面向森林輸電線路林火監測的無人機吊艙系統研制★

譚楊磊 王勇智 韓 銳 張傲宇 劉錚言

(東北林業大學機電工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

由于我國地理位置分布原因，發電資源和大容量、遠距離的輸電線路常常分布在樹木茂密的森林中。據報道，全球每年發生森林林火22萬次，燃燒大約640萬hm2的森林面積，相當于全球所有森林面積的0.23%，森林火災已經成為八大主要自然災害之一。隨著全球氣候變化及平均溫度升高，全球森林火災發生頻率也隨之升高，加上清明節祭祖傳統以及工農業生產的影響，據不完全統計，多起輸電線路跳閘事故是由于林火導致的，林火已經成為嚴重影響電網安全穩定運行的主要因素之一。林火火線定位對于實時監測林火蔓延趨勢，指導滅火撲救對輸電線路的搶救具有至關重要的作用。

目前，國內外對于輸電線路的林火監測和預警進行了大量研究，由于衛星圖像容易受云層影響，并且衛星數據時空分辨率較低，在大尺度林火監測中應用較多。對于精細化的林火管理，無人機航空遙感數據優勢明顯，近年來，隨著無人機的高速發展，迅速應用于各個領域，作為搭載平臺無人機在監測領域中有著良好的發展前景。鑒于林火對于輸電線路的危害，為了解決上述問題，我們設計了一種基于無人機的吊艙系統對林火進行有效的實時精準定位來減少林火對于電網安全穩定運行的危害。

1 林火監測定位無人機吊艙系統的整體設計

林火監測定位無人機吊艙系統的總體設計方式：該林火監測定位無人機吊艙系統是由吊艙主體、減震裝置、相機雷達模塊三部分組成，吊艙主體內置高速嵌入式處理器(NVIDIA Jetson TX2)以及配套的電源裝置；減震裝置負責吊艙主體以及相機雷達模塊的連接以及減震作用，相機雷達模塊通過三維激光雷達、紅外相機和可見光相機的配合采集數據，將采集的數據經過高速嵌入式處理器(NVIDIA Jetson TX2)的處理傳輸回地面計算機。實現對林火的實時監測。具體布局如圖1，圖2所示。

圖1，圖2中：1為緊固件；2為無人機連接板；3為固定電池架；4為相機吊艙；5為承載電池；6為上承載板；7為開發板；8為下承載板；9為減震球；10為減震板連接架；11為減震板上；12為減震板下；13為相機云臺連接架；14為螺紋孔；15為小型電機；16為相機云臺架；17為激光雷達；18為相機固定架；19為紅外相機。

2 林火監測定位無人機吊艙系統組件的詳細設計

2.1 吊艙主體的設計

吊艙主體采用光敏樹脂材料3D打印一體化成型，吊艙主體設計分為上承載板和下承載板。無人機通過連接架4個螺栓與吊艙主體相連接，上承載板內置3個承載電池定位槽，定位槽與固定電池架通過螺栓相配合緊固承載電池，電池通過導線連接為高速嵌入式處理器(NVIDIA Jetson TX2)、紅外相機、激光雷達、慣性導航系統提供電源支持。下承載板通過螺栓連接高速嵌入式處理器(NVIDIA Jetson TX2)，高速嵌入式處理器(NVIDIA Jetson TX2)通過導線連接將紅外相機、三維激光雷達和可見光相機所獲取地面林火的數據進行數據處理，并傳輸回地面計算機。

2.2 減震裝置的設計

無人機振動主要來自電動機和螺旋槳高速旋轉所產生的低頻和高頻振動，經過無人機傳遞到吊艙系統的相機雷達模塊導致畫面構圖模糊畸變。設計減震裝置包括減震板上、減震板下、硅膠減震球，減震板上4個角處設有直徑大于吊艙連接立柱直徑的通孔，設計立軸有4根，每根立軸的上下端連接相機吊艙和下減震板，上減震板和下減震板中間貫通，上減震板與相機云臺連接架通過螺栓固定連接，減震板上和減震板下之間安裝4個減震球，無人機產生的振動由機身經過減震球的減弱傳遞到相機雷達模塊。具體布局見圖3。

