專利名稱：一種電力巡線無人機自動拍照控制設備的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于無人機電力巡檢領域，尤其涉及的是一種電力巡線無人機自動拍照控制設備。
背景技術：
輸電線路分布點多面廣，所處地形復雜，自然環境惡劣，電力線及桿塔附近長期暴露在野外，因受外部環境的影響而產生斷股、磨損、腐蝕等損傷，必須及時修復或更換。定期的檢查輸電線路的運行情況，及時消除隱患，確保電力安全。傳統的人工巡線工作量大，對山區、河流等復雜環境的線路巡檢，存在著很多的難度。無人機巡線可以有效的解決這些問題。無人機巡線主要是指無人直升機飛行平臺搭載通訊設備和檢測設備完成對輸電線路的巡檢，其中檢測設備是無人機巡線的任務執行機構，其設計包括檢測終端、吊艙/云臺和后臺軟件三部分。檢測設備的檢測終端(包括機載照相機、機載攝像機、紅外熱像儀)檢測精度和成效，以及檢測設備集成的好壞，都是無人機巡線系統的關鍵因素。現有關于介紹無人直升機電力巡檢專用吊艙的專利，如中國專利專利號為201010153913.9的《電力巡檢無人直升機專用光電吊艙》，和中國專利專利號為201020156034.7的《一種用于直升機電力巡檢的吊艙》，設計了結構緊湊的高性能的光電任務載荷，其具有自穩定功能和自跟蹤功能，但是未涉及自動拍照功能；如中國專利專利號為201010174736.2的《一種無人直升機空中拍照控制裝置》，實現了地面單元通過無線方式進行空中拍照的功能，并設有報警器，沒有關于自動拍照的功能，以及對焦時間設定，自動拍照數量，步進值設定算法等；中國專利專利號為201010551166.4的《用于控制無人直升機空中拍照快門的裝置及方法》，介紹了利用接受遙控信號控制而轉動的步進電機控制無人直升機空中拍照快門的 裝置及方法，但沒有關于自動拍照完成對桿塔及導線的全覆蓋拍攝的功能描述。
實用新型內容本實用新型的目的就是為了解決上述問題，提供一種電力巡線無人機自動拍照控制設備及控制方法，它在無人機電力巡檢過程中實驗和實際需求中提煉出來的，能夠完成無人機在電力巡線中高效、快速、簡易的拍照操作。為了實現上述目的，本實用新型采用如下技術方案:—種電力巡線無人機自動拍照控制設備，它包括安裝在無人機體前端的兩根平行的金屬桿，兩根金屬桿通過支架連接，支架上方安裝盒體，盒體下方通過第一伺服舵機安裝檢測云臺，第一伺服舵機控制檢測云臺水平轉動，檢測云臺正下方設有相機托，相機托的前后搖擺通過第二伺服電機來控制，所述相機托上設有照相機，盒體內安裝控制電路和電池。所述檢測云臺包括兩個倒U形機械手，所述兩個機械手通過若干橫桿連接，所述兩個機械手的末端通過固定裝置連接，圓弧形相機托安裝在所述兩個固定裝置的中心圓孔上，第二伺服舵機固定在至少一個固定裝置的外側，第二伺服舵機穿過固定裝置的中心圓孔控制相機托的搖擺，所述相機托的圓心角大于180°，所述相機托的圓弧的兩個開口端向圓心內延伸，所述機械手上設有若干大圓孔和小圓孔，所述橫桿的兩端和固定裝置的兩端分別固定在兩個機械手的小圓孔上。所述固定裝置為矩形鐵片，所述矩形鐵片的四個邊成內凹的圓弧形，所述矩形鐵片的中心處為圓孔。所述控制電路包括單片機、所述兩個伺服舵機、無線接收機、LCD液晶顯示器、按鍵、相機拍照控制模塊和電源管理模塊、電池；所述單片機分別連接所述兩個伺服舵機、無線接收機、IXD液晶顯示器、按鍵、相機拍照控制模塊、電源管理模塊、電池；電池還與電源管理模塊連接。