架空线路巡检机器人飞艇控制系统及其控制方法

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架空线路巡检机器人飞艇控制系统及其控制方法\n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种专用于架空输电线路巡检的机器人飞艇控制系统及其控制方法。\n属于电力线路非接触式检测技术领域。\n背景技术\n[0002] 随着几年来我国经济和技术的飞速发展，对能源的需求越来越大，长距离、超高压、大容量输电线路大幅扩建。线路走廊需要穿越各种复杂的地理环境，如经过大面积达水库、湖泊和崇山峻岭等，这些都给电力线路的检测带来了很多困难。尤其是对于电力线路穿越原始森林边缘地区、高海拔、冰雪覆盖区以及沿线存在频繁多滑坡、泥石流等地质灾害，大部分地区山高坡陡，交通和通讯极不发达时，给电力线路的日常巡检带来了很多困难。另一方面，随着技术和经济的发展，社会对供电的质量、连续性和可靠性的要求越来越高，如何解决电力线路的日常检测成为困扰电力行业的一个重大难题。\n[0003] 传统的输电线路的巡检主要采用两种方法，即人工目测法和载人直升飞机航测法。我国电力线路的巡检工作主要由人工完成；国外使用直升机代替人工进行电力线路的日常巡检工作已经比较流行，国内也开始探索。人工目测法的巡检精度低，劳动强度大，且存在巡检盲区；载人直升飞机航测法则存在飞行安全隐患且巡线费用昂贵等问题。随着机器人技术的发展，巡线机器人可以克服上述缺陷，因此，巡线机器人已成为特种机器领域的一个研究热点。机器人自动巡检技术可以分为行走式巡检机器人(Mobile Robot for OverheadPowerline Inspection，简称MROPI)和电力线路巡检飞行机器人(Flying Robotfor overhead powerline inspection，简称FROPI)。\n[0004] MROPI能够带电工作，以一定的速度沿输电线爬行，并能跨越防震锤、耐张线夹、悬垂线夹、杆塔等障碍，利用携带的传感仪器对杆塔、导线及避雷线、绝缘子、线路金具、线路通道等实施接近检测。国外MROPI的研究始于20世纪80年代末，日本、美国、加拿大、泰国的一些研究机构先后开展了巡线机器人的研究。国内MROPI的研究始于20世纪90年代末，中国科学院、武汉大学等单位在该领域进行了研究。这类技术的主要缺陷是结构尺寸大、质量大，因而实用性差，并大多仍处在实验室研制阶段。其次，由于采用滚轮或机械臂等结构，机器人的移动速度受到限制，巡检效率不高。例如，《机器人技术与应用》杂志2006年03期中“500kv超高压输电线路巡检机器人现场带电巡检试验成功”一文中介绍了一种由中国科学院沈阳自动化研究设计的MROPI，其移动速度是仅为每分钟12-20米，即每小时巡检距离不超过1.2公里。另外，由于接触超高压设备，机器人登上或撤下输电线时的绝缘问题难以解决。\n[0005] 目前，国内外在FROPI领域的研究还较少，主要是针对以微型无人直升机为载体的研究。这些微型无人直升机安装CCD摄像机，利用GPS导航，可以沿着架空线低空飞行和超视距测控飞行；能够克服MROPI的缺陷，巡检速度高，且不受金具等障碍限制，也没有绝缘问题，同时巡检成本也较低。目前国内的华北电力大学就开展了FROPI的研究。中国专利CN1305194C，名称为“电力线路巡检机器人飞机及其控制系统”，公开了一种由华北电力大学设计的FROPI。该技术的飞机结构采用共轴双螺旋桨反向驱动结构，采用两个发动机分别驱动两个螺旋桨反向旋转，通过控制两个直流电机的转速比控制飞机机身的稳定；使用GPS系统与GIS系统确定飞机的飞行轨迹，使用基于32位ARM嵌入式系统进行飞行姿态调整，使用蓄电池为电机、检测传感器以及数据链路系统提供电源。该技术主要缺陷是目前的GPS/GIS系统定位精度难以确保精确有效地跟踪输电线路(主流的GPS接收器定位频率不大于5Hz，定位精度在5m至99m)，单纯依靠GPS导航可能出现飞行轨迹偏离输电线路径，从而出现巡检盲区；并且基于微型无人直升机的FROPI坠毁的风险较大，可能导致机身和记载设备严重损毁；同时无人直升机的续航能力不足也是制约该技术实际应用的重要问题。