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(dòng)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(dòng)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(shí)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(gè)部分,。

2.1 機(jī)架及動(dòng)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(gè)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(dòng)。選用大疆公司的風(fēng)火輪F450飛行平臺(tái),，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(tái)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(dòng)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(dòng)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(jí),。

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(dòng)增益和自動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(shí)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(hào)Y和色度信號(hào)U,、V是分離的，如果只有Y信號(hào)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(chǔ)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(hào)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(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(dòng)，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(dòng)姿態(tài),。

    在初始化階段需要手動(dòng)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(dòng),，與線路靠得太近時(shí)需要翻滾運(yùn)動(dòng)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(gè)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(shí)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(huì)有干擾和噪聲存在,，干擾下一步的線路識(shí)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(gè)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(hào)后,，識(shí)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),。控制思路如圖7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(chǔ)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(hào)，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(dòng)圖像的不穩(wěn)定性,，實(shí)際采用攝像頭PD與運(yùn)動(dòng)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(gè)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(gè)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(hào)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。

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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）