所述單片機選取dsPIC30F6015型號，用于編譯和解算控制命令，控制與其相連接各部分完成任務和功能；所述兩個伺服舵機都與檢測云臺連接，主要用來控制檢測云臺的角度轉動，實現對目標物照片的準確獲取；所述無線接收機主要用于與地面站之間的控制命令和信息的交互；所述IXD液晶顯示器主要用于展示電池及各機載設備電源情況；所述按鍵為一簡單人機交互設置，為多個輕觸式開關，主要可進行通電、斷電和自動拍照控制設備的一些簡單命令設置，如拍照間隔時間選取、角度選取、快門速度選取等，其他控制命令仍需通過地面站設置并無線傳輸；所述相機拍照控制模塊與相機相連，為控制相機快門進行拍照的結構；所述電源管理模塊與電池相連，所述電源管理模塊還與控制電路電源、攝像頭電源、照相機電源、云臺舵機電源、`圖傳電源連接，所述電源管理模塊主要是對照相機電源，圖傳電源，控制電路電源，攝像頭電源，云臺舵機電源進行監控與管理。上述一種電力巡線無人機自動拍照控制設備所采用的控制方法，具體步驟如下:步驟(I):啟動，系統初始化；步驟(2):參數設定，所述參數包括步進值、對焦時間、照片數量、所述兩個伺服舵機需要轉動的角度的范圍、電源電量報警值；步驟(3):判斷控制指令是手動還是自動，如果是手動就遠程無線控制，結束；如果是自動就進入步驟(4);步驟(4):計算巡檢時檢測云臺的垂直方向搖擺角度范圍與水平方向轉動角度范圍；步驟(5):根據步驟(2)的預設參數進行步進自動拍照；步驟(6):結束。所述步驟(4)中計算方法如下:無人機飛行距地面高度為H，桿塔高度為h，無人機飛行位置在地面的垂直投影與輸電導線間垂直距離為d，設定巡檢時檢測云臺的垂直方向搖擺角度范圍為ai Ci2，則應滿足:a ^arctan[ (H~h) /d], a 2=arctan (H/d),桿塔最寬處寬度為a，無人機飛行位置在地面的垂直投影與輸電導線間垂直距離為d，無人機飛行位置在地面的垂直投影與桿塔間垂直距離為b，輸電導線檔距為L，設定巡檢時檢測云臺水平方向轉動角度范圍為P1 β2，則應滿足:[0029]β ^arctan (d/b) , β 2=arctan [ (a+d) /b],而無人機在拍攝輸電導線的圖片時，為沿導線弧垂方向勻速緩慢前行途中拍攝，記無人機飛行速度為V，所用相機鏡頭的拍攝廣角為Y，飛行過程中，檢測云臺角度不變，一般取[(β /2]，此時，應設定拍攝時間間隔為Δ t=0.6 {d/tan [ (β1+β2)/2-γ/2] -d/tan [ ( β1+β2)/2+γ/2]}/ν綜上所述，步驟(4)中最終算出的無人機在拍攝桿塔圖片時，所述兩個伺服舵機所需要轉動角度:垂直方向搖擺角度范圍O1 α2，水平方向轉動角度范圍為β2;無人機在拍攝輸電導線的圖片時，設定拍攝時間間隔為Λ t。所述步驟(5)的具體步驟如下:步驟(5-1):自動拍照開始，檢測云臺自動設定垂直位置與水平位置初始角度拍照模式，俯仰值i=0，水平值j=0 ；步驟(5-2):判斷i%2==0是否成立，如果是就進入步驟(5-3);如果否就執行(5-4)；
步驟(5-3):對焦，拍照，水平方位角加水平步進值P，j++ ;判斷j〈Y是否成立，Y為照片數量，如果成立就返回步驟(5-3);如果不成立就進入步驟(5-5)；步驟(5-4):對焦，拍照，水平方位角減水平步進值P，j++ ;判斷j〈Y是否成立，Y為照片數量，如果成立就返回步驟(5-4);如果不成立就進入步驟(5-5)；步驟(5-5):俯仰方位角加俯仰步進值W ;i++，判斷i〈X是否成立，X為對焦時間，如果是就返回步驟(5-2);如果否就將檢測云臺的俯仰與水平位置復位，結束。所述俯仰步進值W的計算方法為:
ττ7 d2-alr=—^ 所述水平步進值P的計算方法為:
D β-β尸丁