\n发明内容\n[0006] 本发明的目的是提出一种架空线路巡检机器人飞艇控制系统及其控制方法，以克服现有的行走式巡线机器人MROPI存在的行动慢、效率低、装卸绝缘难的缺陷，并解决基于无人直升机的飞行机器人FROPI存在的续航能力不足、GPS定位精度低、坠毁的风险较大等问题。\n[0007] 本发明的架空线巡检机器人飞艇控制系统及其控制方法，是以无人飞艇为飞行平台，基于红外视觉导航技术和GPS导航技术，以数字信号处理器DSP为核心硬件，能实现沿着架空电力线自主飞行和超视距人工遥控飞行的智能控制系统及其控制方法。\n[0008] 根据上述构思，本发明的架空线巡检机器人飞艇控制系统，包含艇载系统和地面系统两部分，艇载系统包括主控制器DSP、图像处理器DSP、红外CCD、倾角仪、加速度计、高度计、GSP定位模块、艇载无线通信模块、闪存、16位动态存储器、32位动态存储器、电机驱动电路、舵机控制器和无线摄像头；主控制器DSP通过外拓总线与闪存和16位动态存储器连接，图像处理器DSP通过外拓总线与32位动态存储器连接；图像处理器DSP的XINTF端口连接到主控制器DSP的XINTF端口；红外CCD输出的数字视频信号输出端连接到图像处理器DSP的HPI端口，倾角仪、加速度计和高度计分别与主控制器DSP的模/数转换接口相连，GSP定位模块和艇载无线通信模块分别与主控制器DSP的串口相连；驱动直流电机的电机驱动电路与主控制器DSP的PWM输出接口相连；驱动舵机的舵机驱动器的串口输入端与主控制器DSP的串口相连；地面系统包括地面PC、接口单片机、电平转换芯片MAX232、地面无线通信模块、手动遥控器、CCD接收终端和图像监视器；地面PC的RS232接口端与电平转换芯片MAX232的RS232接口端相连，电平转换芯片MAX232的TTL端连与单片机的一个串口相连，接口单片机的另一个串口与地面无线通信模块连接，接口单片机的模数转换接口与手动遥控器的控制信号输出端连接，接口单片机的I/O引脚与手动遥控器的手动模式开关的输出信号端连接；CCD接收终端的AV信号输出端与图像监视器的AV信号输入端相连；\n艇载系统和地面系统通过艇载无线通信模块与地面无线通信模块实现通信联系；无线摄像头向地面的CCD接收终端发送视频信号，并显示在图像监视器上。\n[0009] 上述的主控制器DSP可以是TMS320F2812型16位浮点DSP数字信号处理器，用于控制和管理各种外部设备；图像处理器DSP可以是TMS320C6711B型32位浮点型DSP，用于红外CCD的图像识别。\n[0010] 上述的高度计可以是HP03型气压传感器；加速度计为具有3路模拟信号输出的MMA7260加速度传感芯片；倾角仪可以采用双轴SA100T信号倾角传感仪；GSP定位模块可以是台湾Goeget公司的ST-93型GPS模块；红外CCD可以是浙江大立公司制造的D780C型红外热像机芯组件。\n[0011] 上述的电机驱动电路采用机器人梦工厂公司生产的DF-MDV1.3型号直流电机驱动模块，该模块由一片L289型双路H桥直流电机驱动芯片、电源芯片以及功率开关电路组成。\n[0012] 上述的舵机控制器为Lynxmotion公司的SSC32V2型32路舵机控制器模块。\n[0013] 上述的艇载无线通信模块与地面无线通信模块均为BENQ公司制造的M22型号GPRS通信模块，采用GPRS公网方式通信；艇载无线通信模块与地面无线通信模块之间搭建了上行和下行两条数据链路，实现了艇载系统和地面系统之间的通信。\n[0014] 上述的接口单片机可以是ATMEL公司制造的Mega16型单片机，其电源由5V稳压芯片LM7805提供；手动遥控器是一个Futaba72M 4EX型号四通道比例控制遥控器，其输出信号是4路0V～5V的模拟信号，对应于舵机0度～180度的转角或电机的转速；手动遥控器还具有一个手动模式开关，其输出为0V或5V电位，对应于人工遥控模式开启和关闭。