基于無人機巡圖像技術(shù)的電力設(shè)備缺陷智能識別系統(tǒng)

毛先胤，馬曉紅，豐俊寬

(1.貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司 電力科學(xué)研究院，貴州 貴陽 550002； 2.蘇州安軟信息科技有限公司，江蘇 太倉 215400)

隨著我國社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，電力設(shè)備的復(fù)雜程度和使用量不斷提升，如何對電力設(shè)備進行快速、準(zhǔn)確的巡視與檢測已經(jīng)成為電力企業(yè)十分重要的研究課題之一[1]。利用無人機與圖像識別技術(shù)對電力設(shè)備進行檢測是未來一段時間內(nèi)必然的發(fā)展趨勢，該檢測方法具有準(zhǔn)確性高、危險性低等方面的特征，結(jié)合相應(yīng)的算法應(yīng)用和系統(tǒng)設(shè)計，能夠大幅提升電力設(shè)備缺陷檢測的效率[2]。

1 整體功能設(shè)計

此次研究將圖像缺陷識別算法和無人機技術(shù)應(yīng)用到輸電線路巡檢系統(tǒng)的建設(shè)中，并在部分情況下將人工巡檢與智能巡檢結(jié)合起來，在工作人員手動操控?zé)o人機的情況下，結(jié)合智能避障技術(shù)來維持無人機的航行安全，通過無人機的懸停功能來拍攝電力設(shè)備圖像，并將圖像發(fā)送到地面站，通過圖像缺陷識別算法來自動處理并檢測所接收到的圖像，進而輸出統(tǒng)計與告警信息，最終完成巡視工作[3]。因此，此次研究所設(shè)計的電力設(shè)備缺陷智能識別系統(tǒng)由地面控制子系統(tǒng)和無人機巡視子系統(tǒng)2部分構(gòu)成，整體框架如圖1所示。無人機巡檢子系統(tǒng)由無人機的各個硬件、避障管理功能模塊以及無線通信子模塊組成。無人機硬件主要由陀螺儀、姿態(tài)控制器、GPS、IOSD、電池、圖傳設(shè)備、機臂、電機組成[4]；臂障管理功能主要通過操作者手動調(diào)整無人機飛行姿態(tài)和標(biāo)志物圖像測距算法實現(xiàn)；無線通信模塊則用于無人機和地面站之間的數(shù)據(jù)傳輸、存儲及處理。地面站控制子系統(tǒng)主要由系統(tǒng)管理模塊、任務(wù)管理模塊、無人機飛行管理模塊組成。其中系統(tǒng)管理模塊主要負(fù)責(zé)對系統(tǒng)權(quán)限進行設(shè)置[5]；任務(wù)管理模塊主要負(fù)責(zé)下達(dá)飛行巡檢任務(wù)；缺陷識別模塊負(fù)責(zé)對電力設(shè)備缺陷進行識別；飛行管理模塊負(fù)責(zé)對無人機各個組件的運行情況以及飛行數(shù)據(jù)進行管理。

圖1 電力設(shè)備缺陷智能識別系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

2 無人機智能巡檢的操作方案設(shè)計

此次研究所設(shè)計的無人機智能巡檢操作方案由4個部分所組成，分別是無人機組裝、地面站組裝、設(shè)備調(diào)試、智能巡視[6]。①無人機組裝的主要工作具體包括電池安裝、機臂組裝和相機安裝，工作人員只需要根據(jù)無人機廠家所提供的安裝說明即可完成操作；②地面站組裝主要分為圖傳組裝和支架組裝2個部分，其中，支架組裝相對簡單，圖傳組裝則需要通過萬向節(jié)怪手將發(fā)射器固定在攝影機上，使用燈腿將接收端盡量架高，并且在發(fā)射器與接收器之間最好沒有阻擋物體[7]；③在進行無人機巡視之前，首先要對無人機設(shè)備進行調(diào)試，調(diào)試任務(wù)具體包括檢查各個連接線是否正確、檢查機體結(jié)構(gòu)是否牢固、檢查圖傳是否正常、檢查電池電壓是否充足、檢查云臺是否穩(wěn)定、檢查無人機體是否穩(wěn)定、檢查相機是否清晰、檢查相機是否平衡[8]。④在無人機巡視過程中，需要工作人員手動操作無人機。

