阅读说明：本技术 一种用于输电铁塔图像识别的无人机装置 (Unmanned aerial vehicle device for power transmission tower image recognition ) 是由 王凌旭 姚瑶 樊磊 何锦航 于 2019-11-27 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种用于输电铁塔图像识别的无人机装置,包括无人机飞行翼和无人机连接架,无人机飞行翼安装在无人机主架上,无人机主架通过无人机连接架与机箱上表面的连接滑槽处进行固定连接,红外热像仪和激光扫描仪安装在扫描仪安装机箱上,扫描仪安装机箱固定连接在扫描仪固定框架上,扫描仪固定框架固定在机箱的左前方,可视相机安装在无人机主架头部,测距装置和GPS装置安装在无人机主架底部,主信号唤醒器安装在机箱的右前方,铁塔固定扫描仪安装在输电铁塔的每一个横隔位置。本发明便于各个部件的布置达到连接架的重心调整,使得重心与无人机重心位于同一竖直方向上,无人机飞行控制更容易,实现自动唤醒开机,降低设备能耗。(The invention discloses an unmanned aerial vehicle device for image recognition of a power transmission tower, which comprises an unmanned aerial vehicle flying wing and an unmanned aerial vehicle connecting frame, wherein the unmanned aerial vehicle flying wing is installed on an unmanned aerial vehicle main frame, the unmanned aerial vehicle main frame is fixedly connected with a connecting chute on the upper surface of a case through the unmanned aerial vehicle connecting frame, a thermal infrared imager and a laser scanner are installed on a scanner installation case, the scanner installation case is fixedly connected on a scanner fixing frame, the scanner fixing frame is fixed at the front left of the case, a visual camera is installed at the head part of the unmanned aerial vehicle main frame, a distance measuring device and a GPS device are installed at the bottom part of the unmanned aerial vehicle main frame, a main signal awakening device is installed at the front right of the case, and a tower fixing scanner. The invention is convenient for the arrangement of each part to achieve the adjustment of the gravity center of the connecting frame, so that the gravity center and the gravity center of the unmanned aerial vehicle are positioned in the same vertical direction, the flight control of the unmanned aerial vehicle is easier, the automatic wake-up starting is realized, and the energy consumption of equipment is reduced.)

一种用于输电铁塔图像识别的无人机装置

技术领域

本发明属于铁塔识别设备技术领域，具体涉及一种用于输电铁塔图像识别的无人机装置。

背景技术

伴随我国输电线路的电压等级不断升高和线路走廊的局限，输电线路中使用的铁塔逐渐朝着更高电压等级、更多回路数的方向发展，尤其是特高压工程的大量建设，使得高效优质的设计出经济合理的塔型成为电网建设的必要环节。例如2018年我国南方遭遇了对电网来说最严重的灾害天气，低温雨雪、冰冻等自然气象条件使得输电线路发生覆冰现象严重，致使导线覆冰闪络、脱冰跳跃、舞动，更严重的是重冰现象导致输电线路的断线乃至倒塔，仅浙江省110kV-500kV线路中就有多达58条停运，500kV输电线路倒塔167基、220kV线路倒塔45基、110kV输电线路倒塔23基。由于这些新情况、新变化的出现，致使有效的提高电网，尤其是铁塔的优化设计水平，是建设统一的坚强智能电网，保障电力设施正常安全稳定的运行的必要条件。

现有的无人机在电力巡检过程中，直接在无人机上安装激光扫描仪、相机测距装置等，这样不便对无人机进行平衡受力，导致难以无人机控制平衡。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种用于输电铁塔图像识别的无人机装置，以解决现有技术中存在的问题。

本发明采取的技术方案为：一种用于输电铁塔图像识别的无人机装置，包括无人机飞行翼、无人机连接架、连接滑槽、主信号唤醒器、扫描仪安装机箱、红外热像仪、机箱、激光扫描仪、无人机主架、扫描仪固定框架、可视相机、铁塔固定扫描仪、测距装置和GPS装置，无人机飞行翼安装在无人机主架上，无人机主架通过无人机连接架与机箱上表面的连接滑槽处进行固定连接，红外热像仪和激光扫描仪安装在扫描仪安装机箱上，扫描仪安装机箱固定连接在扫描仪固定框架上，扫描仪固定框架固定在机箱的左前方，可视相机安装在无人机主架头部，测距装置和GPS装置安装在无人机主架底部，主信号唤醒器安装在机箱的右前方，铁塔固定扫描仪安装在输电铁塔的每一个横隔位置。

优选的，上述无人机连接架通过螺钉固定连接在连接滑槽处。

图像采集系统还包括蓄电池、扫描仪内置锂电池和无人机太阳能电池板，蓄电池安装在机箱右侧并通过连接线与扫描仪安装机箱和无人机进行连接，扫描仪内置锂电池安装在扫描仪安装机箱内部，无人机太阳能电池板安装在无人机的顶部并电连接到机箱的蓄电池。

