文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2017.04.022
中文引用格式: 張科比,,雷勇. 基于攝像頭的輸電線無人機(jī)自主巡線方案設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,,2017,43(4):83-85,,89.
英文引用格式: Zhang Kebi,,Lei Yong. Design of UAV independent inspection on transmission line based on the camera[J].Application of Electronic Technique,2017,,43(4):83-85,,89.
0 引言
近年來,,我國的全國互聯(lián)大電網(wǎng)逐步建成并完善,輸電線路總長度和輸送容量逐年增長,。為確保輸電線路的可靠性,,及時(shí)發(fā)現(xiàn)線路損傷和隱患,電力部門必須定期對輸電線路進(jìn)行巡檢[1],。目前輸電線路的巡檢主要為人工巡檢,,此方式受到自然環(huán)境和巡檢設(shè)備的制約,成本高,、效率低、漏檢率及誤檢率大,,效果不佳,。線路攀爬機(jī)巡檢機(jī)器人巡檢速度慢,對機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求高,,需要完成越障等高難度動作,,機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制算法復(fù)雜[2-4]。
由于四旋翼無人機(jī)具有能垂直起降,、可懸停,、適應(yīng)性強(qiáng)、成本低,、安全性高,、機(jī)動性好等許多特點(diǎn)[5-6],可搭載航拍裝置多角度,、全方位地獲取清晰準(zhǔn)確的輸電線信息,。非接觸式輸電線巡檢實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測,提升故障檢出率,,為迅速確定搶修方案,、縮短搶修時(shí)間提供有力保障[7-8]。
本文設(shè)計(jì)了一種基于攝像頭的自主巡線四旋翼無人機(jī)方案,,用黑白攝像頭[9]采集輸電線與背景的灰度圖像信息并進(jìn)行相應(yīng)處理,,快速準(zhǔn)確地識別出輸電線,以輸電線作為導(dǎo)航目標(biāo),,規(guī)劃四旋翼無人機(jī)的巡線路徑,。
1 四旋翼無人機(jī)自主巡線方案設(shè)計(jì)
自主巡線四旋翼無人機(jī)由機(jī)架、主控模塊、攝像頭,、姿態(tài)檢測模塊,、高度檢測模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊,、電池模塊構(gòu)成,。主控模塊讀取各傳感檢測模塊的數(shù)據(jù)并進(jìn)行姿態(tài)數(shù)據(jù)融合,解算出無人機(jī)的高精度姿態(tài)角,,讀取并處理攝像頭圖像數(shù)據(jù),,規(guī)劃無人機(jī)巡線路徑,根據(jù)偏差調(diào)節(jié)各電機(jī)轉(zhuǎn)速,,使無人機(jī)執(zhí)行相應(yīng)的飛行動作達(dá)到自主巡線飛行的效果,。四旋翼無人機(jī)總體設(shè)計(jì)圖如圖1。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)分為四旋翼無人機(jī)機(jī)架及動力模塊,、主控模塊,、輸電線檢測模塊、無人機(jī)姿態(tài)及高度檢測模塊,、應(yīng)急通信模塊5個部分,。
2.1 機(jī)架及動力模塊
四旋翼無人機(jī)是一種六自由度的、帶有4片正反槳葉的旋翼類飛行器,,可通過改變4個電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制無人機(jī)在縱向,、橫向、豎直方向和偏航方向上運(yùn)動,。選用大疆公司的風(fēng)火輪F450飛行平臺,,好盈30 A無刷電調(diào)直接焊接到F450的沉金PCB上,配備新西達(dá)2 212/1 000 kV電機(jī)構(gòu)建四旋翼無人機(jī),。該平臺機(jī)架力臂材料強(qiáng)度大,,耐摔,耐撞擊,,機(jī)身設(shè)計(jì)時(shí)保持重心和幾何重心重合,,穩(wěn)定性好。為了增長四旋翼無人機(jī)的巡檢時(shí)間,、懸停能力以及抗風(fēng)能力,,滿足電機(jī)的功率要求,動力模塊配備30 C放電性能的5 200 mAh的高能鋰聚合物電池,。
