一种自主导航电力巡线故障检测的四旋翼飞行器系统的制作方法

技术特征：

1.一种自主导航电力巡线故障检测的四旋翼飞行器系统，包括位于地面的上位机以及安装于飞行器上用于控制飞行器飞行状态的飞行控制模块，飞行控制模块内部包含有用于通过GPS卫星系统获取当前飞行器GPS位置信息的GPS模块；其特征在于，所述飞行器系统还包括：

安装于飞行器上用于采集视频图像的摄像头；

图像检测模块，用于对采集到的视频图像进行检测，以识别出图像中的电力线是否存在异常情况；

北斗导航模块，用于通过北斗卫星系统获取当前飞行器的北斗位置信息；

超声波测距模块，用于检测飞行器周围是否存在障碍物以及与障碍物之间的距离；

GPRS通信模块，用于接收地面上位机发送的导航路径信息，同时将飞行控制模块提供的飞行状态信息以及融合校准后得到的位置信息发送给上位机；

中转控制模块，用于对所述北斗位置信息以及导航路径信息进行解析及预处理后发送给飞行控制模块，同时根据超声波测距模块检测到的障碍物信息通过分析向飞行控制模块发出避障飞行指令，还用于对图像检测模块、北斗导航模块和GPRS通信模块的工作参数进行设定以驱动协调这些模块的工作；

所述的飞行控制模块通过对所述GPS位置信息和北斗位置信息进行融合校准并结合所述导航路径信息用以控制飞行器的飞行状态，同时根据避障飞行指令驱动飞行器做出避障动作，并将飞行状态信息以及融合校准后得到的位置信息通过中转控制模块转发给GPRS通信模块。

2.根据权利要求1所述的四旋翼飞行器系统，其特征在于：所述的北斗导航模块、图像检测模块和GPRS通信模块通过串口扩展板与中转控制模块连接。

3.根据权利要求1所述的四旋翼飞行器系统，其特征在于：所述的上位机包括：

网络接收模块，用于连接公网且与飞行器上的GPRS通信模块进行网络通信；

上位机处理模块，其采用Voronoi图法对飞行器当前位置、目的地位置以及所有障碍点的坐标信息进行路径化运算，进而通过网络接收模块将运算得到导航路径信息发送给飞行器。

4.根据权利要求3所述的四旋翼飞行器系统，其特征在于：所述上位机处理模块进行路径化运算的具体过程如下：

(1)通过网络接收模块远程获取飞行器当前位置坐标点，结合设置的目的地位置坐标点以及所有障碍点，将这些点均存储为独立的离散点；

(2)划定包含上述所有离散点的最小方形地图区域；

(3)在所述最小方形地图区域内，采用Voronoi图法对所有离散点进行路径化运算，计算出该地图区域内所有的可行路径；

(4)采用广度优先搜索算法对所有可行路径进行路径搜索，确定从当前位置至目的地位置的最优路径；

(5)对所述最优路径进行离散点化，提取最优路径上各离散点的坐标信息，进而将这些离散点的坐标信息通过网络接收模块远程发送给飞行器。

5.根据权利要求1所述的四旋翼飞行器系统，其特征在于：所述飞行控制模块对GPS位置信息和北斗位置信息进行融合校准的具体方法如下：

首先，通过以下公式对前n组北斗位置信息和GPS位置信息进行融合校准：

$Y_i={\mathrm{kX}}_i^B+(1-k)X_i^G.$

$k=\frac{s_B}{2s_G}$

其中：和对应为第i组北斗位置信息和第i组GPS位置信息，Y_i对应为第i组融合校准后的位置信息，s_B和s_G对应为北斗卫星系统和GPS卫星系统的卫星数量，i为自然数且1≤i≤n，n为设定的组数；

然后，根据以下公式计算前n组北斗位置信息和GPS位置信息的方差：

$\begin{array}{cc}{\∈}_B=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{(Y_i-X_i^B)}^2& {\∈}_G=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{(Y_i-X_i^G)}^2\end{array}$

