0 引言

    近年來(lái)，我國(guó)的全國(guó)互聯(lián)大電網(wǎng)逐步建成并完善，輸電線路總長(zhǎng)度和輸送容量逐年增長(zhǎng)。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(duì)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(duì)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(wú)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(cè)，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(wú)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(wú)人機(jī)的巡線路徑。

1 四旋翼無(wú)人機(jī)自主巡線方案設(shè)計(jì)

    自主巡線四旋翼無(wú)人機(jī)由機(jī)架、主控模塊、攝像頭、姿態(tài)檢測(cè)模塊、高度檢測(cè)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(cè)模塊的數(shù)據(jù)并進(jìn)行姿態(tài)數(shù)據(jù)融合，解算出無(wú)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(wú)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(wú)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(wú)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(wú)人機(jī)機(jī)架及動(dòng)力模塊、主控模塊、輸電線檢測(cè)模塊、無(wú)人機(jī)姿態(tài)及高度檢測(cè)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(wú)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(guò)改變4個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制無(wú)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(wú)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(wú)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(zhǎng)四旋翼無(wú)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(wú)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(duì)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(wú)人機(jī)根據(jù)控制算法處理結(jié)果來(lái)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(kù)，功能強(qiáng)大，與硬件兼容性好，可移植性強(qiáng)，便于無(wú)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(cè)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(guò)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(wú)人機(jī)姿態(tài)及高度檢測(cè)模塊

    四旋翼無(wú)人機(jī)的姿態(tài)檢測(cè)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(cè)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(wèn)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(cè)量精度控制在2°以內(nèi)，可以通過(guò)I²C引腳與系統(tǒng)連接。高度檢測(cè)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(wú)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(wú)線遙控模塊，在突發(fā)意外時(shí)可以通過(guò)手動(dòng)遙控解決。無(wú)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(wú)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(wú)人機(jī)巡線算法、無(wú)人機(jī)姿態(tài)檢測(cè)與控制算法。無(wú)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(wú)人機(jī)巡線算法

    四旋翼無(wú)人機(jī)自主巡線飛行過(guò)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(duì)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(méi)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?；谝陨显?，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(duì)圖像依次進(jìn)行二值化、中值濾波和輸電線提取，并通過(guò)單目視覺(jué)測(cè)距算法判斷無(wú)人機(jī)與輸電線的相對(duì)位置，最終實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)規(guī)劃無(wú)人機(jī)巡線路徑的功能。

    巡線過(guò)程涉及無(wú)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(wú)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(wú)人機(jī)直升到輸電線附近，而后四旋翼無(wú)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(lái)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(wú)法使用恒定閾值對(duì)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(duì)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(duì)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(wú)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(cè)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(duì)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(duì)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(lái)的實(shí)時(shí)攝像頭數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，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(duì)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(guò)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(wú)人機(jī)姿態(tài)檢測(cè)與控制算法設(shè)計(jì)

    四旋翼無(wú)人機(jī)的姿態(tài)檢測(cè)與控制直接關(guān)系到巡線過(guò)程的穩(wěn)定性和可靠性，通過(guò)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(cè)量值修正陀螺儀的積分誤差，充分利用陀螺儀在測(cè)量角位移時(shí)良好的高頻特性和加速度計(jì)在測(cè)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(wú)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(wú)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(guò)PID算法控制四旋翼無(wú)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(wú)人機(jī)自主巡線飛行。

    四旋翼無(wú)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(duì)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(cè)值來(lái)更新對(duì)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(cè)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(guò)程白噪聲，符合正態(tài)分布。

    觀測(cè)方程為：

式中，Z(k)為系統(tǒng)在k時(shí)刻下的觀測(cè)向量，H(k)為觀測(cè)矩陣，v(k)為觀測(cè)白噪聲，同樣也符合正態(tài)分布。

    四旋翼無(wú)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(cè)值，將加速度計(jì)和電子羅盤測(cè)得的姿態(tài)角作為系統(tǒng)測(cè)量值，套用卡爾曼濾波器的流程來(lái)確定更新后的角度確定姿態(tài)角。卡爾曼濾波算法的實(shí)際系統(tǒng)框圖如圖9所示。

4 結(jié)語(yǔ)

    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(wú)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(wú)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(wú)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(wú)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(wú)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(wú)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(wú)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(wú)人機(jī)在電力線路巡視中的應(yīng)用[J].中國(guó)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(shí)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）