一种输电线路巡检机器人增稳控制方法及装置与流程

1.本发明属于输电线路巡检技术领域，具体涉及一种输电线路巡检机器人增稳控制方法及装置。


背景技术：

2.在输电线路巡检等领域采用机器人作业，不仅可以保证作业人员的人身安全，还将节约大量的人力成本，提高生产效率。像一些危险的地方，比如高压输电铁塔设在河流中间，人工巡线工作难度极大，现在只需站在高压输电铁塔两公里范围内，操作巡线无人机，通过空中多方位拍摄，在地面上就能看清绝缘子、腕臂开关等设备的状况。通过无人机拍摄的照片发现问题，比如铁塔架空地线连接的挂点处螺丝松动，消真缺失，可以将情况立即报告给分析人员，进行消除隐患。巡线无人机普遍应用于地域复杂线路和跨越公路、铁路、隧道口的重要线路，大大提高了巡查效率，规避了人工巡线存在的一系列盲区，保障了工人的生命安全。
3.无人机飞行过程中遇到强风和电力降低，都会对无人机的飞行稳定性造成影响，无人机保持一个较为稳定的飞行状态，是保障无人机飞行航拍和执行相关任务顺利完成的重要前提，并且随着各种检测技术的发展进步，对无人机稳定性的研究也会越来深入。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明旨在提供一种输电线输电线路巡检机器人增稳控制方法及装置，解决无人机巡检时可能存在的飞行不稳定的问题。
5.为了解决上述技术问题，本发明提供以下技术方案：
6.第一方面，本发明提供了一种输电线路巡检机器人增稳控制方法，输电线路巡检机器人包括四旋翼无人机和具有通讯、计算功能的地面站，四旋翼无人机配有六自由度惯性测量单元、通讯模块，待巡检输电线路的巡检线路上设置有位置固定的视觉反馈地标，增稳控制方法包括如下步骤：
7.通过地面站获取巡检路线的视觉反馈地标的期望图像信息以及四旋翼无人机的期望飞行参数；
8.采集视觉反馈地标的实时图像信息，通过六自由度惯性测量单元测量实时飞行参数，并通过通讯模块将视觉反馈地标的实时图像信息和实时飞行参数发送到地面站；
9.地面站对期望图像信息和实时图像信息以及期望飞行参数和实时飞行参数进行基于视觉的ibvs控制方法计算；
10.通过通讯模块获取地面站计算后的控制信息，并基于控制信息对自身姿态进行调整。
11.进一步的，视觉反馈地标为具有同心结构的环状或矩形图案的标牌。
12.进一步的，标牌上相邻两个环之间的颜色分别属于暖色调和冷色调。
13.进一步的，基于视觉的ibvs控制方法包括以下步骤：
14.将视觉反馈地标的期望图像信息和实时图像信息进行处理；
15.从处理后的图像信息中提取当前特征向量和期望特征向量，并把当前特征向量和期望特征向量进行对比，获得特征误差向量；
16.将特征误差向量输入到地面站中进行比较运算，输出数据经过处理后获得四旋翼无人机的初始控制指令；
17.地面站根据六自由度惯性测量单元的实时飞行参数，融合初始控制指令生成最终控制指令，最终控制指令记为控制信息，控制信息用于对四旋翼无人机的姿态进行调整。
18.进一步的，将视觉反馈地标的实时图像信息进行处理具体包括：
19.将视觉反馈地标的期望图像信息和实时图像信息采用高斯变换分别进行模糊处理；
20.对模糊处理后的期望图像信息和实时图像信息分别进行灰度化处理；
21.对灰度化的期望图像信息和实时图像信息进行阈值操作得到对应的二值图像。
22.进一步的，四旋翼无人机设置有机载摄像头，四旋翼无人机通过机载摄像头获取巡检路线的视觉反馈地标的期望图像信息和实时图像信息。
23.第二方面，本发明提供了一种输电线路巡检机器人增稳控制装置，输电线路巡检机器人包括四旋翼无人机和具有通讯、计算功能的地面站，四旋翼无人机配有六自由度惯性测量单元、通讯模块，待巡检输电线路的巡检线路上设置有视觉反馈地标，增稳控制装置包括：
24.信息采集模块，设置于四旋翼无人机中，用于通过地面站获取巡检路线的视觉反馈地标的期望图像信息和四旋翼无人机的期望飞行参数以及采集视觉反馈地标的实时图像信息和实时飞行参数，并通过通讯模块将视觉反馈地标的实时图像信息和实时飞行参数发送到地面站；
25.图像处理模块，设置于地面站中，用于对期望图像信息和实时图像信息以及期望飞行参数和实时飞行参数进行基于视觉的ibvs控制方法计算，并输出控制信息；
26.姿态调整模块，设置于四旋翼无人机中，用于根据控制信息控制四旋翼无人机的旋翼，以便对自身姿态进行调整。
27.进一步的，期望飞行参数具体包括：
28.四旋翼无人机的俯仰角、横滚角、偏航角、垂直高度。
