基于多旋翼無人機(jī)的復(fù)合絕緣子檢測(cè)平臺(tái)研究

王身麗，黃力，候金華，張學(xué)鋒，劉曉華，胡川，陳典麗，覃喬

摘 要：傳統(tǒng)的復(fù)合絕緣子憎水性檢測(cè)采用人工帶電作業(yè)方式，不僅耗時(shí)費(fèi)力，而且存在一定的安全隱患，為此文章設(shè)計(jì)了一種基于多旋翼無人機(jī)的憎水性檢測(cè)平臺(tái)。它以多旋翼無人機(jī)為搭載平臺(tái)，集高壓霧化自動(dòng)噴水和實(shí)時(shí)視頻傳輸于一體的搭載裝置，利用無人機(jī)搭載的微型數(shù)碼運(yùn)動(dòng)攝像機(jī)和圖像傳輸設(shè)備對(duì)復(fù)合絕緣子進(jìn)行拍攝和實(shí)時(shí)傳送，通過研發(fā)的憎水性能自動(dòng)判定軟件對(duì)拍攝圖片進(jìn)行處理，提高了檢測(cè)的效率和準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)了復(fù)合絕緣子憎水性等級(jí)的智能判斷。

關(guān)鍵詞：多旋翼無人機(jī)；復(fù)合絕緣子；憎水性

中圖分類號(hào)：TM216 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）06-0010-03

Abstract： The traditional composite insulator hydrophobicity detection adopts artificial live operation， which not only takes time and effort， but also has certain safety hidden trouble. Therefore， a hydrophobicity detection platform based on multi-rotor UAV is designed in this paper. It takes the multi-rotor UAV as the carrying platform， and integrates the high-pressure atomization automatic water spray and the real-time video transmission in one carrying device. The composite insulator is photographed and transmitted in real time using the micro digital motion camera and image transmission equipment of UAV， and the pictures are processed by the hydrophobicity automatic determination software developed by the research and development. The efficiency and accuracy of the detection are improved， and the intelligent judgment of the hydrophobicity grade of composite insulator is realized.

Keywords： multi-rotor UAV； composite insulator； hydrophobicity

1 概述

隨著近些年國內(nèi)外無人機(jī)產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，以無人機(jī)作為搭載平臺(tái)搭載各式各樣的任務(wù)設(shè)備越來越普及。其中，無人機(jī)應(yīng)用在超高壓輸電線路工程上，作為憎水性試驗(yàn)裝置的搭載平臺(tái)，用來進(jìn)行絕緣子憎水性試驗(yàn)，成為熱點(diǎn)研究問題。使用無人機(jī)搭載絕緣子憎水性檢測(cè)噴水裝置不僅可以在線路帶電情況下進(jìn)行試驗(yàn)，更可以取代人工爬塔作業(yè)，這種方法較傳統(tǒng)方法更為安全、優(yōu)質(zhì)、高效[1]。

2016年8月南方電網(wǎng)超高壓輸電公司廣州局進(jìn)行過憎水性檢測(cè)方法的研究，其采用的噴射機(jī)構(gòu)簡單，方向固定，且圖像處理軟件仍有提升空間。因此，本文擬以多旋翼無人機(jī)為搭載平臺(tái)，研制集高壓霧化自動(dòng)噴水和實(shí)時(shí)視頻傳輸于一體的搭載裝置，應(yīng)用大數(shù)據(jù)分析和圖像識(shí)別技術(shù)，研發(fā)復(fù)合絕緣子憎水性自動(dòng)判定軟件，實(shí)現(xiàn)了復(fù)合絕緣子憎水性等級(jí)的智能判斷。

2 檢測(cè)平臺(tái)的總體設(shè)計(jì)

利用多旋翼無人機(jī)的復(fù)合絕緣子檢測(cè)平臺(tái)是以無人機(jī)作為裝置載體，通過可控制霧化噴射水霧方向的模塊，再由高清相機(jī)獲取在復(fù)合絕緣子表面水珠/水跡形態(tài)的一個(gè)裝置。

整個(gè)設(shè)計(jì)過程可以分解為以下幾個(gè)主要部分：整體裝置與載體之間的連接方式的設(shè)計(jì)；可控制方向的噴射系統(tǒng)設(shè)計(jì)；高清相機(jī)的選型和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