3 無人機的無線通信方案設(shè)計

應(yīng)用于電力設(shè)備缺陷識別的無人機通常為微型旋翼無人機，該類型無人機上所搭載的通信系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)為無人機的飛行姿態(tài)提供命令響應(yīng)和數(shù)據(jù)支持，同時實現(xiàn)地面站與無人機之間的通信，并為無人機的自主避障提供輔助[9]。無人機通信模塊的具體功能：①采集無人機在飛行狀態(tài)下的高度、與目標(biāo)物之間的距離、磁能量、角速度、加速度等數(shù)據(jù)；②通過無線傳輸模塊將無人機所采集到的圖像數(shù)據(jù)傳輸給地面站；③對地面站所發(fā)出的控制指令給予響應(yīng)，進而對無人機的起降、懸停、轉(zhuǎn)向、速度進行調(diào)節(jié)[10]。

無人機無線通信模塊的總體設(shè)計方案如圖2所示。

圖2 無人機的無線通信方案總體設(shè)計

無人機無線通信模塊的運行流程：①通過電源板將PWM信號電壓調(diào)整為3.3 V，再由電源模塊將將3.3 V的PWM信號電壓調(diào)整為可供電子調(diào)速器和舵機直接使用的5 V電壓[11]；②電源板模塊通過McBSP模塊對慣性傳感單元的磁通計、陀螺儀、加速計等數(shù)據(jù)進行采集，所采集到的數(shù)據(jù)能夠用于對無人機的飛行狀態(tài)進行解算；③電源板模塊通過串口UART模塊對測距儀數(shù)據(jù)進行采集，所采集到的數(shù)據(jù)為無人機在x、y、z三個方向的高度和距離[12]；④電源板模塊和控制板模塊之間的通信需要通過eCAN模塊實現(xiàn)，并由電源板向控制板傳輸控制數(shù)據(jù)；⑤控制板模塊通過WiFi模塊將相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送至控制系統(tǒng)；⑥控制系統(tǒng)通過WiFi模塊將控制指令發(fā)送至控制模塊；⑦接收到指令的控制面板需要對指令進行解析，再通過eCAN模塊將經(jīng)過解析的數(shù)據(jù)發(fā)送給電源板；⑧接收到控制指令的電源板會對PWM的占空比進行調(diào)節(jié)，進而實現(xiàn)針對舵機的偏轉(zhuǎn)角度和電機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。

4 無人機設(shè)備拓?fù)涔芾砹鞒?/h2>

4.1 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備拓?fù)涞淖詣影l(fā)現(xiàn)

此次研究考慮到無人機設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)安全方面的要求，系統(tǒng)每隔5 s對無人機進行自動搜索，以確保無人與地面之間維持?jǐn)?shù)據(jù)交互。該功能的實現(xiàn)流程如圖3所示。

圖3 拓?fù)渥詣影l(fā)現(xiàn)流程

4.2 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備拓?fù)涞氖謩庸芾?/h3>

在無人機工作現(xiàn)場地形環(huán)境較為復(fù)雜的情況下，由于缺乏相關(guān)的調(diào)試設(shè)備，針對無人機的網(wǎng)絡(luò)調(diào)整需要使用平板式計算機與無人機設(shè)備相連接進而完成網(wǎng)絡(luò)設(shè)置。手動實施網(wǎng)絡(luò)設(shè)備拓?fù)涔芾淼木唧w流程如圖4所示。

圖4 拓?fù)涫謩庸芾砹鞒?/p>

5 無人機的運行狀態(tài)信息采集

無人機在投入使用之前，操作者首先要利用地面站完成登錄驗證，內(nèi)置在無人機PLC中的數(shù)據(jù)分析模塊會向受控站發(fā)送無人機的運行狀態(tài)信息，同時根據(jù)無人站服務(wù)器內(nèi)預(yù)先設(shè)計好的故障處理程序來處理無人機可能出現(xiàn)的程序異常問題，維持無人機的飛航安全。具體的信息采集流程如圖5所示。

圖5 無人機運行狀態(tài)信息采集流程

6 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

此次研究所設(shè)計的電力設(shè)備缺陷智能識別系統(tǒng)采用SQL輕型數(shù)據(jù)庫對系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行存儲與調(diào)用。由于電力設(shè)備缺陷智能識別系統(tǒng)要考慮移動平臺的數(shù)據(jù)處理能力。因此，此次研究在對數(shù)據(jù)庫表進行設(shè)計時只設(shè)計每次執(zhí)行任務(wù)時需要查詢和存儲的信息，不需要覆蓋巡檢系統(tǒng)的所有數(shù)據(jù)信息，相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫設(shè)計方案見表1、表2、表3。

表1 人員信息

表2 任務(wù)

表3 缺陷記錄

7 避障方案設(shè)計

為了輔助工作人員手動操作無人機，并為無人機提供更加充分的安全保障，此次研究在智能識別系統(tǒng)中引入了標(biāo)志物圖像測距技術(shù)，幫助無人機對機體和目標(biāo)物的距離進行測量，并實現(xiàn)自主避障，工作人員只需要在指定范圍內(nèi)手動操作無人機并確定預(yù)計的懸停點，開啟自主導(dǎo)航模式后針對電力設(shè)備進行遍歷，待無人機采集圖像后即可完成任務(wù)。