I其中，X:桿塔俯仰方位分割值，Y:桿塔水平方位分割值；α 1:檢測云臺俯仰角度上，從檢測云臺初始化位置轉到桿塔的最上方的角度；α2:檢測云臺俯仰角度上，從檢測云臺初始化位置轉到桿塔的最下方的角度；β !:檢測云臺水平角度上，從檢測云臺初始化位置轉到桿塔的最左邊的角度；β 2:檢測云臺水平角度上，從檢測云臺初始化位置轉到桿塔的最右方的角度。本實用新型的有益效果:1.本實用新型的機械手上設有大圓孔，所述大圓孔的目的在于減輕檢測云臺的重量，給無人機的飛行減輕負擔；2.本實用新型的所述相機托的圓弧的端部向圓心內延伸，目的在于更好的支撐相機，防止飛行過程中，相機掉落下來；3.本實用新型能夠完成無人機在電力巡線中對輸電導線和桿塔等電力設備高效、快速、簡易的拍照操作。4.電力巡線無人機自動拍照控制設備中設有自動拍照的功能，只需要在無人機進行巡線之前，將線路參數和無人機飛行參數輸入地面站系統，即能夠計算出拍攝角度、步進值和自動拍照數量，對焦時間設定后，即可完成對桿塔的自動拍照，避免了手動設置角度的延時、可靠性低的可能性。5.上述自動拍照功能能夠通過參數設定，通過檢測云臺的水平方向的左右轉動和垂直方向上的前后搖擺完成對桿塔及導線的全覆蓋拍攝，并能夠滿足圖像拼技術對相鄰圖片重合度的要求。
圖1(a)為電力巡線無人機自動拍照控制設備左視圖；圖1(b)為電力巡線無人機自動拍照控制設備右視圖；圖2為設備控制電路結構圖；圖3為電池供電分配圖圖；圖4為無人機巡檢時沿輸電導線方向的側視圖；圖5為無人機巡檢時導線正上方俯視圖；圖6為自動拍照的區域劃分圖；圖7為本實用新型的控制方法流程示意圖；圖8為本實用新型的自動拍照的工作流程示意圖；其中，I金屬桿，2檢測云臺，3盒體，4單片機，5第二伺服舵機，6無線接收機，7IXD液晶顯示器，8按鍵，9相機拍照控制模塊，10電源管理模塊，11電池，12圖傳電源，13云臺舵機電源，14照相機電源，·15攝像頭電源，16控制電路電源，17無人機巡檢時飛行位置，18桿塔，19輸電導線，20固定裝置，21第一伺服舵機。
具體實施方式
以下結合附圖與實施例對本實用新型作進一步說明。如圖1(a)和圖1 (b)所示，一種電力巡線無人機自動拍照控制設備，它包括安裝在無人機體前端的兩根平行的金屬桿I，兩根金屬桿I通過支架連接，支架上方安裝盒體3，支架下方安裝檢測云臺2，檢測云臺2正下方設有相機托，所述相機托上設有照相機，盒體3內安裝控制電路和電池。所述檢測云臺2包括兩個倒U形機械手，所述兩個機械手通過若干橫桿連接，所述兩個機械手的末端通過固定裝置20固定，所述固定裝置20上安裝圓弧形相機托，所述相機托的圓心角大于180° ,所述相機托的圓弧的兩個開口端向圓心內延伸,所述機械手上設有若干大圓孔和小圓孔，所述橫桿的兩端和固定裝置20的兩端分別固定在兩個機械手的小圓孔上。所述固定裝置20為矩形鐵片，所述矩形鐵片的四個邊成內凹的圓弧形，所述矩形鐵片的中心處為圓孔。如圖2所示，所述控制電路包括單片機4、所述兩個伺服舵機、無線接收機6、LCD液晶顯示器7、按鍵8、相機拍照控制模塊9和電源管理模塊10、電池11 ;所述單片機4分別連接所述兩個伺服舵機、無線接收機6、LCD液晶顯示器7、按鍵8、相機拍照控制模塊9、電源管理模塊10、電池11 ;電池11還與電源管理模塊10連接。所述單片機4選取dsPIC30F6015型號，用于編譯和解算控制命令，控制與其相連接各部分完成任務和功能；所述兩個伺服舵機與檢測云臺2連接，主要用來控制檢測云臺2的角度轉動，實現對目標物照片的準確獲取；所述無線接收機6主要用于與地面站之間的控制命令和信息的交互；所述IXD液晶顯示器7主要用于展示電池11及各機載設備電源情況；所述按鍵8為一簡單人機交互設置，為多個輕觸式開關，主要可進行通電、斷電和自動拍照控制設備的一些簡單命令設置，如拍照間隔時間選取、角度選取、快門速度選取等，其他控制命令仍需通過地面站設置并無線傳輸；所述相機拍照控制模塊9與相機相連，為控制相機快門進行拍照的結構；如圖3所示，所述電源管理模塊10與電池11相連，所述電源管理模塊10還與控制電路電源16、攝像頭電源15、照相機電源14、云臺舵機電源13、圖傳電源12連接，所述電源管理模塊10主要是對照相機電源14，圖傳電源12，控制電路電源16，攝像頭電源15，云臺舵機電源13進行監控與管理。