和飞行状态信息，然后通过地面站与微型多旋翼无人直升机的无线通讯数据链路，将以上数据传回地面站；5)故障分析巡检及决策人员根据传回地面站的可见光及红外热像图像数据、可见光及红外热像视频数据、GPS位置信息和飞行状态信息资料，在地面站图像处理、视频分析以及故障诊断等模块的辅助下，进行有针对性的分析、判别和诊断，从而确定架空输电线杆塔整体的健康状况，辅助输电线路维护部门实施架空输电线杆塔的维修和故障排查。
2.根据权利要求1所述的基于微型多旋翼无人直升机的电力杆塔智能巡检方法，其特征在于，所述微型多旋翼无人直升机配备有以下组件锂电池、传感器、数据存储单元、无线通信模块和智能控制模块；传感器包括可见光摄像机、红外摄像机、6轴姿态与3轴磁场传感器、气压计、GPS定位系统和视觉测量系统；传感器具备多角度抗抖动拍摄功能；可见光摄像机可以进行两自由度360°旋转拍摄，并具有自动变焦的特性；红外摄像机用于检测杆塔设备的发热情况；6 轴姿态与3轴磁场传感器能够获得微型多旋翼无人直升机的飞行状态参数；GPS定位系统和视觉测量系统辅助微型多旋翼无人直升机的导航定位，用于获取微型多旋翼无人直升机的地理位置坐标；数据存储单元用于存储微型多旋翼无人直升机的飞行状态参数和传感器数据；无线通信模块用于实现微型多旋翼无人直升机与地面间的图像、数据和指令的双向通智能控制模块用于实现飞行指令转换与传输、自主姿态控制、多传感器调度和巡检数据处理分析。
3.根据权利要求1所述的基于微型多旋翼无人直升机的电力杆塔智能巡检方法，其特征在于，所述杆塔建模分为数据获取过程、杆塔定位过程、安全区域划分过程和安全区域评估过程；数据获取过程为通过输电线路设计者所提供的工程图纸获取杆塔基本的结构，在此基础上借助视觉或激光测试获取更为详细的杆塔结构特征，完成三维重建过程；杆塔定位过程为依照地图及GPS定位系统对待检测输电线路每个杆塔进行确切位置定位；安全区域划分过程为依照(中华人民共和国电力行业标准《架空输电线路直升机巡视技术导则》)，在每个杆塔外围事先划定一个安全飞行区域，将该区域按照杆塔三维重建的粒度离散为一张网格，网格上的每个顶点代表微型多旋翼无人直升机可到达的一个观察视点，顶点间的弧代表微型多旋翼无人直升机可能的飞行路径；安全区域评估过程为按照安全飞行区域中每个设备出现故障的频率与固有使用寿命对所得的安全飞行区域进行进一步评估，从而确定安全飞行区域的不同权重。
4.根据权利要求1所述的基于微型多旋翼无人直升机的电力杆塔智能巡检方法，其特征在于，所述基本导航是指通过GPS定位系统和视觉测量系统联合估算微型多旋翼无人直升机与已规划观察视点之间的相对位置，从而控制微型多旋翼无人直升机的飞行路径；所述精确导航是指根据杆塔模型、视觉测量系统与微型多旋翼无人直升机GPS定位系统的位置之间的空间关系，并结合GPS定位系统的测量值，进一步校准微型多旋翼无人直升机的观察视点，确保其准确访问预定的观察位置。
全文摘要
本发明公开了属于输电线路巡检技术领域的基于微型多旋翼无人直升机的电力杆塔智能巡检方法。它分为以下步骤杆塔建模、检视视点规划、自主导航、数据采集和故障分析；杆塔建模分为数据获取过程、杆塔定位过程、安全区域划分过程和安全区域评估过程；检视视点规划指根据相关约束条件求解最佳观察视点的过程；自主导航分为基本导航和精确导航两个步骤；数据采集指微型多旋翼无人直升机将相关数据传回地面站的过程；故障分析指巡检及决策人员根据传回地面站的数据进行分析、判别和诊断的过程。本发明的有益效果为安全性好、检测准确度好、巡检效率高、灵活性高、成本低和可操作性强。
文档编号H02B3/00GK102510011SQ20111032645
公开日2012年6月20日 申请日期2011年10月24日 优先权日2011年10月24日
发明者吕敏, 吴华, 杨国田, 柳长安 申请人:华北电力大学