出于自主避障方面的需求，工作人員首先要將相機調(diào)整至適合的放大倍數(shù)和焦距，標(biāo)靶與相機之間的拍攝距離應(yīng)保持在12～18 m[13]。此次研究假定標(biāo)靶與相機間距15 m，由操作者將焦距和放大倍數(shù)調(diào)整至標(biāo)靶與顯示器中的圖像完全重合，并記錄該狀態(tài)下相機的焦距與放大倍數(shù)，在之后的操作中維持焦距和放大倍數(shù)不變，將標(biāo)靶和相機的間距維持在12～18 m，確定顯示器中的有效緩沖邊界，標(biāo)定單位區(qū)域和定位標(biāo)靶后的屏幕圖像如圖6所示。

圖6 顯示器屏幕圖像

相機測距原理如圖7所示。

圖7 相機測距原理

根據(jù)如圖7所示的相機測距原理，可知：

(1)

則像距為：

(2)

在維持放大倍數(shù)和焦距不變的情況下測量目標(biāo)物KL，物體和像距之間的關(guān)系：

(3)

在式(3)的基礎(chǔ)上可通過如下方式計算標(biāo)志物與無人機之間的距離：

(4)

8 圖像缺陷識別算法

此次研究以導(dǎo)線“斷股”缺陷的識別為例，通過圖像缺陷識別算法來定位缺陷位置。經(jīng)過前期處理并存在“斷股”缺陷的導(dǎo)線圖像，通過“斷股”缺陷圖像能夠發(fā)現(xiàn)，相比于正常導(dǎo)線來說，存在“斷股”缺陷的導(dǎo)線有著更大的離散度，因此首先需要選定一個指標(biāo)對導(dǎo)線的離散度進行衡量，具體流程。

(1)第1步：建立直線方程y=Kx+B。

(2)第2步：在連通域中計算所有點到直線的距離，若點在直線上方，則點到直線的距離為正，反之為負(fù)，再對所有點到直線的距離的平均值進行計算，具體方法為：

(5)

(6)

(7)

(3)第3步：設(shè)定閾值為式(5)所示，在閾值小于|ave_disj|的情況下，則說明導(dǎo)線出現(xiàn)“斷股”問題。

9 軟硬件設(shè)計

9.1 硬件設(shè)計

此次研究所設(shè)計的電力設(shè)備缺陷智能識別系統(tǒng)整體硬件結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 硬件結(jié)構(gòu)

后臺數(shù)據(jù)庫采用SQL2000輕型數(shù)據(jù)庫，成本相對低廉，適用于無人機圖像的存儲與調(diào)用；地面站W(wǎng)eb服務(wù)器采用戴爾(DELL) PowerEdge R740/R740XD機架式服務(wù)器主機，該設(shè)備市場價格在1萬元左右，內(nèi)置AMD R740處理器，運行內(nèi)存16 GB，存儲空間2 TB，可有效執(zhí)行智能識別算法；管理主機常規(guī)PC設(shè)備即可勝任，處理器核心數(shù)不低于4核、運行頻率不低于2.2 GHz，內(nèi)存8 GB以上即可。

9.2 程序代碼

本次研究所設(shè)計的電力設(shè)備缺陷智能識別系統(tǒng)以Linux為軟件平臺，所使用的軟件設(shè)計工具為Mockplus，計算機程序語言為C語言，以操作人員有手持的無人機遙控平板計算機為例，程序代碼具體如下。

Private ListgetRoots()

{

……

if(resultSet.Tables.Count>0)

{ //添加節(jié)點

TreeNode NewNode=new TreeNode(row["cc_name"].ToString())； NewNode.Tag=row["CheckContents_ID"].ToString()； Node.Nodes.Add(NewNode)； ……

}

}

10 圖像缺陷識別實測

研究針對貴州山區(qū)某出現(xiàn)斷股事故的電網(wǎng)進行檢測，現(xiàn)場狀況如圖9所示。

圖9 現(xiàn)場狀況

圖像缺陷識別結(jié)果如圖10所示。

圖10 導(dǎo)線“斷股”缺陷圖像

11 結(jié)語

本文詳細(xì)介紹了電力設(shè)備巡檢工作中無人機設(shè)備以及圖像缺陷識別算法的使用策略，并提出完整的電力設(shè)備缺陷智能識別系統(tǒng)設(shè)計方案。在未來的研究工作中，還需要進一步加強針對絕緣子自爆缺陷識別算法以及精確定位技術(shù)的研究，不斷提高電力設(shè)備缺陷識別的智能化水平。