一种用于输电铁塔图像识别的无人机装置，还包括太阳能电池板，太阳能电池板固定在输电铁塔上，并与铁塔固定扫描仪电连接。

本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明的效果如下：

1）通过无人机飞行带动，飞行平稳，图像采集装置采集的图像精准，采集后的图像便于建立输电铁塔模型；

2）本发明通过加装无人机连接架，便于对应新增的设备安装到连接架上，便于各个部件的布置达到连接架的重心调整，使得重心与无人机重心位于同一竖直方向上，无人机飞行控制更容易，本发明能够实现远程操控，采用主信号唤醒器和分信号唤醒器，实现自动唤醒开机，降低设备能耗，提高使用可靠性，采用图像采集装置和飞行装置实现自动扫描、自动成像，为铁塔杆件精确优化提供精确模型；

3）结构简单，维修方便，制作难度低；

4）一体化程度高，全程可监控；

5）对各类输电杆塔均具有较好的适应能力；

6）功能可扩展，应用范围广；

7）结构合理，性能可靠。

附图说明

图1为整体结构示意图；

图2为铁塔固定扫描仪布置图；

图3图像采集子系统具体工作的方法流程图；

图4单片机控制流程图；

图5铁塔模型优化子系统具体工作的方法流程图。

图中： 1、图像采集子系统，2、程序控制子系统，3、铁塔模型优化子系统，4、飞行装置，5、图像采集装置，6、无人机飞行翼，7、无人机连接架，8、连接滑槽，9、主信号唤醒器，10、蓄电池，11、扫描仪内置锂电池，12、扫描仪安装机箱，13、红外热像仪，14、机箱，15、激光扫描仪，16、无人机太阳能电池板，17、无人机主架，18、太阳能电池板，19、扫描仪固定框架，20、螺钉，21、可视相机，22、铁塔固定扫描仪，23、测距装置，24、GPS装置，25、单片机保护壳，26、信号收集器，27、单片机，28、无线接收装置，29、信号唤醒器，30、单片机锂电池，31、信号发射器，32、中控计算机。

具体实施方式

下面结合附图及具体的实施例对本发明进行进一步介绍。

实施例1：如图1-图5所示，包括无人机飞行翼6、无人机连接架7、连接滑槽8、主信号唤醒器9、扫描仪安装机箱12、红外热像仪13、机箱14、激光扫描仪15、无人机主架17、扫描仪固定框架19、可视相机21、铁塔固定扫描仪22、测距装置23和GPS装置24，无人机飞行翼6安装在无人机主架17上，无人机主架17通过无人机连接架7与机箱14上表面的连接滑槽8处进行固定连接，红外热像仪13和激光扫描仪15安装在扫描仪安装机箱12上，扫描仪安装机箱12固定连接在扫描仪固定框架19上，扫描仪固定框架19固定在机箱14的左前方，防止扫描仪安装机箱12发生位置的改变，可视相机21安装在无人机主架17头部，用于特定输电铁塔部位的图像采集，测距装置23和GPS装置24安装在无人机主架17底部分别用于检测与输电铁塔的距离与图像采集子系统1的具***置，主信号唤醒器9安装在机箱14的右前方，铁塔固定扫描仪22安装在输电铁塔的每一个横隔位置。

优选的，上述无人机连接架7通过螺钉20固定连接在连接滑槽8处，装卸方便容易。

图像采集系统1还包括蓄电池10、扫描仪内置锂电池11和无人机太阳能电池板16，蓄电池10安装在机箱14右侧并通过连接线与扫描仪安装机箱12和无人机进行连接，扫描仪内置锂电池11安装在扫描仪安装机箱12内部，无人机太阳能电池板16安装在无人机的顶部并电连接到机箱14的蓄电池10，为蓄电池充电，减少降落充电的时间，提高飞行时间，蓄电池一方面起到供电的作用，另一方面，位置布局起到平衡机箱重量的作用，便于控制无人机平稳飞行。

一种输电铁塔图像识别系统，还包括太阳能电池板18，太阳能电池板18固定在输电铁塔上，并与铁塔固定扫描仪22电连接。

实施例2：如图1-图5所示，一种输电铁塔图像识别系统，包括图像采集系统1和控制系统2，图像采集系统1包括飞行装置4和安装在飞行装置4上的图像采集装置5，控制系统2用于控制无人机及扫描成像设备的运行，飞行装置4提供上升和飞行的动力，保证系统能够采集到铁塔的各个杆件，图像采集装置5用于输电铁塔的图像采集及三维成像。