其中：∈_B和∈_G对应为前n组北斗位置信息和GPS位置信息的方差；

最后，通过以下公式对n组之后的北斗位置信息和GPS位置信息进行融合校准：

$Y_j={\mathrm{pX}}_j^B+(1-p)X_j^G$

$p=\frac{s_B}{s_G}(1-\frac{{\∈}_B}{{\∈}_B+{\∈}_G})$

其中：和对应为第j组北斗位置信息和第j组GPS位置信息，Y_j对应为第j组融合校准后的位置信息，j为自然数且j＞n。

6.根据权利要求1所述的四旋翼飞行器系统，其特征在于：所述图像检测模块对采集到的视频图像进行检测，具体过程如下：

(1)对采集到的视频图像进行灰度化处理；

(2)对灰度化后的视频图像进行背景差分及前景分离，得到差分前景图像；即对于当前帧视频图像，使其与前一帧视频图像对应灰度值相减，得到当前差分图像；对于当前差分图像中的任一像素点，若其灰度值大于一定阈值，则标记该像素点为前景，依此遍历所有像素点，从而得到差分前景图像；

(3)对所述差分前景图像进行改进型霍夫变换，输出得到对应多条直线的参数对(P,θ)，其中P和θ分别为直线在图像坐标系中的截距和夹角；具体过程如下：

3.1对差分前景图像采用传统霍夫变换，得到所有可能对应直线的参数对(P,θ)，根据夹角θ的大小对这些参数对进行排序；

3.2对于当前参数对(P_i,θ_i)及其前一参数对(P_i-1,θ_i-1)，若|θ_i-θ_i-1|＜Δθ且|P_i-P_i-1|＜ΔP，则比较A(P_i,θ_i)与A(P_c,θ_c)的大小：若A(P_i,θ_i)＞A(P_c,θ_c)，则使参数对(P_c,θ_c)更新为(P_i,θ_i)；若A(P_i,θ_i)≤A(P_c,θ_c)，则使参数对(P_c,θ_c)保持不变；

若|θ_i-θ_i-1|≥Δθ或|P_i-P_i-1|≥ΔP，则保存并输出当前参数对(P_i,θ_i)，并使参数对(P_c,θ_c)以及A(P_c,θ_c)均置为0；

其中，A(P_i,θ_i)为当前参数对(P_i,θ_i)所对应直线上的像素点个数，A(P_c,θ_c)为参数对(P_c,θ_c)所对应直线上的像素点个数，所述参数对(P_c,θ_c)和A(P_c,θ_c)初始化均为0，ΔP和Δθ分别为设定的角度差阈值和截距差阈值；

3.3根据步骤3.2依次判断步骤3.1中的各参数对(P,θ)；

(4)根据步骤(3)输出得到的参数对(P,θ)，结合事先设定的电力线实际参数进行逻辑分析，以判断是否存在电力线异常情况；若存在以下两种情况，则判定当前电力线异常；

①步骤(3)输出得到的参数对(P,θ)的个数小于实际电力线数量；

②步骤(3)输出得到的各参数对(P,θ)的夹角θ不一致。

7.根据权利要求1所述的四旋翼飞行器系统，其特征在于：所述的中转控制模块内加载有以下避障分析策略：

实时判断飞行器正前方一定距离范围内是否存在障碍物：若否，则向飞行控制模块发出前进飞行指令使飞行器按预定路径自主飞行；若是，则进一步判断飞行器左方一定距离范围内是否存在障碍物：

若否，则向飞行控制模块发出左转飞行指令；若是，则进一步判断飞行器右方一定距离范围内是否存在障碍物：

若否，则向飞行控制模块发出右转飞行指令；若是，则进一步判断飞行器上方一定距离范围内是否存在障碍物：

若否，则向飞行控制模块发出上升飞行指令；若是，则进一步判断飞行器下方一定距离范围内是否存在障碍物：

若否，则向飞行控制模块发出下降飞行指令；若是，则进一步判断飞行器后方一定距离范围内是否存在障碍物：

若否，则向飞行控制模块发出后退飞行指令；若是，则向飞行控制模块发出悬停飞行指令。

8.根据权利要求1所述的四旋翼飞行器系统，其特征在于：所述的飞行控制模块连接有电池监控模块，所述电池监控模块实时监控飞行器的电源电池电量，当电量不足时电池监控模块预先告知飞行控制模块使其控制飞行器自主返航至充电点。

9.根据权利要求1所述的四旋翼飞行器系统，其特征在于：所述的超声波测距模块由布置于飞行器对应上下前后左右表面上的六个超声波测距单元组成。

10.根据权利要求2所述的四旋翼飞行器系统，其特征在于：若图像检测模块检测到当前帧图像中的电力线存在异常情况，则通过中转控制模块使飞行控制模块控制飞行器悬停以进一步确认异常情况；当电力线确定故障后，飞行控制模块将当前时间、当前位置以及故障类型依次通过中转控制模块和GPRS通信模块发送给上位机。