電池11最大提供電壓為12V，通過電源管理模塊10向圖傳電源12提供12V電壓、云臺舵機電源13提供5V電壓、照相機電源14提供7.4V電壓、攝像頭電源15提供12V電壓、控制電路電源16提供5V電壓。如圖7所示，上述一種電力巡線無人機自動拍照控制設備所采用的控制方法，具體步驟如下:步驟(I):啟動，系統初始化；步驟(2):參數設定，所述參數包括步進值、對焦時間、照片數量、第一伺服舵機21或第二伺服舵機5需要轉動的角度的范圍、電源電量報警值；步驟(3):判斷控制指令是手動還是自動，如果是手動就遠程無線控制，結束；如果是自動就進入步驟(4);步驟(4):計算巡檢時檢測云臺2的垂直方向搖擺角度范圍與水平方向轉動角度范圍；步驟(5):根據步驟(2)的預設參數進行步進自動拍照；步驟(6):結束。所述步驟(4)中計算方法如下:如圖4所示，無人機飛行距地面高度為H，桿塔18高度為h，無人機巡檢時飛行位置17在地面的垂直投影與輸電導線19間垂直距離為d，設定巡檢時檢測云臺2的垂直方向搖擺角度范圍為Ct1 α2，則應滿足:a ^arctan[ (H~h) /d], a 2=arctan (H/d),如圖5和6所示，桿塔18最寬處寬度為a，無人機巡檢時飛行位置17在地面的垂直投影與輸電導線19間垂直距離為d，無人機巡檢時飛行位置17在地面的垂直投影與桿塔18間垂直距離為b，輸電導線19檔距為L，設定巡檢時巡檢云臺2水平方向轉動角度范圍為P1 β2，則應滿足:β ^arctan (d/b) , β 2=arctan[ (a+d) /b],而無人機在拍攝輸電導線的圖片時，為沿導線弧垂方向勻速緩慢前行途中拍攝，記無人機飛行速度為V，所用相機鏡頭的拍攝廣角為Y，飛行過程中，檢測云臺2角度不變，一般取[(β /2]，此時，應設定拍攝時間間隔為Δ t=0.6 {d/tan [ (β1+β2)/2-γ/2] -d/tan [ ( β1+β2)/2+γ/2]}/ν綜上所述，步驟(4)中最終算出的無人機在拍攝桿塔圖片時，所述兩個伺服舵機所需要轉動角度:垂直方向搖擺角度范圍O1 α2，水平方向轉動角度范圍為β2;無人機在拍攝輸電導線的圖片時，設定拍攝時間間隔為Λ t。Δ t=0.6 {d/tan [ (β1+β2)/2-γ/2] -d/tan [ ( β1+β2)/2+γ/2]}/ν綜上所述，步驟(4)中最終算出的無人機在拍攝桿塔18圖片時，所述兩個伺服舵機所需要轉動角度:垂直方向搖擺角度范圍α2，水平方向轉動角度范圍為β2。如圖8所示,所述步驟(5)的具體步驟如下:步驟(5-1):自動拍照開始，檢測云臺2自動設定垂直位置與水平位置初始角度拍照模式，俯仰值i=0，水平值j=0 ；步驟(5-2):判斷i%2==0是否成立，如果是就進入步驟(5-3);如果否就執行(5-4)；步驟(5-3):對焦，拍照，水平方位角加步進值P，j++;判斷j〈Y是否成立，Y為照片數量，如果成立就返回步驟(5-3);如果不成立就進入步驟(5-5)；步驟(5-4):對焦，拍照，水平方位角減步進值P，j++;判斷判斷j〈Y是否成立，Y為照片數量，如果成立就返回步驟(5-4);如果不成立就進入步驟(5-5)；步驟(5-5):俯仰方位角加步進值W ;i++，判斷i〈X是否成立，X為對焦時間，如果是就返回步驟(5-2 );如果 否就將檢測云臺2的俯仰與水平位置復位，結束。所述俯仰步進值W的計算方法為:
rrr a2-alr=了所述水平步進值P的計算方法為:
jy β —β,P= j
