一种基于图像识别与UWB定位融合的输电线路巡检无人机精确定位系统及方法与流程

技术特征：
1.一种基于无人机图像识别的输电线路巡检精确定位系统，其特征包括：一架装设uwb定位标签的无人机、一台数字摄像机、一台处理超宽带信号的计算机、以及数个uwb定位基站。2.根据权利要求1所述的一种基于无人机图像识别的输电线路巡检精确定位系统，其特征在于，所述的装设uwb定位标签的无人机,包括无人机本体以及装置于无人机本体的uwb定位标签、电源模块、控制模块、存储器模块等。3.根据权利要求2所述的一种基于无人机图像识别的输电线路巡检精确定位系统，其特征在于，所述的uwb定位标签，与所述的控制模块连接，固定安装于无人机外壳内部。4.根据权利要求1所述的一种基于无人机图像识别的输电线路巡检精确定位系统，其特征在于，所述的数字摄像机，通过三轴防抖云台，固定安装于无人机外壳下方、无人机支撑架中央，可旋转一定角度，安装位姿应完整采集输电线路的清晰图像。5.根据权利要求1所述的一种基于无人机图像识别的输电线路巡检精确定位系统，其特征在于，所述的uwb定位基站，通过绝缘可缠绕的外壳固定在输电线路上，其个数不少于四个，每个基站之间距离分布合理有序，任意三个基站不在同一直线上。其外壳为球体，便于计算机更准确地识别无人机拍摄的图像中定位基站的特征。6.根据权利要求1所述的一种基于无人机图像识别的输电线路巡检精确定位方法，其特征在于，所述的检测方法为：无人机在输电线路巡检过程中，机上装置的定位标签a不间断地发出间隔时间固定的超宽带信号，由四个定位基站接收信号并发送回一个包含基站编号(1、2、3、4)的响应信号，其中任意三个定位基站均不在同一直线上，得到定位标签a和定位基站的距离。然后采用uwb
‑
tdoa(到达时间差)定位原理，得到无人机的空间位置坐标(x
i
,y
i
,z
i
)。所述的uwb
‑
tdoa(到达时间差)定位原理为，首先建立输电线路系统的物方坐标系d
‑
xyz，即人为规定的世界坐标系，进一步地，由工控计算机获取电磁波信号在定位标签a和定位基站之间的飞行时间t，进一步地，计算出定位标签a与基站的距离，表示为r＝c*t，其中c为超宽带信号传播速率即电磁波速率，进一步地，得出定位标签相对于四组定位基站的距离差：进一步地，通过定位基站在输电线路和杆塔上的空间位置坐标，联结下式方程即可解算出定位标签a的三维坐标(x
i
,y
i
,z
i
)：
再通过数字摄像机采集无人机飞行过程中拍摄的输电线路特征点的图像，采集的数字图像传输给图像处理计算机完成图像识别，补偿和矫正无人机位姿信息。用空间前方交会方法，求解定位标签a的物方坐标(x'
i
,y'
i
,z'
i
)；选取两个uwb定位基站分别命名为s1、s2，以s1、s2为原点建立两个像空间辅助坐标系：s1‑
u1v1w1、s2‑
u2v2w2，其三个坐标轴方向和物方坐标系d
‑
xyz相对应的平行，即互为平移关系，可以更方便的进行坐标变换，进一步地，设定位标签a在s1‑
u1v1w1中的坐标为(u1,v1,w1)，在s2‑
u2v2w2中的坐标为(u2,v2,w2)，进一步地，在定位标签a所在的位置上，无人机载数字摄像机分别拍摄uwb定位基站s1、s2的相片，分别对应两个像点s'1、s'2,进一步地，s'1、s'2的像空间坐标为(x1,y1,
‑
f)、(x2,y2,
‑
f)，对应的像空间辅助坐标为(u1,v1,w1)、(u2,v2,w2)，其中，f为数字摄影机焦距。假设像空间坐标系与像辅助空间坐标系的相对转角已知，由左、右影像的外方位角元素ω1,κ1和ω2,κ2计算相应的正交矩阵r1、r2，则：其中，r1、r2为已求左右相片的旋转矩阵。进一步地，求基线b的三个分量，即右uwb定位标签s2在左s1‑
u1v1w1中的坐标：进一步地，uwb定位标签s1、s2,像点s'1、s'2，无人机定位标签a，三点共线：式中，定位标签a在s1‑
u1v1w1中的坐标为(u1,v1,w1)，在s2‑
u2v2w2中的坐标为(u2,v2,w2)，有：
上式可写为：进一步地，联立上面一、三两式，得投影系数：进一步地，取a在两个uwb定位标签辅助坐标系的平均值,求得定位标签a的物方坐标(x'
i
,y'
i
,z'
i
)：进一步地，根据测量的误差范围，以定位标签a的物方坐标为球心，建立球形模型。以uwb
‑
tdoa(到达时间差)定位原理得到的a的空间坐标(x
i
,y
i
,z
i
)为球心，测量误差r1为半径，建立坐标合集球一；以空间前方交会原理得到的a的空间坐标(x'
i
,y'
i
,z'
i
)为球心，测量误差r2为半径，建立坐标合集球二。进一步地，求得的两球体相交的重合部分，即为本发明补偿和矫正后的无人机空间位置。

技术总结
本发明公开了一种基于图像识别与UWB定位融合的输电线路巡检无人机精确定位系统及方法，该系统包括一架装设UWB定位标签的无人机、一台数字摄像机、一台图像处理计算机、以及数个UWB定位基站组成。通过在两个杆塔之间的输电线路上安装四个空间位置已知的UWB定位基站，基站识别无人机上的定位标签发出的超宽带信号，根据UWB


技术研发人员：董海波 卢卓 李文君
受保护的技术使用者：中国矿业大学
技术研发日：2021.05.25
技术公布日：2021/10/18