基于激光雷达的电力设施无人机及巡检方法

技术领域

本发明涉及电力设施巡检领域，特别是一种基于激光雷达的电力设施无人机及巡检方法。

背景技术

近年来，国内输电线路里程大幅增长，通过人工进行巡检劳动强度太高，近年来，国内外学者利用计算机视觉与数字图像处理技术对电力设施进行巡检的方案，但是这些方案尚不成熟，主要还是依赖人工操作。但是人工操作容易发生疲劳，造成事故。例如中国专利文献CN206077604U记载了一种基于无人机的特高压电网建设工程的巡查系统。CN216546698U记载了一种电力检修用巡查无人机。中国专利文献CN114527796A一种无人机仿输电线飞行的方法和系统；CN114219103A一种输电线路智能融合目标检测方法等方案中记载的方案均较为粗略，实施难度较大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于激光雷达的电力设施无人机及巡检方法，能够自动化的对巡检过程中发现的异常情况进行报警，并且报警数据能够包含更多的数据信息，以便于管理和维护人员依据数据信息快速决策，以提高处置的及时性，确保安全性。

为解决上述的技术问题，本发明的技术方案是：一种基于激光雷达的电力设施无人机，包括无人机，在无人机底部设有旋转座，旋转座的底部设有俯仰座，在俯仰座上设有集成光学部件，集成光学部件设有光学摄像头、红外摄像头、亮度传感器和激光雷达组件。

优选的方案中，光学摄像头、红外摄像头和亮度传感器设置在第一主板上，在光学摄像头内设有自动光圈。

优选的方案中，激光雷达组件的发射组件包括半导体激光管阵列，半导体激光管阵列的光路前方设有阵列孔径光阑，阵列孔径光阑之后设有mems微机电组件，mems微机电组件表面设有阵列布置的微型反光板，阵列的激光光束经过微型反光板后从光学组件发出，光学组件包括准直透镜，mems微机电组件以反射调制整体成锥形的激光光束进入准直透镜。

优选的方案中，光学组件中还包括与准直透镜同轴的聚焦透镜，聚焦透镜焦点位置设有反射镜，反射镜的光路之后设有采集模块。

优选的方案中，还设有频率控制器，频率控制器用于根据输入的频率和光强度，控制半导体激光管阵列中各个的半导体激光管的通断。

优选的方案中，在无人机上还设有主控装置、卫星定位系统和陀螺仪；

主控装置与卫星定位系统、陀螺仪、光学摄像头、红外摄像头、亮度传感器和激光雷达组件电连接。

一种采用上述的基于激光雷达的电力设施无人机的巡检方法，包括以下步骤：

S1、根据GIS地图规划无人机的主路径；

S2、无人机依据卫星定位系统导航进行巡查；

S3、陀螺仪辅助路径修正；

S4、路径特征点识别，根据激光雷达组件修正无人机空间位置；

S5、进入特征点子路径；

S6、沿子路径进行巡查；

S7、异常情况判断，若有，进入异常处置程序；

若无，重新进入主路径；

S8、进入下一特征点；

通过以上步骤，完成电力设施无人机的巡检。

优选的方案中，在主路径中，各个杆塔的位置被设置为路径特征点，在每个路径特征点设有特征点子路径，无人机沿着特征点子路径对杆塔进行巡查。

优选的方案中，在主路径中，各个杆塔的部件被设置为热点区域，热点区域设置独立坐标。

优选的方案中，异常处置程序的步骤为：

S01、判断是否存在异常红外影像，若是，则将异常红外影像视野居中；

S02、激光雷达组件向异常位置测距；

S03、根据无人机和距离参数判断具体电力部件；

S04、红外影像异常热点标记；

S05、叠加光学影像标记完整参数后发送报警数据。

本发明的基于激光雷达的电力设施无人机及巡检方法，通过采用专用的集成光学部件，能够大幅降低电力设施巡检的控制复杂程度，提高数据的精度。而且通过集成结构，尤其是半导体激光管阵列的集成结构，能够大幅降低整个集成光学部件的自重，延长无人机的续航时间。本发明的巡检方案，充分利用了GIS、卫星定位系统、陀螺仪和激光雷达组件的各自特点，进一步降低了控制的复杂程度，能够提供安全可靠的巡检数据，防患于未然。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为本发明中无人机的结构示意图。

图2为本发明的集成光学部件的结构示意图。

图3为本发明中激光雷达组件发射部分的结构示意图。

图4为本发明的mems微机电组件的阵列结构示意图。

图5为本发明的激光雷达组件的结构示意图。

图6为本发明的应用示例的无人机巡检方法的流程图。

图7为本发明的异常处置程序的流程图。

图8为本发明的巡检获得的激光电云的示意图。

图中：集成光学部件1，集成面板101，光学摄像头102，红外摄像头103，亮度传感器104，激光雷达组件105，频率控制器106，半导体激光管阵列107，mems微机电组件108，微型反光板109，光学组件110，第一主板111，阵列孔径光阑112，聚焦透镜113，反射镜114，采集模块115，准直透镜116，俯仰座2，旋转座3，无人机4，卫星定位系统5，主控装置6，陀螺仪7。

具体实施方式

实施例1：

如图1~3中，一种基于激光雷达的电力设施无人机，包括无人机4，在无人机4底部设有旋转座3，旋转座3的底部设有俯仰座2，在俯仰座2上设有集成光学部件1，集成光学部件1设有光学摄像头102、红外摄像头103、亮度传感器104和激光雷达组件105。即光学摄像头102、红外摄像头103、亮度传感器104和激光雷达组件105具有同轴的特点。其中激光雷达组件105基于mems微机电组件108具有俯仰±3~10°、左右±3~10°的视野范围。