如圖1所示，多旋翼無人機(jī)檢測(cè)絕緣子裝置包括多旋翼無人機(jī)、絕緣子檢測(cè)裝置和升降結(jié)構(gòu)。絕緣子檢測(cè)裝置包括探測(cè)上極和探測(cè)下極，分別連接電壓傳感器，通過A/D轉(zhuǎn)化單元將信號(hào)輸入DSP處理單元進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，DSP處理單元輸入端與多旋翼無人機(jī)的飛行控制系統(tǒng)機(jī)載控制計(jì)算機(jī)連接。多旋翼無人機(jī)包括飛行控制系統(tǒng)機(jī)載控制計(jì)算機(jī)，與其相連的有衛(wèi)星定位模塊、數(shù)字羅盤、三軸陀螺儀、三軸加速度計(jì)、舵機(jī)控制器、氣壓高度計(jì)、轉(zhuǎn)速測(cè)量傳感器、PCM遙控接收機(jī)、無線通信單元；其中，衛(wèi)星定位模塊、數(shù)字羅盤、三軸陀螺儀、三軸加速度計(jì)、氣壓高度計(jì)、轉(zhuǎn)速測(cè)量傳感器、PCM遙控接收機(jī)均將所采集的數(shù)據(jù)輸入飛行控制系統(tǒng)機(jī)載控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析，飛行控制系統(tǒng)機(jī)載控制計(jì)算機(jī)將無人機(jī)衛(wèi)星定位模塊和無人機(jī)氣壓高度計(jì)采集到的多旋翼無人機(jī)在檢測(cè)時(shí)的GPS值和高度值與所檢測(cè)到的DSP處理單元輸入的電勢(shì)差值相匹配后，通過機(jī)載無線通信單元將數(shù)據(jù)傳輸給地面站無線通信單元，地面站信息處理裝置可以將檢測(cè)電勢(shì)差數(shù)據(jù)分析處理，并結(jié)合GPS值和高度值，可以判斷非正常工作的絕緣子片位置。

多旋翼無人機(jī)搭載高清攝像頭，與飛行控制系統(tǒng)機(jī)載控制計(jì)算機(jī)相連，不但能將所采集視頻通過機(jī)載無線通信單元傳送給地面站無線通信單元，由地面站人員實(shí)時(shí)監(jiān)控多旋翼無人機(jī)的飛行狀態(tài)；同時(shí)，可在多旋翼無人機(jī)靠近絕緣子的過程中依靠高清攝像頭實(shí)時(shí)傳回的圖像，操控飛行控制系統(tǒng)機(jī)載控制計(jì)算機(jī)調(diào)節(jié)飛行高度以及探測(cè)上、下極之間的距離，使探測(cè)上極與探測(cè)下極能夠分別接觸絕緣子兩端，分別測(cè)得電勢(shì)值。飛行控制系統(tǒng)機(jī)載控制計(jì)算機(jī)通過機(jī)載無線通信單元接收到地面站信息處理系統(tǒng)調(diào)節(jié)探測(cè)上極與探測(cè)下極之間的距離的信號(hào)后，發(fā)出指令給升降單元，由升降單元調(diào)節(jié)升降結(jié)構(gòu)從而改變探測(cè)上極與探測(cè)下極之間的距離。其中，升降單元為可編程單片機(jī)與升降結(jié)構(gòu)中的電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元連接，主要將飛行控制系統(tǒng)機(jī)載控制計(jì)算機(jī)發(fā)出的距離信號(hào)轉(zhuǎn)化為電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，以調(diào)節(jié)升降結(jié)構(gòu)。

還有其他一些系統(tǒng)整體性的設(shè)計(jì)也是要在主要部分設(shè)計(jì)過程中要考慮的問題，尤其是環(huán)境適應(yīng)性的設(shè)計(jì)，包括電磁環(huán)境抗干擾能力，重要部分的防水霧設(shè)計(jì)等。

3 硬件概述

本產(chǎn)品以多旋翼無人機(jī)為搭載平臺(tái)，集高壓霧化自動(dòng)噴水和實(shí)時(shí)視頻傳輸于一體的搭載裝置，應(yīng)用大數(shù)據(jù)分析和圖像識(shí)別技術(shù)，研發(fā)復(fù)合絕緣子憎水性能自動(dòng)判定軟件，實(shí)現(xiàn)復(fù)合絕緣子憎水性能的智能檢測(cè)。

3.1 硬件模型

圖中，1是裝置固定爪鉤*4，2是900ml水箱，3是系統(tǒng)控制盒，4是電池倉，5是高清圖傳系統(tǒng)，6是高壓水泵，7是霧化噴頭&可轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，8是運(yùn)動(dòng)相機(jī)，9是相機(jī)控制模塊，10是高清攝像頭。

