基于无人机影像的输电线路自动巡检系统.pdf
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1、Microcomputer Applications Vol.39,No.8,2023文章编号:10 0 7-7 57 X(2 0 2 3)0 8-0 19 3-0 4开发应用基于无人机影像的输电线路自动巡检系统微型电脑应用2 0 2 3年第39 卷第8 期蒙华伟,刘高,王丛,郭圣,罗李毅(广东电网有限责任公司,广东,广州510 16 0)摘要:为了有效确保输电线路安全性,增强无线通信功能,设计了基于无人机影像的输电线路自动巡检系统。搭建无人机巡检环境,采用无线通信模块实现无人机与地面站连接功能,利用导航模块调整无人机飞行路线和角度,使用巡检任务管理模块生成巡检任务,基于单目视觉算法获取无人机
2、与输电线路之间安全距离。通过接收输电线路巡检影像,利用卷积神经网络模型识别输电线路巡检影像内存在的输电线路缺陷,引入ELU非线性激活函数实现输电线路自动巡检。实验结果表明,该系统具备较强的无线通信功能,且对焦耗时较短、运行稳定性较好,可有效确保输电线路安全性。关键词:无人机影像;输电线路;自动巡检系统;无线通信;单目视觉测距中图分类号:TM755文献标志码:AAutomatic Inspection System for Transmission Lines Based on UAV ImageMENG Huawei,LIU Gao,WANG Cong,GUO Sheng,LUO Liyi(G
3、uangdong Power Grid Co.,Ltd.,Guangzhou 510160,China)Abstract:In order to effectively ensure the safety of transmission line and enhance the wireless communication function,an au-tomatic inspection system of transmission line based on UAV image is designed.The UAV patrol environment is built,thewirel
4、ess communication module is used to realize the connection function between the UAV and the ground station,the naviga-tion module is used to adjust the flight route and angle of the UAV,and the patrol task management module is used to generatethe patrol task,Based on monocular vision algorithm,the s
5、afe distance between UAV and transmission line is obtained.By re-ceiving the transmission line inspection image,the convolution neural network model is used to identify the transmission line de-fects in the transmission line inspection image,and the ELU nonlinear activation function is introduced to
6、 realize the automaticinspection of transmission line.The experimental results show that the system has strong wireless communication function,short focusing time and good operation stability,which can effectively ensure the safety of transmission line.Key words:UAV image;transmission line;automatic
7、 patrol inspection system;wireless communication;monocular vision ran-ging较低。0引言目前无人机搭载摄像机巡检方式已被普遍化,无人机巡输电线路是电力系统最基础的构成之一。由于长期受检方式不受地形以及输电线路架设高度影响,且仅需程序操风吹雨淋、日光暴晒以及穿透性紫外线影响,输电线路出现控无人机拍摄巡检图像即可 3,无须投人大量人力,同时也老化、腐蚀等现象。为保障电力系统安全运行,对电网进行提升了巡检质量。本文针对现有输电线路巡检系统存在的巡检,但受电网架设位置、地形以及巡检设备因素影响,存在一系列问题,利用无人机搭载摄像机
8、形式,设计基于无人机一定程度漏检情况,无法有效排除输电线路安全隐患。影像的输电线路自动巡检系统,以提升电力系统的安全性。针对这一情况,相关领域学者设计输电线路自动巡检系1无人机影像的输电线路自动巡检系统统,如黄郑等利用云雾边异构协同算法,实现多台无人机的协同控制与缺陷识别,但同时协同多台无人机进行巡检,其巡检的运维成本较高,应用性相对较差。马国鑫等 2 1使用无人机搭载摄像机拍摄巡检线路图片,经过图像识别方法实现线路缺陷检测,但该系统仅针对斜杆倾斜角度,巡检效率作者简介:蒙华伟(197 3一),男,本科,高级工程师,研究方向为输配电机巡技术管理;刘高(198 5一),男,硕士,高级工程师,研究