\n[0015] 架空线巡检机器人飞艇控制系统的控制方法，其控制步骤如下：\n[0016] 1)利用倾角仪、加速度计、高度计和GSP定位模块读取飞艇的姿态角、加速度、飞行高度和位置坐标参数送至主控制器DSP，通过对加速度积分运算获取速度，进行尺度变换、积分运算和低通滤波的数据处理并存储于闪存；\n[0017] 2)将存储在闪存的飞行轨迹、飞行姿态和电池电量参数通过艇载无线通信模块发送到地面无线通信模块，并存储在地面PC；将无线摄像头拍摄的图像通过无线视频信号传输至地面的CCD接收终端，并显示在图像监视器上；\n[0018] 3)图像处理器DSP采用基于边缘检测、Hough变换和特征筛选方法的图像处理综合算法，对红外CCD采集的图像进行分析处理，获取输电线所在直线段的坐标方程，并计算该直线段与参考直线的最短距离和夹角，获取机器人飞艇的偏航距离和偏航角；\n[0019] 4)根据GPS定位模块获取的偏航距离和步骤3)中获取的图像信息，在GPS导航模式、红外视觉导航模式和人工遥控模式中进行三选一的切换：如果手动遥控器的手动模式开关为开启，则启用人工遥控模式；在人工遥控模式开关关闭的前提下，若步骤3)中返回的直线条数不为零且由GPS定位模块获取的偏航距离在预设范围内时，则启用红外视觉导航模式；若步骤3)中返回的直线条数为零或由GPS定位模块获取的偏航距离在预设范围外时，则启用GPS导航模式；其中，在GPS导航模式下，进入步骤5)；在红外视觉导航模式下，进入步骤6)；在人工遥控模式下，进入步骤7)；\n[0020] 5)从闪存中读取被检测输电线的分布位置信息和预设飞行路径的坐标信息；将步骤1)中获取的位置坐标、速度和飞行高度与预设的飞行路径进行比较，计算出偏差量，利用主控制器DSP向电机驱动电路和舵机驱动器发送控制信号，对方向舵偏角、推进器转速和升降舵偏角进行控制，实现偏航控制、速度控制和高度控制，使机器人飞艇沿着预设的飞行路径飞行；\n[0021] 6)根据步骤3)中获取的偏航距离和偏航角以及从步骤1)中读取的飞行高度和速度，利用主控制器DSP向电机驱动电路和舵机驱动器发送控制信号，对方向舵偏角、推进器转速和升降舵偏角进行控制，实现飞艇的航向控制、高度控制和速度控制，使机器人飞艇沿着架空线上方飞行；\n[0022] 7)地面人员通过手动控制器输入飞艇的航向控制信号、高度控制信号和速度控制信号，并通过地面无线通信模块将这些信号发送至艇载无线通信模块，经主控制器DSP传送至电机驱动电路和舵机驱动器，对方向舵偏角、推进器转速和升降舵偏角进行控制。\n[0023] 上述步骤3)中所说的图像处理器DSP基于边缘检测、Hough变换和特征筛选方法的图像处理综合算法，对红外CCD采集的图像进行分析处理，其步骤如下：a)图像处理器DSP读入单帧图像并存储图像的高度、宽度参数；b)处理边缘算子，采用Canny边缘算子提取对比度高的区域，作为物体边缘；c)对物体边缘进行Hough变换，排除干扰图形，选出超过指定长度的线段；d)删去与主线段交叉的线段；e)通过Hough变换的距离算法，将物体边缘处理产生的两条线段并为一条直线段，得到输电线所在直线的坐标方程。\n[0024] 本发明与现有技术相比，具有以下优点：\n[0025] a.由于机器人飞艇具有自主飞行控制系统，可以实现无人飞行，能够低空沿架空线飞行，即便发生了飞行意外也不会造成人员的伤亡，有效的解决了载人直升机飞行事故中可能造成的人员损失。\n[0026] b.由于飞艇自身具有悬浮特性，不易出现急速坠落的情况，只要气囊不出现破损，即便坠落也不会造成飞艇和艇载设备的严重损毁，因此具有较低的坠毁风险。\n[0027] c.由于飞艇悬浮依靠空气浮力，不需要额外能量，推进器只有需要提供克服空气阻力的能量，因此具有更强的续航能力；一般地，在使用同类推进器的前提下，飞艇比同载荷的无人直升机续航能力强30％以上。\n[0028] d.由于引入了红外视觉控制技术，本发明较之单纯使用GPS导航具有更高的输电线路跟踪精度，能够确保红外CCD捕捉到架空电线图像，减少巡检死区。