3.2 硬件性能參數(shù)

復(fù)合絕緣子憎水性智能檢測(cè)裝置平臺(tái)的工作電壓為3S（11.1V～12.6V），工作電流為0.4A～2.5A，續(xù)航時(shí)間考慮工作的實(shí)際情況，大約在1h左右。給水箱注水方式采用灌注加裝，水箱容量共900ml，當(dāng)無人機(jī)飛行到指定的位置時(shí)，在距離無人機(jī)不大于1.5km的區(qū)域內(nèi)，可通過遠(yuǎn)程遙控控制噴水，噴水時(shí)旋轉(zhuǎn)噴頭，調(diào)節(jié)水霧形狀，噴射距離隨之變化，一般為1m～6m遠(yuǎn)，噴射角度采用安裝球接霧化噴頭，可輔助調(diào)整角度，一般范圍是水平：60°～+60°，垂直：-45°～+10°，霧化出水量大約0.8L/min。拍攝裝置中相機(jī)內(nèi)存為最高支持64GB，且為MicroSD、MicroSDHC、MicroSDXC卡，必須使用Class 10速率的內(nèi)存卡，運(yùn)動(dòng)相機(jī)圖像質(zhì)量最高可達(dá)1200萬像素，視頻質(zhì)量可達(dá)4K@15fps，圖像傳輸清晰度為480P，圖像傳輸距離在1km內(nèi)。

4 憎水性分析軟件系統(tǒng)

為了達(dá)到對(duì)相應(yīng)復(fù)合絕緣子的憎水性進(jìn)行檢測(cè)和等級(jí)判斷的目的，需要通過數(shù)字圖像處理技術(shù)對(duì)獲取到的復(fù)合絕緣子憎水性圖像進(jìn)行計(jì)算，其具體流程如圖3所示。

獲得一張清晰的圖片對(duì)于分析復(fù)合絕緣子憎水性的后續(xù)工作而言至關(guān)重要。復(fù)合絕緣子圖像在線采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)總體框圖如圖4所示，系統(tǒng)分為塔上裝置和塔下裝置，塔下主要有無線收發(fā)器、電腦和路由器，塔下裝置主要有噴水裝置和圖像采集裝置，塔上裝置和塔下裝置之間通過無線通信，充分保障了工作人員的人身安全[2-3]。

無線收發(fā)器插在電腦上，與電腦通過USB通信，而無線收發(fā)器與噴水裝置通過nRF24L01無線模塊通信，這樣電腦控制噴水裝置的指令就通過無線收發(fā)器轉(zhuǎn)發(fā)給噴水裝置，從而可控制噴水裝置的噴水方向和噴水強(qiáng)度；電腦和攝像頭都連接到路由器創(chuàng)建的WIFI上，這樣它們就在一個(gè)局域網(wǎng)內(nèi)，在電腦上安裝一個(gè)上位機(jī)即可獲得攝像頭拍攝的圖像，并控制攝像頭上下左右轉(zhuǎn)動(dòng)以及變焦拍照，圖片也能自動(dòng)保存在電腦中。

5 結(jié)束語

本文以多旋翼無人機(jī)為搭載平臺(tái)，研制集高壓霧化自動(dòng)噴水和實(shí)時(shí)視頻傳輸于一體的搭載裝置，應(yīng)用大數(shù)據(jù)分析和圖像識(shí)別技術(shù)，研發(fā)復(fù)合絕緣子憎水性能自動(dòng)判定軟件，實(shí)現(xiàn)復(fù)合絕緣子憎水性能的智能檢測(cè)。首先介紹了整套搭載裝置硬件系統(tǒng)，包括圖像實(shí)時(shí)傳輸系統(tǒng)的硬件選擇，霧化噴水裝置的實(shí)現(xiàn)，噴水加壓裝置的型號(hào)選擇，機(jī)械連接方式的方案探討，以及實(shí)時(shí)控制平臺(tái)的軟硬件結(jié)構(gòu)體系的細(xì)化等。噴水加壓裝置大致包括圖像實(shí)時(shí)傳輸系統(tǒng)，霧化噴水裝置系統(tǒng)，機(jī)械連接和實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)。然后對(duì)實(shí)時(shí)憎水性軟件分析系統(tǒng)進(jìn)行程序的編寫。接下來的研究中，會(huì)將本文與現(xiàn)有的檢測(cè)方法進(jìn)行比對(duì)參考，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試該裝置檢測(cè)方法的有效性和優(yōu)勢(shì)，并改進(jìn)性能。

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