2.2 主控模塊
四旋翼無人機(jī)的主控模塊是實(shí)現(xiàn)機(jī)體穩(wěn)定,、精確巡線飛行的核心。選用STM32F407芯片完成對各種傳感器數(shù)據(jù)的讀取,、運(yùn)算處理,、飛行姿態(tài)和動作的控制,,使無人機(jī)根據(jù)控制算法處理結(jié)果來調(diào)整飛行姿態(tài),實(shí)現(xiàn)巡線飛行,。
STM32F407芯片是基于ARMCortex-M4內(nèi)核的32 bit微控制器,,具有256 KB Flash,支持最高168 MHz的運(yùn)行頻率,,開源且擁有函數(shù)庫,,功能強(qiáng)大,與硬件兼容性好,,可移植性強(qiáng),,便于無人機(jī)控制算法的開發(fā)、維護(hù)和升級,。
2.3 輸電線檢測模塊
輸電線圖像的分辨率是決定自主巡線是否精確的基礎(chǔ),。圖像采集采用OV7620攝像頭,利用逐行掃描方式采集輸電線及背景圖像上的點(diǎn),,通過I/O傳輸?shù)街骺啬K,。OV7620是CMOS彩色/黑白圖像傳感器,支持連續(xù)和隔行兩種掃描方式,最高像素為664×492,幀速率為30 f/s,,數(shù)據(jù)格式包括YUV,、YCrCb、RGB 3種,,內(nèi)置10 bit雙通道A/D轉(zhuǎn)換器,輸出8 bit圖像數(shù)據(jù),自帶自動增益和自動白平衡控制,,功耗小于110 mW,,可以采集到較為清晰的黑白數(shù)字圖像。
2.4 無人機(jī)姿態(tài)及高度檢測模塊
四旋翼無人機(jī)的姿態(tài)檢測是姿態(tài)控制與調(diào)整的前提,,包括翻滾角,、俯仰角、偏航角,。姿態(tài)檢測采用MPU-6050和GY-273 HMC5883L,。MPU-6050是全球首例整合性六軸運(yùn)動處理組件,避免除了組合陀螺儀與加速度計(jì)的軸間差的問題,,大大減小了體積,,提高了精度;三軸電子羅盤HMC5883L內(nèi)部集成了先進(jìn)的高分辨率磁阻傳感器,,并附帶了具有霍尼韋爾專利的集成電路,,能使羅盤測量精度控制在2°以內(nèi),可以通過I2C引腳與系統(tǒng)連接,。高度檢測選用大氣壓強(qiáng)傳感器MPXA6115A,,MPXA6115A具有耐高溫,、高精度集成、輸出的模擬量與高度成線性關(guān)系等優(yōu)點(diǎn),。
2.5 應(yīng)急通信模塊
四旋翼無人機(jī)的安全是自主巡線的基礎(chǔ),,方案設(shè)計(jì)中引入無線遙控模塊,在突發(fā)意外時(shí)可以通過手動遙控解決,。無線遙控模塊選用E31-TTL-50,,通信距離為2 100 m,收發(fā)一體,,具有發(fā)射功率小且密度集中的優(yōu)點(diǎn),。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)軟件是四旋翼無人機(jī)的自主巡線控制核心,本文設(shè)計(jì)了基于攝像頭的無人機(jī)巡線算法,、無人機(jī)姿態(tài)檢測與控制算法,。無人機(jī)自主巡線軟件系統(tǒng)如圖2所示。
3.1 基于攝像頭的無人機(jī)巡線算法
四旋翼無人機(jī)自主巡線飛行過程中,攝像頭采集的圖像數(shù)據(jù)主要為輸電線和背景兩種顏色,,因此只需對圖像灰度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,,即可識別出輸電線實(shí)現(xiàn)跟蹤導(dǎo)航。本文的攝像頭數(shù)據(jù)輸出采用YUV格式,,YUV數(shù)據(jù)格式中“Y”表示明亮度,也就是灰階值,;而“U”和“V”表示的則是色度,作用是描述影像色彩及飽和度,,用于指定像素的顏色,。YUV色彩空間的優(yōu)點(diǎn)是它的亮度信號Y和色度信號U、V是分離的,,如果只有Y信號分量而沒有U,、V分量,表示的圖像就是黑白灰度圖像。
考慮到STM32F407的數(shù)據(jù)處理能力與存儲空間有限,而本系統(tǒng)的目的只在于提取輸電線,,即處理8位Y信號分量,,并且輸電線在高空中與背景差異較大,易于辨別,?;谝陨显颍恍枰崛D像中所有的點(diǎn),,只需提取一定數(shù)量的數(shù)據(jù)陣列即可,,最終方案采集240×180分辨率圖像。然后對圖像依次進(jìn)行二值化,、中值濾波和輸電線提取,,并通過單目視覺測距算法判斷無人機(jī)與輸電線的相對位置,最終實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)規(guī)劃無人機(jī)巡線路徑的功能,。