优选的，上述图像采集系统1包括无人机飞行翼6、无人机连接架7、连接滑槽8、主信号唤醒器9、扫描仪安装机箱12、红外热像仪13、机箱14、激光扫描仪15、无人机主架17、扫描仪固定框架19、可视相机21、铁塔固定扫描仪22、测距装置23和GPS装置24，无人机飞行翼6安装在无人机主架17上，无人机主架17通过无人机连接架7与机箱14上表面的连接滑槽8处进行固定连接，红外热像仪13和激光扫描仪15安装在扫描仪安装机箱12上，扫描仪安装机箱12固定连接在扫描仪固定框架19上，扫描仪固定框架19固定在机箱14的左前方，防止扫描仪安装机箱12发生位置的改变，可视相机21安装在无人机主架17头部，用于特定输电铁塔部位的图像采集，测距装置23和GPS装置24安装在无人机主架17底部分别用于检测与输电铁塔的距离与图像采集子系统1的具***置，主信号唤醒器9安装在机箱14的右前方，铁塔固定扫描仪22安装在输电铁塔的每一个横隔位置。

优选的，上述无人机连接架7通过螺钉20固定连接在连接滑槽8处，装卸方便容易。

图像采集系统1还包括蓄电池10、扫描仪内置锂电池11和无人机太阳能电池板16，蓄电池10安装在机箱14右侧并通过连接线与扫描仪安装机箱12和无人机进行连接，扫描仪内置锂电池11安装在扫描仪安装机箱12内部，无人机太阳能电池板16安装在无人机的顶部并电连接到机箱14的蓄电池10，为蓄电池充电，减少降落充电的时间，提高飞行时间，蓄电池一方面起到供电的作用，另一方面，位置布局起到平衡机箱重量的作用，便于控制无人机平稳飞行。

一种输电铁塔图像识别系统，还包括太阳能电池板18，太阳能电池板18固定在输电铁塔上，并与铁塔固定扫描仪22电连接。

优选的，上述控制系统2包括单片机保护壳25、信号收集器26、单片机27、无线接收装置28、分信号唤醒器29、信号发射器31和中控计算机32，单片机27安装在单片机保护壳25内，信号收集器26、无线接收装置28、分信号唤醒器29固定在机箱14的右后方并与单片机27电连接，当运行图像采集，图像采集系统1靠近铁塔固定扫描仪22时分信号唤醒器29与主信号唤醒器9产生信号交换，使铁塔固定扫描仪22从待机状态转化为运行状态，此时图像采集系统1进入工作状态，红外热像仪13和激光扫描仪15对输电铁塔进行全方位的扫描，SAR图像处理结合去噪单元、平滑单元、多边形提取单元对图像模型进行优化，对优化后的图像进行拼接处理和杂物处理生成三维铁塔模型，信号发射器31将模型发送中控计算机32和铁塔模型数据库进行对比达到具体杆塔类型识别，铁塔固定扫描仪22通过信号发射器31与信号收集器26连接，单片机27通过无线接收装置28连接到中控计算机32，铁塔固定扫描仪22将采集的图像信息通过信号发射器30传给信号收集器26，将所得信息合并给无人机携带的主扫描仪安装机箱12，无线接收装置28将信息传给中控计算机32，单片机27控制信号的传输与接收并负责图像采集系统1的管理和运动学规划。

上述控制系统2还包括单片机锂电池30，单片机锂电池30与单片机保护壳25电连接。

主信号唤醒器9、红外热像仪13、激光扫描仪15、可视相机21、铁塔固定扫描仪22、测距装置23和GPS装置24与无人机控制器电连接。

一种输电铁塔图像识别系统，还包括中控计算机32内的铁塔模型优化系统3，用于输电铁塔图像的数据整合及杆件优化处理，图像采集系统建立的铁塔模型，将三维铁塔模型进行理想化处理，转变成理想的杆线模型，将理想三维铁塔杆线模型导入Midas软件，对每一根杆线定义钢材类型及钢材截面积，对模型施加不同工况的荷载组合并得到模型杆件的应力应变数据，再从数据库调取对应输电铁塔的理论模型，施加同样工况同样的荷载组合并得到理论模型杆件的应力应变数据，将图像采集系统采集形成的模型在不同工况下荷载组合的数据与设计理论数据进行对比与筛选，寻找数据差异，将数据差异值进行阶梯分类，并在所建立的模型进行不同颜色的区分，寻找需要优化的杆件。

实施例3：一种输电铁塔图像识别系统的优化方法，高24m的JD11输电铁塔为例，利用图1-5简述输电铁塔图像识别及优化系统，该输电铁塔图像识别及优化系统包括图像采集系统1、控制系统2、铁塔模型优化系统，采用该系统进行图像采集和优化：