\n[0029] 因而，本发明提供了一种巡检效率高、续航能力强、安全性高、自动化程度高的架空线自动巡检技术。\n附图说明\n[0030] 图1是架空线巡检机器人飞艇控制系统示意图。\n[0031] 图2是红外视觉导航模式下架空线路巡检的Simulink二维仿真效果图。\n具体实施方式\n[0032] 以下结合附图进一步说明本发明。\n[0033] 参见图1，本发明的架空线巡检机器人飞艇控制系统，包含艇载系统1和地面系统\n2两部分，艇载系统1包括主控制器DSP3、图像处理器DSP4、红外CCD5、倾角仪6、加速度计\n7、高度计8、GSP定位模块9、艇载无线通信模块10、闪存11、16位动态存储器12、32位动态存储器13、电机驱动电路14、舵机控制器15和无线摄像头21；主控制器DSP 3通过外拓总线与闪存11和16位动态存储器12连接，图像处理器DSP 4通过外拓总线与32位动态存储器13连接；图像处理器DSP 4的XINTF端口连接到主控制器DSP 3的XINTF端口；红外CCD 5输出的数字视频信号输出端连接到图像处理器DSP 4的HPI端口，倾角仪6、加速度计7和高度计8分别与主控制器DSP 3的模/数转换接口相连，GSP定位模块9和艇载无线通信模块10分别与主控制器DSP 3的串口相连；驱动直流电机的电机驱动电路14与主控制器DSP 3的PWM输出接口相连；驱动舵机的舵机驱动器15的串口输入端与主控制器DSP \n3的串口相连；地面系统2包括地面PC 16、接口单片机17、电平转换芯片MAX232 18、地面无线通信模块19、手动遥控器20、CCD接收终端22和图像监视器23；地面PC 16的RS232转口与电平转换芯片MAX232 18的RS232接口端相连，电平转换芯片MAX232 18的TTL端连与单片机17的一个串口相连，接口单片机17的另一个串口与地面无线通信模块19连接，接口单片机17的模数转换接口与手动遥控器20的控制信号输出端连接，接口单片机17的I/O引脚与手动遥控器20的手动模式开关的输出信号端连接；CCD接收终端22的AV信号输出端与图像监视器23的AV信号输入端相连；艇载系统1和地面系统2通过艇载无线通信模块10与地面无线通信模块19实现通信联系；无线摄像头21向地面的CCD接收终端22发送视频信号，并显示在图像监视器23上。\n[0034] 艇载系统1中各个元件的型号、厂商和供电电压参见表1。\n[0035] 表1\n[0036] \n 编号 硬件名称 生产厂家 型号 电源电压\n 3 主控制器DSP 德州仪器 TMS320F2812 3.3V\n 4 图像处理器DSP 德州仪器 TMS320C6711B 3.3V\n 5 红外CCD 浙江大立 D780C 12V\n 6 倾角仪 VTI公司 SA100T 5V\n 7 加速度计 MMA7260 MMA7260 3.3V\n 8 高度计 深圳华普 HP03 5V\n 9 GSP定位模块 Goeget ST93 5V\n 10 艇载无线通信模块 BENQ M22 5V\n 11 闪存 Spansion S29PL256N 3.3V\n 12 16位动态存储器 德州仪器 BQ4015LY 3.3V\n 13 32位动态存储器 德州仪器 BQ2204A 3.3V\n 14 电机驱动电路 机器人梦工厂 DF-MD V1.3 12V\n 15 舵机控制器 Lynxmotion SSC32 V2 5V\n 21 无线摄像头 Hobby Wireless T1024 12V\n[0037] 上述的高度计、加速度计、倾角仪、艇载无线通信模块、GSP定位模块、主控制器DSP、图像处理器DSP、闪存、16位动态存储器、32位动态存储器可以印刷在一张主电路板上；电机驱动电路、舵机控制器、红外CCD单独制版并通过电线连接到主电路板；艇载系统采用12V锂电池供电，采用12V/5V/3.3V混合供电系统，12V电源直接取自锂电池，5V电源由LM7605型稳压芯片提供，主要提供各种外设芯片供电，3.3V电压源由TPS7333型低压差线性稳压器提供。