29.进一步的，实时飞行参数具体包括：
30.四旋翼无人机的实时俯仰角、实时横滚角、实时偏航角、实时垂直高度。
31.第三方面，本发明提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现如第一方面的一种输电线路巡检机器人增稳控制方法。
32.与现有技术相比，本发明具体如下有益效果：
33.本发明提供了一种输电线路巡检机器人增稳控制方法及装置，通过在巡检路线上设置位置固定的视觉反馈地标，然后采集四旋翼无人机在巡检过程中实时拍摄的视觉反馈地标的图片信息，结合期望飞行参数和实时飞行参数，再通过基于视觉的ibvs控制方法在地面站中计算出四旋翼无人机的三个姿态角变化值，地面站通过通讯模块对无人机的三个姿态角进行再控制，使得四旋翼无人机的飞行姿态恢复到设定值，从而保持四旋翼无人机
稳定的飞行姿态。
附图说明
34.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
35.图1为本发明实施例提供的一种输电线路巡检机器人增稳控制方法的流程示意图。
具体实施方式
36.为使得本发明的目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
37.请参阅图1，本实施例提供了一种输电线路巡检机器人增稳控制方法。
38.其中，输电线路巡检机器人包括四旋翼无人机和具有通讯、计算功能的地面站，四旋翼无人机配有六自由度惯性测量单元、通讯模块，待巡检输电线路的巡检线路上设置有位置固定的视觉反馈地标，增稳控制方法包括如下步骤：
39.s100：通过地面站获取巡检路线的视觉反馈地标的期望图像信息以及四旋翼无人机的期望飞行参数。
40.需要说明的是，巡检线路为固定、且需要多次重复巡检的输电线路，故在巡检线路上设置位置固定的视觉反馈地标，以便无人机可以根据视觉反馈地标的图像差异来对自身的姿态进行调整。
41.为了使无人机能在多种环境下均能够采集到视觉反馈地标的图像信息，可以设置视觉反馈地标为具有同心结构的环状或矩形图案的标牌，并且标牌上相邻两个环之间的颜色分别属于暖色调和冷色调。
42.另外，四旋翼无人机的期望飞行参数具体包括俯仰角、横滚角、偏航角、垂直高度。
43.s200：采集视觉反馈地标的实时图像信息，通过六自由度惯性测量单元测量实时飞行参数，并通过通讯模块将视觉反馈地标的实时图像信息和实时飞行参数发送到地面站。
44.需要说明的是，四旋翼无人机设置有机载摄像头，四旋翼无人机通过机载摄像头获取巡检路线的视觉反馈地标的期望图像信息和实时图像信息。实时飞行参数具体包括实时俯仰角、实时横滚角、实时偏航角、实时垂直高度。
45.s300：地面站对期望图像信息和实时图像信息以及期望飞行参数和实时飞行参数进行基于视觉的ibvs控制方法计算。
46.需要说明的是，由地面视觉反馈地标期望图像信息和实时图像信息的差异度，可知当前无人机相对于处于固定位置的地面视觉反馈地标的姿态变化，而根据无人机期望飞
行参数以及实时飞行参数的差异可知无人机恢复原始飞行状态需要改变的相关参数。故基于图像信息的差异度以及飞行参数的差值，可以得出无人机用于姿态调整的控制信息，具体计算方法可以采用基于视觉的ibvs控制方法实现，具体过程为将视觉反馈地标的期望图像信息和实时图像信息进行处理；从处理后的图像信息中提取当前特征向量和期望特征向量，并把当前特征向量和期望特征向量进行对比，获得特征误差向量；将特征误差向量输入到地面站中进行比较运算，输出数据经过处理后获得四旋翼无人机的初始控制指令；地面站根据六自由度惯性测量单元的实时飞行参数，融合初始控制指令生成最终控制指令，最终控制指令记为控制信息，控制信息用于对四旋翼无人机的姿态进行调整。可以理解的是，当前特征向量从视觉反馈地标的实时图像信息中获取，期望特征向量从视觉反馈地标的期望图像信息中获取。计算过程为对处理后的图像信息进行轮廓检测，并计算出目标区域的质心坐标；
47.获取目标质心在摄像机数字化坐标系下的像素坐标值，并将像素坐标值根据摄像机的内部参数转化至摄像机真实2d图像平面坐标系下,得到当前目标图像的当前特征向量和期望图像的期望特征向量。
48.其中，质心在摄像机数字化图像坐标系下的坐标转化为在摄像机真实2d图像坐标系下的坐标值,采用下式求得；
[0049][0050]
其中：ρ
v
、ρ
u
、c
v
、c
u
为摄像机的内参数，(x
i
,y
i
)为质心在摄像机真实2d图像坐标系下的坐标，(u,v)为质心在摄像机数字化图像坐标系下的坐标。