将无人机飞行翼6安装在无人机主架17上，无人机主架17通过无人机连接架7与机箱14在连接滑槽8出进行连接，将无人机连接架7的螺钉20打开，让无人机连接架7的下部通过连接滑槽8后再固定螺钉20。将红外热像仪13和激光扫描仪15安装在扫描仪安装机箱12上并固定在扫描仪固定框架19上。扫描仪固定框架19固定在机箱的左前方并防止扫描仪安装机箱12发生位置的改变。蓄电池10安装在机箱14右侧并通过连接线与扫描仪安装机箱12和无人机进行连接，还可以用来平衡扫描仪安装机箱12的重量。扫描仪内置锂电池11安装在扫描仪安装机箱12内部。无人机太阳能电池板16安装在无人机的顶部并连接机箱14的蓄电池10，可以为蓄电池充电。可视相机21安装在无人机主架17头部可以用于特定输电铁塔部位的图像采集，测距装置23和GPS装置24安装在无人机主架17底部分别用于检测与输电铁塔的距离与图像采集子系统1的具***置。铁塔固定扫描仪22安装在输电铁塔的每一个横隔位置，太阳能电池板18与铁塔固定扫描仪22连接并固定在输电铁塔上。铁塔固定扫描仪22启用待机模式并不工作运行。启动扫描仪安装机箱12，使扫描仪处于待机状态，中控计算机32发出信号通过无线接收装置28启动单片机27控制程序。

单片机27位于单片机保护壳25内，单片机锂电池30与单片机保护壳25连接并单独给单片机供电。信号收集器26、无线接收装置28、分信号唤醒器29固定在机箱14的右后方。当运行图像采集子系统1靠近铁塔固定扫描仪22时，单片机27控制分信号唤醒器29与主信号唤醒器9产生信号交换，使铁塔固定扫描仪22从待机状态转化为运行状态。此时图像采集子系统1进入工作状态红外热像仪13和激光扫描仪15对输电铁塔进行全方位的扫描，SAR图像处理结合去噪单元、平滑单元、多边形提取单元对图像模型进行优化，对优化后的图像进行拼接处理和杂物处理生成三维铁塔模型，信号发射器31将模型发送中控计算机32和铁塔模型数据库进行对比达到具体杆塔类型识别。铁塔固定扫描仪22将采集的图像信息通过信号发射器30传给信号收集器26，将所得信息合并给无人机携带的主扫描仪安装机箱12，无线接收装置28将信息传给中控计算机32。单片机27控制信号的传输与接收并负责图像采集子系统1的管理和运动学规划。

图像采集系统1建立的铁塔模型传给中控计算机32处理，中控计算机32将三维铁塔模型进行理想化处理，转变成理想的杆线模型，将理想三维铁塔杆线模型导入Midas软件，对每一根杆线定义钢材类型及钢材截面积，对模型施加不同工况的荷载组合并得到模型杆件的应力应变数据。再从数据库调取对应输电铁塔的理论模型，施加同样工况同样的荷载组合并得到理论模型杆件的应力应变数据。将图像采集子系统1采集形成的模型在不同工况下荷载组合的数据与设计理论数据进行对比与筛选，寻找数据差异，将数据差异值进行阶梯分类，并在所建立的模型进行不同颜色的区分，寻找需要优化的杆件。

具体方法为：预置铁塔固定扫描仪在输电铁塔的每一个横格处，将无人机安装在机箱上面，通过单片机控制图像采集系统运动，当靠近铁塔固定扫描仪时，主信号唤醒器与分信号唤醒器进行信号交换来启动处于待机的铁塔固定扫描仪，通过激光扫描仪与红外热像仪对输电铁塔的各个结构进行扫描合成三维铁塔模型，与数据库塔型进行对比，当对比结果小于设定误差时，图像采集系统将采集的三维铁塔模型通过无线接收装置、信号发射器传给中控计算机，中控计算机对图像模型进行优化处理，并通过Midas软件进行模型的杆件参数定义及荷载施加得到应力应变数据，将所得数据与理论数据进行对比，通过寻找数据差异大于设定值时定位到对应需要优化的杆件。

铁塔识别系统和识别方法具有如下优点：

1）通过无人机飞行带动，飞行平稳，图像采集装置采集的图像精准，采集后的图像便于建立输电铁塔模型；

2）能够实现远程操控，采用主信号唤醒器和分信号唤醒器，实现自动唤醒开机，降低设备能耗，提高使用可靠性，采用图像采集装置和飞行装置实现自动扫描、自动成像，为铁塔杆件精确优化提供精确模型；

3）结构简单，维修方便，制作难度低；

4）一体化程度高，全程可监控；

5）对各类输电杆塔均具有较好的适应能力；

6）功能可扩展，应用范围广；

7）结构合理，性能可靠。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内，因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。