9、方向为输电线路智能运维;王丛(198 8 一),男,本科,高级工程师,研究方向为电力输电、资质管理;郭圣(198 9一),男,硕士,高级工程师,研究方向为输电设备管理;罗李毅(197 8 一),男,本科,高级工程师,研究方向为预算管理。.1931.1系统整体架构无人机影像的输电线路自动巡检系统将无人机控制技术与单目视觉测距图像拍摄技术相结合,使用人工和智能有机结合形式实现输电线路自动巡检过程。无人机影像的输Microcomputer Applications Vol.39,No.8,2023电线路自动巡检系统整体框架如图1所示。无人机巡检模块无人机巡检搭建模块无人机影像的输电线路自动巡检系统无
10、人机导航模块无线通信模块系统管理工作台模块地面站控制模块数据接收与存储模块巡检任务管理模块无人机飞行/拍摄控制模块输电线路缺陷识别模块图1无人机影像的输电线路自动巡检系统整体框架由图1可知,该系统分为无人机巡检和地面站控制两大模块。其中,无人机巡检模块功能是搭建无人机巡检架构,利用无人机导航模块,调整无人机飞行路线和角度,使用无线通信模块,实现无人机与地面站连接功能。地面站控制模块是实现系统人机交互功能模块,巡检工作人员通过系统管理工作台查询或设置输电线路巡检过程相关数据或参数。1.2无人机巡检搭建在无人机影像的输电线路自动巡检系统内,无人机巡检搭建是至关重要的一环 3,因此选择四旋翼无人机作
11、为执行飞行巡检任务无人机。无人机巡检搭建详情如图2 所示。无人机飞行/拍1摄控制子模块存储子模块1地面站111111GPS传感器控制器1111螺旋桨图2 无人机巡检搭建结构从图2 可知,无人机的硬件由电子调速器、飞行控制器、全景相机、云台、无线图传发射器以及GPS传感器等组成。利用无线图传发射器发送至地面站的无线图传接收机L4,工作人员利用遥控器与无人机内的遥控器接收机相连,实现控制无人机侧飞、悬停等功能。1.3无线通信模块设计无人机巡检搭建完成后,无人机与地面站利用射频器连接,射频器之间利用ZigBee与Wi-Fi两种无线通信方式连开发应用接 5,输电线路自动巡检系统的无线通信模块包括Zig
12、Bee与Wi-Fi两种无线通信方式,其担负着地面站与无人机之间数据交互的任务。ZigBee无线通信模块与计算机之间连接原理如图3所示。GNDXBEE_RESEF1:VCC2:DOUT/DIO133:DIN/nCONFIG/DIO144:DIO12/SPIL_MISO5:nRESET6:DIO10/PWMO7:DIO11/PWM18:reserved9:nDTR/SLEEP_RQ/DIO810:GND图3ZigBee无线通信子模块与计算机连接原理ZigBee无线通信模块利用RSART2串口与计算机CUP连接,当CUP读写到ZigBee无线通信模块时,该模块利用内置无线发射器向CUP发送无线信号
13、6,信号传输接口为USART,实现无人机与地面站之间的无线通信功能。1.4导航模块设计无人机导航模块是支撑无人机巡检的重要技术,导航模块主要负责在无人机巡检过程中,为其提供当前地理位置、飞行高度等信息。在此利用UM220-IN北斗导航芯片为数据接收与无人机提供导航定位功能,该导航芯片为SoC芯片,可同时111无线图传射频器遥控器显示器接收机1遥控器射频器云台接收机全景无线图飞行摄像机传发射器立1图像、电子视频叠加调速器电机微型电脑应用2 0 2 3年第39 卷第8 期0.1 FC44USART2RXUSART2TXIVCC_3.3 V1098765432111:ADO/DIOO12:AD1/D
14、IO1/SPL_nATTN13:AD2/DIO2/SPI_CLK14:AD3/DIO3/SPI_nSSELXbee-pro 900hp15:nRTS/DIO6($3b)16:ASSOCIATE/DIO517:BREF18:ON_nSLEEP/DIO911.13 1517 1919:nCTS/DIO7TITTTTTTTT10:DIO4/AD4/SPI_MOSI12 14 16 18 20适用不同频点并发情况,且该导航芯片成本与功耗均较低,应用性极强 7。1.5巡检任务管理模块设计无人机巡检任务管理模块主要负责巡检任务生成、发布以及任务处理。任务生成需依据当前待巡检输电线路架设1111111无人机
15、11环境、所处季节等规划具备针对性、区域性的巡检任务,对某些故障突发地段着重巡检8。巡检任务管理模块具体流程如图4所示。开启任务执行状开始态维护定时器变更任务否检测任务执行是重新下达状态为2状态是否为1开启无线图判断巡检拍摄是变更任务状态为传接收机是否完成香变更任务状态为1,记录任务完成度以及输电线路拍摄图像图4巡检任务管理模块任务管理流程由图4可知,巡检任务管理子模块内设置开启任务执行194任务指令2,修改待巡检任务列表上报巡检进度结束Microcomputer Applications Vol.39,No.8,2023状态维护定时器,并检测任务执行状态是否为1。若检测任务执行状态为1时,重
16、新下达任务指令,反之,变更任务状态为2。开启无线图传接收机,当无线图传接收机接收到输电线路图像后,判断该巡检拍摄任务是否完成。若该任务完成,标记任务状态为2,并修改待巡检任务列表,反之,将该任务状态标记为1,并记录此次输电线路巡检任务进度、所拍摄的图像,并上报巡检进度。1.6基于单目视觉算法的无人机航拍成像方法无人机在执行输电线路巡检时,其飞行位置与输电线路距离过近,易发生无人机飞行事故,距离过远则无法清晰拍摄输电线路图像。利用单目视觉算法 9-10 获取无人机与输电线路之间安全距离流程如下。令M表示输电杆塔实际高度,拍摄的输电线路图像内输电杆塔高度分别由mamb表示,2 个相邻输电杆塔的物距
17、由davd表示,相距由Ua、U b 表示,则相邻输电杆塔物距表达式如下:(1)(M+mb)fdb=mb相邻输电杆塔像距表达式如下:(M+m.)fUa=M(M+mb)fM令表示无人机与输电杆塔之间的安全距离,其计算式如下:dad,sin 0Vd?+di-2dadecos0式中,表示2 个相邻输电杆塔与无人机摄像机镜头中心的夹角。利用式(3)获取到无人机与输电杆塔之间安全距离,该距离即摄像机最佳拍摄距离。1.7输电线路缺陷识别方法地面站控制模块内的数据接收与存储模块接收到无人机拍摄的输电线路巡检影像后,利用卷积神经网络模型识别输电线路巡检影像内存在的输电线路缺陷,引人ELU非线性激活函数以提升输电
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