基于無人機巡圖像技術的電力設備缺陷智能識別系統(tǒng)

毛先胤，馬曉紅，豐俊寬

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

隨著我國社會經濟的不斷發(fā)展，電力設備的復雜程度和使用量不斷提升，如何對電力設備進行快速、準確的巡視與檢測已經成為電力企業(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對電力設備進行檢測是未來一段時間內必然的發(fā)展趨勢，該檢測方法具有準確性高、危險性低等方面的特征，結合相應的算法應用和系統(tǒng)設計，能夠大幅提升電力設備缺陷檢測的效率[2]。

1 整體功能設計

此次研究將圖像缺陷識別算法和無人機技術應用到輸電線路巡檢系統(tǒng)的建設中，并在部分情況下將人工巡檢與智能巡檢結合起來，在工作人員手動操控無人機的情況下，結合智能避障技術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，此次研究所設計的電力設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、圖傳設備、機臂、電機組成[4]；臂障管理功能主要通過操作者手動調整無人機飛行姿態(tài)和標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)管理模塊主要負責對系統(tǒng)權限進行設置[5]；任務管理模塊主要負責下達飛行巡檢任務；缺陷識別模塊負責對電力設備缺陷進行識別；飛行管理模塊負責對無人機各個組件的運行情況以及飛行數(shù)據進行管理。

圖1 電力設備缺陷智能識別系統(tǒng)整體結構

2 無人機智能巡檢的操作方案設計

此次研究所設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、設備調試、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，首先要對無人機設備進行調試，調試任務具體包括檢查各個連接線是否正確、檢查機體結構是否牢固、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計

應用于電力設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)主要負責為無人機的飛行姿態(tài)提供命令響應和數(shù)據支持，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、與目標物之間的距離、磁能量、角速度、加速度等數(shù)據；②通過無線傳輸模塊將無人機所采集到的圖像數(shù)據傳輸給地面站；③對地面站所發(fā)出的控制指令給予響應，進而對無人機的起降、懸停、轉向、速度進行調節(jié)[10]。

無人機無線通信模塊的總體設計方案如圖2所示。

圖2 無人機的無線通信方案總體設計

無人機無線通信模塊的運行流程：①通過電源板將PWM信號電壓調整為3.3 V，再由電源模塊將將3.3 V的PWM信號電壓調整為可供電子調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)據進行采集，所采集到的數(shù)據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)據進行采集，所采集到的數(shù)據為無人機在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；⑤控制板模塊通過WiFi模塊將相關數(shù)據發(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模塊將經過解析的數(shù)據發(fā)送給電源板；⑧接收到控制指令的電源板會對PWM的占空比進行調節(jié)，進而實現(xiàn)針對舵機的偏轉角度和電機轉速的調節(jié)。

4 無人機設備拓撲管理流程

4.1 網絡設備拓撲的自動發(fā)現(xiàn)

此次研究考慮到無人機設備在網絡安全方面的要求，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數(shù)據交互。該功能的實現(xiàn)流程如圖3所示。

圖3 拓撲自動發(fā)現(xiàn)流程

4.2 網絡設備拓撲的手動管理

在無人機工作現(xiàn)場地形環(huán)境較為復雜的情況下，由于缺乏相關的調試設備，針對無人機的網絡調整需要使用平板式計算機與無人機設備相連接進而完成網絡設置。手動實施網絡設備拓撲管理的具體流程如圖4所示。

圖4 拓撲手動管理流程

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，內置在無人機PLC中的數(shù)據分析模塊會向受控站發(fā)送無人機的運行狀態(tài)信息，同時根據無人站服務器內預先設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)據庫設計

此次研究所設計的電力設備缺陷智能識別系統(tǒng)采用SQL輕型數(shù)據庫對系統(tǒng)數(shù)據進行存儲與調用。由于電力設備缺陷智能識別系統(tǒng)要考慮移動平臺的數(shù)據處理能力。因此，此次研究在對數(shù)據庫表進行設計時只設計每次執(zhí)行任務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)據信息，相應的數(shù)據庫設計方案見表1、表2、表3。

表1 人員信息

表2 任務

表3 缺陷記錄

7 避障方案設計

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)中引入了標志物圖像測距技術，幫助無人機對機體和目標物的距離進行測量，并實現(xiàn)自主避障，工作人員只需要在指定范圍內手動操作無人機并確定預計的懸停點，開啟自主導航模式后針對電力設備進行遍歷，待無人機采集圖像后即可完成任務。

出于自主避障方面的需求，工作人員首先要將相機調整至適合的放大倍數(shù)和焦距，標靶與相機之間的拍攝距離應保持在12～18 m[13]。此次研究假定標靶與相機間距15 m，由操作者將焦距和放大倍數(shù)調整至標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，標定單位區(qū)域和定位標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物KL，物體和像距之間的關系：

(3)

在式(3)的基礎上可通過如下方式計算標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。經過前期處理并存在“斷股”缺陷的導線圖像，通過“斷股”缺陷圖像能夠發(fā)現(xiàn)，相比于正常導線來說，存在“斷股”缺陷的導線有著更大的離散度，因此首先需要選定一個指標對導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，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：設定閾值為式(5)所示，在閾值小于|ave_disj|的情況下，則說明導線出現(xiàn)“斷股”問題。

9 軟硬件設計

9.1 硬件設計

此次研究所設計的電力設備缺陷智能識別系統(tǒng)整體硬件結構如圖8所示。

圖8 硬件結構

后臺數(shù)據庫采用SQL2000輕型數(shù)據庫，成本相對低廉，適用于無人機圖像的存儲與調用；地面站Web服務器采用戴爾(DELL) PowerEdge R740/R740XD機架式服務器主機，該設備市場價格在1萬元左右，內置AMD R740處理器，運行內存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，內存8 GB以上即可。

9.2 程序代碼

本次研究所設計的電力設備缺陷智能識別系統(tǒng)以Linux為軟件平臺，所使用的軟件設計工具為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

圖像缺陷識別結果如圖10所示。

圖10 導線“斷股”缺陷圖像

11 結語

本文詳細介紹了電力設備巡檢工作中無人機設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備缺陷智能識別系統(tǒng)設計方案。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的研究，不斷提高電力設備缺陷識別的智能化水平。