\n[0038] 地面系统2的接口单片机17是ATMEL公司制造的Mega16型单片机，其电源由5V稳压芯片LM7805提供；手动遥控器20是一个Futaba72M 4EX型号四通道比例控制遥控器，其输出信号是4路0V～5V的电位信号，对应于舵机0度～180度的转角或电机的转速；手动遥控器20还具有一个手动模式开关，其输出为5V或0V电位，对应于自动飞行模式和人工遥控模式。\n[0039] 架空线巡检机器人飞艇控制系统的控制方法，其控制步骤如下：\n[0040] 1)利用倾角仪6、加速度计7、高度计8和GSP定位模块9读取飞艇的姿态角、加速度、飞行高度和位置坐标参数送至主控制器DSP3，通过对加速度积分运算获取速度，进行尺度变换、积分运算和低通滤波的数据处理并存储于闪存11；\n[0041] 2)将存储在闪存11的飞行轨迹、飞行姿态和电池电量参数通过艇载无线通信模块10发送到地面无线通信模块19，并存储在地面PC16；将无线摄像头21拍摄的图像通过无线视频信号传输至地面的CCD接收终端22，并显示在图像监视器23上；\n[0042] 3)图像处理器DSP 4采用基于边缘检测、Hough变换和特征筛选方法的图像处理综合算法，对红外CCD 5采集的图像进行分析处理，步骤如下：a)图像处理器DSP 4读入单帧图像并存储图像的高度、宽度参数；b)处理边缘算子，采用Canny边缘算子提取对比度高的区域，作为物体边缘；c)对物体边缘进行Hough变换，排除干扰图形，选出超过指定长度的线段；d)删去与主线段交叉的线段；e)通过Hough变换的距离算法，将物体边缘处理产生的两条线段并为一条直线段，得到输电线所在直线的坐标方程。最后计算该直线段与参考直线的最短距离和夹角，获取机器人飞艇的偏航距离和偏航角；\n[0043] 4)根据GPS定位模块9获取的偏航距离和步骤3)中获取的图像信息，在GPS导航模式、红外视觉导航模式和人工遥控模式中进行三选一的切换：如果手动遥控器20的手动模式开关为开启，则启用人工遥控模式；在人工遥控模式开关关闭的前提下，若步骤3)中返回的直线条数不为零且由GPS定位模块9获取的偏航距离在预设范围内时，则启用红外视觉导航模式；若步骤3)中返回的直线条数为零或由GPS定位模块9获取的偏航距离在预设范围外时，则启用GPS导航模式；其中，在GPS导航模式下，进入步骤5)；在红外视觉导航模式下，进入步骤6)；在人工遥控模式下，进入步骤7)；\n[0044] 5)从闪存11中读取被检测输电线的分布位置信息和预设飞行路径的坐标信息；\n将步骤1)中获取的位置坐标、速度和飞行高度与预设的飞行路径进行比较，计算出偏差量，利用主控制器DSP 3向电机驱动电路14和舵机驱动器15发送控制信号，对方向舵偏角、推进器转速和升降舵偏角进行控制，实现偏航控制、速度控制和高度控制，使机器人飞艇沿着预设的飞行路径飞行；\n[0045] 6)根据步骤3)中获取的偏航距离和偏航角以及从步骤1)中读取的飞行高度和速度，利用主控制器DSP 3向电机驱动电路14和舵机驱动器15发送控制信号，对方向舵偏角、推进器转速和升降舵偏角进行控制，实现飞艇的航向控制、高度控制和速度控制，使机器人飞艇沿着架空线上方飞行；\n[0046] 7)地面人员通过手动控制器20输入飞艇的航向控制信号、高度控制信号和速度控制信号，并通过地面无线通信模块19将这些信号发送至艇载无线通信模块10，经主控制器DSP 3传送至电机驱动电路14和舵机驱动器15，对方向舵偏角、推进器转速和升降舵偏角进行控制。\n[0047] 图2给出了在Simulink仿真平台下，在红外视觉导航模式下进行二维飞行巡检的仿真效果图。在具体实施对高压架空电力线路进行检测时，先开启人工遥控模式，由地面人员遥控机器人飞艇起飞，并到达架空线斜上方10米到20米的位置后，关闭人工遥控模式，进入红外视觉导航模式，机器人飞艇开始沿电力线飞行，同时向地面传送红外图像、飞行参数、视频图像等信息，用于电力线故障诊断和飞行监控。由图2可见，飞艇能够沿着带巡检的架空线飞行。