[0051]
当前目标图像的当前特征向量，采用以下公式求得：
[0052][0053]
其中：f是摄像机的内参数，(x
i
,y
i
)质心在摄像机真实2d图像坐标系下的坐标。
[0054]
期望图像的期望特征向量，采用以下公式求得：
[0055][0056]
其中：f是摄像机的内参数，(x
i
,y
i
)质心在摄像机真实2d图像坐标系下的坐标。
[0057]
将视觉反馈地标的实时图像信息进行处理具体包括：
[0058]
将所述视觉反馈地标的期望图像信息和实时图像信息采用高斯变换分别进行模糊处理；对模糊处理后的所述期望图像信息和实时图像信息分别进行灰度化处理；对灰度化的所述期望图像信息和实时图像信息进行阈值操作得到对应的二值图像。其中，在对图像信息进行阈值操作之前还需要对图像进行gamma变换来增加对比度，gamma变换是对输入图像灰度值进行的非线性操作，使输出图像灰度值与输入图像灰度值呈指数关系：
[0059][0060]
其中：max为图像中像素最大值，r为每个像素点的像素值；γ取1.5。进行该变换的
目的：较亮的区域灰度被拉伸，较暗的区域灰度被压缩的更暗，图像整体变暗。
[0061]
对期望图像或目标图像进行灰度变换，然后对灰度图像进行gamma变换来增加对比度后，用一个模板扫描图像中的每一个像素，用模板确定的邻域内像素的加权平均灰度值去替代模板中心像素点的值。
[0062]
其次，对图像信息进行阈值操作具体为将期望图像信息设置为输入的背景，对于每个实时图像信息均计算其与背景之间的差异，得到一个差分图，对差分图进行二值化阈值处理。即对比视觉反馈地标的期望图像与实时图像之间的差异。具体方法是第一帧的像素值跟以后的每一帧的对应位置的像素值相减为：
[0063]
diff＝|image(x1,y1)
‑
image(x,y)|
[0064]
二值化阈值处理中，阈值选5
‑
10比较合适，比较好的阈值为7；大于此阈值的像素重新赋值为255，小于此阈值的像素重新赋值为0。
[0065]
s400：通过通讯模块获取地面站计算后的控制信息，并基于控制信息对自身姿态进行调整。
[0066]
本实施例提供了一种输电线路巡检机器人增稳控制方法，通过采集四旋翼无人机在巡检过程中实时拍摄的视觉反馈地标的图片信息，结合期望飞行参数和实时飞行参数，再通过基于视觉的ibvs控制方法在地面站中计算出四旋翼无人机的三个姿态角变化值，地面站通过通讯模块对无人机的三个姿态角进行再控制，使得四旋翼无人机的飞行姿态恢复到设定值，从而保持四旋翼无人机稳定的飞行姿态。
[0067]
以上是对本发明提供的一种输电线路巡检机器人增稳控制方法的实施例进行详细的描述，以下将对本发明提供的一种输电线路巡检机器人增稳控制装置的实施例进行详细的描述。
[0068]
本实施例提供了一种输电线路巡检机器人增稳控制装置，输电线路巡检机器人包括四旋翼无人机和具有通讯、计算功能的地面站，四旋翼无人机配有六自由度惯性测量单元、通讯模块，待巡检输电线路的巡检线路上设置有视觉反馈地标，增稳控制装置包括：
[0069]
信息采集模块，设置于四旋翼无人机中，用于通过地面站获取巡检路线的视觉反馈地标的期望图像信息和四旋翼无人机的期望飞行参数以及采集视觉反馈地标的实时图像信息和实时飞行参数，并通过通讯模块将视觉反馈地标的实时图像信息和实时飞行参数发送到地面站；
[0070]
图像处理模块，设置于地面站中，用于对期望图像信息和实时图像信息以及期望飞行参数和实时飞行参数进行基于视觉的ibvs控制方法计算，并输出控制信息；
[0071]
姿态调整模块，设置于四旋翼无人机中，用于根据控制信息控制四旋翼无人机的旋翼，以便对自身姿态进行调整。
[0072]
其中，期望飞行参数具体包括四旋翼无人机的俯仰角、横滚角、偏航角、垂直高度。实时飞行参数具体包括四旋翼无人机的实时俯仰角、实时横滚角、实时偏航角、实时垂直高度。
[0073]
以上是对本发明提供的一种输电线路巡检机器人增稳控制装置的实施例进行详细的描述，以下将对本发明提供的一种计算机可读存储介质的实施例进行详细的描述。
[0074]
本实施例提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现如前述实施例的一种输电线路巡检机器人增稳控制
方法。
[0075]
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。