巡線過程涉及無人機(jī)的自主運(yùn)動,,在本文的設(shè)計(jì)中,,巡線主要依靠無人機(jī)的垂直升降、前后俯仰,、左右翻滾3種運(yùn)動姿態(tài),。
在初始化階段需要手動遙控將四旋翼無人機(jī)直升到輸電線附近,而后四旋翼無人機(jī)沿著線路前進(jìn)時(shí)需要俯仰運(yùn)動,,與線路靠得太近時(shí)需要翻滾運(yùn)動來及時(shí)調(diào)整,。
(1)二值化處理
基于灰度的輸電線圖像二值化即選擇一個合適的閾值,將輸電線與背景有效分開,。將圖像導(dǎo)入MATLAB進(jìn)行分析,,發(fā)現(xiàn)飛行器在不同地點(diǎn)、不同時(shí)間甚至不同天氣環(huán)境下,,背景及輸電線的像素值受客觀因素影響較大,,無法使用恒定閾值對圖像進(jìn)行二值化處理,所以二值化的閾值要不斷改變,。
采用循環(huán)迭代下的最佳閾值分割算法,,計(jì)算出圖像的最佳閾值,并求出此時(shí)的二值化圖像,,并對圖像進(jìn)行細(xì)化處理,,提高輸電線提取效果。
實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),,背景光線較暗時(shí),,輸電線線圖像如圖3所示,二值化后圖像如圖4所示,。當(dāng)背景光線很強(qiáng)時(shí),,輸電線對光線進(jìn)行反射,輸電線亮度與背景接近,,輸電線圖像如圖5所示,二值化后圖像如圖6所示,,無法識別,。因此巡線時(shí)間應(yīng)選擇在背景光線弱的時(shí)候,如陰天,。
(2)中值濾波算法
二值化后已經(jīng)出現(xiàn)非常清晰的輸電線圖像,,實(shí)際檢測中仍會有干擾和噪聲存在,干擾下一步的線路識別,。所以選擇對圖像進(jìn)行中值濾波,,把數(shù)字圖像中一點(diǎn)的值用該點(diǎn)的一個鄰域中各點(diǎn)值的中值代替,讓周圍的像素值接近真實(shí)值,,從而消除孤立的噪聲點(diǎn),。
(3)巡線控制思路
在攝像頭提取出穩(wěn)定的信號后,,識別輸電線軌跡,進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理,,計(jì)算出偏差角度,,再將誤差數(shù)據(jù)送入PID控制器,對電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度進(jìn)行控制,,及時(shí)調(diào)整,,直到輸電線軌跡穩(wěn)定在飛行器飛行的合理范圍內(nèi)??刂扑悸啡鐖D7所示,。
將基準(zhǔn)線設(shè)定在攝像頭圖片中間位置,允許一定誤差范圍,,而后將采集進(jìn)來的實(shí)時(shí)攝像頭數(shù)據(jù)進(jìn)行比對,,計(jì)算出誤差值,輸出到PID控制器中調(diào)節(jié)電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度,,達(dá)到在輸電線附近穩(wěn)定飛行,。
程序設(shè)計(jì)思路為建立一組數(shù)組,默認(rèn)為黑線理想情況下的穩(wěn)定值,,圖片大小為240×180像素,,設(shè)IMAGE[110]~IMAGE[130]為巡線允許的范圍內(nèi)的黑線,程序中photo[]數(shù)組實(shí)時(shí)存儲了每一次的圖像,,將黑線部分保留,,進(jìn)行差值運(yùn)算,保留正負(fù)符號,,對應(yīng)豎行相加減,,橫向求平均值,得出某一瞬間的偏差度X,。輸入PID調(diào)節(jié)器進(jìn)行電機(jī)控制,。
考慮運(yùn)動圖像的不穩(wěn)定性,實(shí)際采用攝像頭PD與運(yùn)動速度PID聯(lián)合的閉環(huán)控制,,使飛行速度穩(wěn)定在設(shè)定值范圍內(nèi),,達(dá)到穩(wěn)定巡線的效果。
在穩(wěn)定了攝像范圍之后便可以調(diào)整俯仰角度進(jìn)行巡線,,此后的過程中俯仰與翻滾角度及時(shí)調(diào)整互補(bǔ),,穩(wěn)定輸出。
3.2 無人機(jī)姿態(tài)檢測與控制算法設(shè)計(jì)
