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,。基于以上原因,,不需要提取圖像中所有的點(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)時需要俯仰運(yùn)動,,與線路靠得太近時需要翻滾運(yùn)動來及時調(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,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,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。因此巡線時間應(yīng)選擇在背景光線弱的時候,,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良好的高頻特性和加速度計(jì)在測量角速度時良好的低頻特性,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,利用前一時刻的估計(jì)值和當(dāng)前時刻的觀測值來更新對狀態(tài)變量的估計(jì),,求出當(dāng)前時刻的估計(jì)值,。它適合于實(shí)時處理和計(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,,同時也提高了工作的效率,。
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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)