圖3中：9為減震球；10為減震板連接架；11為減震板上；12為減震板下。

2.3 相機雷達模塊的設計

相機云臺連接架設置一小型電機輸出與相機云臺架相連，相機云臺架內部裝有紅外相機以及慣性導航系統，外部安裝激光雷達。小型電機控制相機固定架X軸方向的旋轉以及小型電機控制相機固定架Y軸方向的旋轉。相機固定架內壁固定安裝慣性導航系統，用于測量無人機速度偏航角等信息反饋給高速嵌入式處理器(NVIDIA Jetson TX2)。相機固定架通過螺栓結構固定可見光相機和紅外相機。通過減震結構減小空氣阻力干擾和一些由于機器本身帶來的震動，從而增加吊艙結構的穩定性，也大大減小相機鏡頭的晃動，提高相機拍攝的穩定性，并設置兩個小型電機實現相機云臺雙自由度旋轉，提高了相機拍攝的靈活性。具體布局見圖4。

圖4中：10為減震板連接架；16為相機云臺架；17為激光雷達；18為相機固定架；19為紅外相機；20為慣性導航系統；21為小型電機。

2.4 工作原理

2.4.1吊艙軟硬件平臺設計

設計三自由度無人機云臺，由三個步進電機分別控制相機云臺的橫滾和俯仰角度，將三維激光雷達和紅外雙光相機(即紅外、可見光一體相機)搭載于無人機本體，同時在無人機機身安裝高速嵌入式處理器(NVIDIA Jetson TX2)用于并行處理采集到的三維點云及圖像等數據。

2.4.2數據融合

(我們對吊倉平臺在同一時刻采集到的紅外相機、可見光相機和激光雷達三種數據進行融合)同一時刻采集得紅外相機、可見光相機和激光雷達三種數據融合，通過匹配點云數據中的三維點與圖像數據中的像素點，生成“同名”點對，在多對“同名”的基礎上，應用非線性優化算法實現三種數據融合，實現三維點被賦予紅外溫度屬性和可見光灰度屬性，同時紅外圖像及可見光圖像的像素均被賦予三維物理坐標屬性的目標。

2.4.3多幀數據配準

無人機飛行過程中在不同位置采集林火數據，必須通過計算幀間位姿將所有數據變換到統一坐標系下。設計基于尺度不變特征點的幀間數據配準算法，進而應用圖結構位姿算法優化計算多幀數據采集時的無人機位姿，從而根據該位姿融合所有數據幀。

2.4.4林火行為圖像

獲得帶有紅外溫度和可見光灰度屬性的完整三維點云。把通過配準得到的三維點云進一步加工處理，獲得多通道林火行為圖像，用以表示林火狀態，作為林火蔓延模型的統一化數據表示。圖像通道包括：用于表示地形特征的高程通道、用于表示林內地面溫度的溫感通道和用于表示森林景觀狀態的灰度通道。

2.4.5火線定位

在林火行為圖像的基礎上應用邊緣檢測算法識別火線，通過林火行為圖像的高程通道計算火線實際位置。

3 林火監測定位無人機吊艙系統的有益效果

無人機吊艙系統在實驗環境下的林火點燒實驗，對于林火監測定位無人機吊艙系統進行數據采集，觀察實驗得到的理論數據與實際點燒數據進行擬合比對可以得到實驗結果。

在實際情況由于森林林火常常伴隨著大量的煙霧阻礙對火線的定位，難以對輸電線路進行有效的救援搶救滅火工作，基于這一原因，利用搭載三維激光雷達、紅外相機和可見光相機無人機吊艙系統，利用算法完成對三維激光雷達、紅外相機和可見光相機所采集的不同類別的實地勘測數據進行林火行為數據融合，采用林火火線定位算法能有效的對森林林火的火線精準定位，能實時的監控森林林火從而高效精準的處理森林林火并及時對輸電線路進行搶救。該系統對于國家正在建立的林火智能預警系統，以及對于火線的蔓延趨勢以及火線的準確定位，在滅火指揮和輸電線路搶救方面提供精準數據從而有效的對林火采取合理快速的滅火方案。

4 結語

本課題所研制的林火監測定位無人機吊艙系統能夠實時監測火線情況為輸電線路的搶救滅火提供精準數據，并利用慣性導航系統以及高速嵌入式處理器(NVIDIA Jetson TX2)傳輸的數據，對火線進行精準定位，對火線的蔓延趨勢進行判斷。同時，這套裝置具有應用范圍廣，應用靈活等諸多特點，對于我國林火智能預警系統的建立和推廣具有一定推動作用，具有著良好的參考價值和廣闊的發展空間。