四旋翼無人機(jī)的姿態(tài)檢測與控制直接關(guān)系到巡線過程的穩(wěn)定性和可靠性,,通過卡爾曼濾波算法快速融合加速度計(jì),、陀螺儀、電子羅盤數(shù)據(jù),,使用加速度計(jì)測量值修正陀螺儀的積分誤差,,充分利用陀螺儀在測量角位移時(shí)良好的高頻特性和加速度計(jì)在測量角速度時(shí)良好的低頻特性,,結(jié)合電子羅盤數(shù)據(jù)解算出四旋翼無人機(jī)3個軸向的姿態(tài)角估計(jì)值,包括翻滾角,、俯仰角,、偏航角。將得到的無人自飛行姿態(tài)與自主巡線算法規(guī)劃的路徑比較,,計(jì)算得出期望姿態(tài)角,,通過PID算法控制四旋翼無人機(jī)快速的跟蹤期望姿態(tài)角,穩(wěn)定航向和高度,,從而使無人機(jī)自主巡線飛行,。
四旋翼無人機(jī)姿態(tài)解算采用基于卡爾曼濾波的融合算法,卡爾曼濾波是一個最優(yōu)化自回歸數(shù)據(jù)處理算法,,它以現(xiàn)代控制理論和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)處理為基礎(chǔ),,以估計(jì)均方誤差值最小化為準(zhǔn)則,對當(dāng)前系統(tǒng)的狀態(tài)作出最佳估計(jì),。該算法的基本思想是:采用信號與噪聲的狀態(tài)空間模型,,利用前一時(shí)刻的估計(jì)值和當(dāng)前時(shí)刻的觀測值來更新對狀態(tài)變量的估計(jì),求出當(dāng)前時(shí)刻的估計(jì)值,。它適合于實(shí)時(shí)處理和計(jì)算機(jī)運(yùn)算,。
卡爾曼濾波器與一般濾波器的最大區(qū)別在于它同時(shí)處理了系統(tǒng)的狀態(tài)方程和觀測方程,其系統(tǒng)方框圖如圖8所示,。
系統(tǒng)的狀態(tài)方程為:
其中x(k)為系統(tǒng)在時(shí)刻下的狀態(tài)向量,,A(k|k-1)為系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣,w(k-1)表示過程白噪聲,,符合正態(tài)分布,。
觀測方程為:
式中,Z(k)為系統(tǒng)在k時(shí)刻下的觀測向量,,H(k)為觀測矩陣,,v(k)為觀測白噪聲,同樣也符合正態(tài)分布,。
四旋翼無人機(jī)的姿態(tài)融合解算中,,可以依據(jù)陀螺儀積分輸出的角度作為姿態(tài)角的觀測值,將加速度計(jì)和電子羅盤測得的姿態(tài)角作為系統(tǒng)測量值,,套用卡爾曼濾波器的流程來確定更新后的角度確定姿態(tài)角??柭鼮V波算法的實(shí)際系統(tǒng)框圖如圖9所示,。
4 結(jié)語
安全責(zé)任重于泰山,傳統(tǒng)的電力巡檢存在著極大的安全隱患,,比如人工攀爬桿塔,、人工操控?zé)o人機(jī)巡檢,,這些都具有人為因素從而導(dǎo)致安全事故發(fā)生。本方案利用無人機(jī)代替人工巡檢再由攝像頭定位輸電線,,從而實(shí)現(xiàn)了真正意義上的自主巡航,,有效改善了輸電線路的巡檢工作安全性,同時(shí)也提高了工作的效率,。
參考文獻(xiàn)
[1] 魏傳虎,,任杰,張晶晶,,等.電力巡線無人機(jī)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用,,2015(7):77-80.
[2] 黃俊璞,林韓,,宋福根,,等.輸電線路上方無人機(jī)巡檢避障策略[J].電氣應(yīng)用,2015(2):32-34.
[3] 付昱瑋,,李字明,,姜洪.無人機(jī)巡線的發(fā)展和應(yīng)用研究[J].科技論壇,2014(1):25-27.
[4] 何蘇勤,,劉學(xué).無人機(jī)巡檢鏈路數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,,2012(9):93-96.
[5] 宮琛.四軸飛行器研究與設(shè)計(jì)[D].淮南:安徽理工大學(xué),2013.
[6] 岳基隆,,張慶杰,,朱華勇.微小型四旋翼無人機(jī)研究進(jìn)展及關(guān)鍵技術(shù)淺析[J].電光與控制,2010(10):46-52.
[7] 黃謹(jǐn)益.無人機(jī)在電力輸電線路的各種應(yīng)用[J].大眾科技,,2015(9):81-84.
[8] 湯明文,,戴禮豪,林朝輝,,等.無人機(jī)在電力線路巡視中的應(yīng)用[J].中國電力,,2013(3):35-38.
[9] 吳吟簫,張虹,,王新生,,等.基于黑白攝像頭的智能小車路徑識別系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)及應(yīng)用,2009(4):42-45.
作者信息:
張科比,,雷 勇
(四川大學(xué) 電氣信息學(xué)院,,四川 成都610065)