f其中，X:桿塔俯仰方位分割值，Y:桿塔水平方位分割值；α 1:檢測云臺俯仰角度上，從檢測云臺初始化位置轉到桿塔的最上方的角度；α2:檢測云臺俯仰角度上，從檢測云臺初始化位置轉到桿塔的最下方的角度；β !:檢測云臺水平角度上，從檢測云臺初始化位置轉到桿塔的最左邊的角度；β 2:檢測云臺水平角度上，從檢測云臺初始化位置轉到桿塔的最右方的角度。上述雖然結合附圖對本實用新型的具體實施方式
進行了描述，但并非對本實用新型保護范圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本實用新型的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本實用新型的保護范圍以內。
權利要求1.一種電力巡線無人機自動拍照控制設備，其特征是，它包括安裝在無人機體前端的兩根平行的金屬桿，兩根金屬桿通過支架連接，支架上方安裝盒體，盒體下方通過第一伺服舵機安裝檢測云臺，第一伺服舵機控制檢測云臺水平轉動，檢測云臺正下方設有相機托，相機托的前后搖擺通過第二伺服電機來控制，所述相機托上設有照相機，盒體內安裝控制電路和電池。
2.如權利要求1所述的一種電力巡線無人機自動拍照控制設備，其特征是，所述檢測云臺包括兩個倒U形機械手，所述兩個機械手通過若干橫桿連接，所述兩個機械手的末端通過固定裝置連接，圓弧形相機托安裝在所述兩個固定裝置的中心圓孔上，第二伺服舵機固定在至少一個固定裝置的外側，第二伺服舵機穿過固定裝置的中心圓孔控制相機托的搖擺，所述相機托的圓心角大于180°，所述相機托的圓弧的兩個開口端向圓心內延伸，所述機械手上設有若干大圓孔和小圓孔，所述橫桿的兩端和固定裝置的兩端分別固定在兩個機械手的小圓孔上。
3.如權利要求2所述的一種電力巡線無人機自動拍照控制設備，其特征是，所述固定裝置為矩形鐵片，所述矩形鐵片的四個邊成內凹的圓弧形，所述矩形鐵片的中心處為圓孔。
4.如權利要求1所述的一種電力巡線無人機自動拍照控制設備，其特征是，所述控制電路包括單片機、所述兩個伺服舵機、無線接收機、LCD液晶顯示器、按鍵、相機拍照控制模塊和電源管理模塊、電池；所述單片機分別連接所述兩個伺服舵機、無線接收機、LCD液晶顯示器、按鍵、相機拍照控制模塊、電源管理模塊、電池；電池還與電源管理模塊連接。
5.如權利要求4所述的一種電力巡線無人機自動拍照控制設備，其特征是，所述兩個伺服舵機與檢測云臺連接。
6.如權利要求4所述的一種電力巡線無人機自動拍照控制設備，其特征是，所述按鍵為為多個輕觸式開關；所述相機拍照控制模塊與相機相連；所述電源管理模塊與電池相連，所述電源管理模塊還與控制電路電源、攝像頭電源、照相機電源、云臺舵機電源、圖傳電源連接，所述電源管理模塊主要是對照相機電源，圖傳電源，控制電路電源，攝像頭電源，云臺舵機電源進行監控與管·理。
專利摘要本實用新型公開了一種電力巡線無人機自動拍照控制設備，固定于無人機機體前端的金屬結構上，位于檢測云臺的上方，主要由控制電路和電池兩部分構成，所述控制電路和電池放置于盒體內；所述控制電路包括單片機、伺服舵機、無線接收機、LCD液晶顯示器、按鍵、相機拍照控制模塊和電源管理模塊、電池；所述單片機分別連接伺服舵機、無線接收機、LCD液晶顯示器、按鍵、相機拍照控制模塊、電源管理模塊、電池；電池還與電源管理模塊連接。本實用新型在無人機電力巡檢過程中實驗和實際需求中提煉出來的，能夠完成無人機在電力巡線中高效、快速、簡易的拍照操作。
文檔編號G05D3/12GK203102023SQ20132013868
公開日2013年7月31日 申請日期2013年3月25日 優先權日2013年3月25日
發明者王騫, 宋永吉, 鄭天茹, 張晶晶, 魏傳虎 申請人:山東電力集團公司電力科學研究院, 國家電網公司