优选的方案如图2中，光学摄像头102、红外摄像头103和亮度传感器104设置在第一主板111上，在光学摄像头102内设有自动光圈。红外摄像头103采用山田光学深圳有限公司中波制冷型热像机芯YM-TC640和适配镜头。光学摄像头102和红外摄像头103的图像经过放大倍数标定和畸变补偿，以确保光学摄像头102和红外摄像头103的图像精确重叠。具体步骤是，先将红外摄像头103的图像通过软件进行畸变补偿，然后将光学摄像头102的图像进行畸变补偿，之后以补偿后的红外摄像头103的图像为基准，将补偿后光学摄像头102的图像进行软件缩放运算，以使光学摄像头102的图像与红外摄像头103的图像在像素级别一一对齐。设置的亮度传感器104用于检测环境亮度，使光学摄像头102自动调节光圈大小，以获得理想的图像质量。优选的，光学摄像头102与红外摄像头103为同轴布置，二者之间存在视距差，即光学摄像头102与红外摄像头103的视野中心存在误差，通常可以忽略不计，但是为了提高检测精度，可以在获取图像景深参数后，进行像素级移位处理，即移位像素=(同轴误差×图像芯片尺寸/景深参数×总像素数)，以使光学摄像头102与红外摄像头103视野中心精确对齐。

优选的方案如图3、4中，激光雷达组件105的发射组件包括半导体激光管阵列107，半导体激光管阵列107的光路前方设有阵列孔径光阑112，阵列孔径光阑112之后设有mems微机电组件108，mems微机电组件108表面设有阵列布置的微型反光板109，阵列的激光光束经过微型反光板109后从光学组件110发出，光学组件110包括准直透镜，mems微机电组件108以反射调制整体成锥形的激光光束进入准直透镜。半导体激光管阵列107的光路前方设有阵列孔径光阑112，阵列孔径光阑112用于限制激光束的直径边缘。以获得边缘清晰的激光光束。

优选的方案中，mems微机电组件108的扫描视野范围为俯仰±3~10°、左右±3~10°。

优选的方案如图5中，光学组件110中还包括与准直透镜同轴的聚焦透镜113，聚焦透镜113焦点位置设有反射镜114，反射镜114的光路之后设有采集模块115。采用mems微机电组件108的优势在于能够调制出光斑更小的高亮度光束。

优选的方案如图5中，还设有频率控制器106，频率控制器106用于根据输入的频率和光强度，控制半导体激光管阵列107中各个的半导体激光管的通断。在现有技术中，激光光束的频率调制受到半导体激光管的自有响应时间限制，即半导体激光管的调节频率较低，影响了激光雷达的扫描效率，现有技术中也有通过电流调节半导体激光管亮度的方案，但是该方案的控制电路较为复杂，使设备的体积增大，而且该控制方案也容易受到半导体激光管亮度衰减的影响。本发明采用频率控制器106控制半导体激光管阵列107中各个的半导体激光管通断的方式，使输出的合束光束模拟出频率和亮度变化，由于该频率变化是分配至各个半导体激光管组合之后形成，即各个半导体激光管的输出频率要低于合束光束模拟出的频率变化，因此理论上，本发明的半导体激光管阵列107能够输出更高的频率，提高扫描效率，而且通过半导体激光管阵列107输出光束的方案，能够增大光束的功率，以使本发明能够检测到足够远的距离。

优选的方案如图1中，在无人机4上还设有主控装置、卫星定位系统5和陀螺仪7；本例中的主控装置采用

主控装置与卫星定位系统5、陀螺仪7、光学摄像头102、红外摄像头103、亮度传感器104和激光雷达组件105电连接。

实施例2：

如图6中，一种采用上述的基于激光雷达的电力设施无人机的巡检方法，包括以下步骤：

S1、根据GIS地图规划无人机4的主路径；在GIS地图上建立整个巡查路径，将相应的巡查目标作为模型也建立在GIS地图上。优选的方案中，在主路径中，各个杆塔的位置被设置为路径特征点，在每个路径特征点设有特征点子路径，无人机4沿着特征点子路径对杆塔进行巡查。优选的方案中，在主路径中，各个杆塔的部件被设置为热点区域，热点区域设置独立坐标。例如将绝缘子和线路挂点等电力部件作为一个体结构，整个体结构赋予一个独立的坐标。即该体结构范围内的坐标都标记为该坐标，并标注为独立的属性。

S2、无人机4依据卫星定位系统5导航进行巡查；卫星定位系统5包括GPS导航系统或北斗导航系统。

S3、陀螺仪7辅助路径修正；陀螺仪7根据惯导运动轨迹进行辅助的路径修正。

S4、路径特征点识别，根据激光雷达组件105修正无人机4空间位置；优选的，在每个特征点的位置，无人机4对陀螺仪7的累计误差进行修正。即激光雷达组件105获取特征点位置的线杆的激光点云数据，将激光点云数据转换为GIS地图坐标，根据激光雷达组件105与线杆的相对位置获得无人机4的自有坐标，再将无人机4的自有坐标转换为陀螺仪7的坐标，从而对陀螺仪7的累计误差进行修正。

S5、进入特征点子路径；特征点子路径是指无人机4围绕线杆进行巡检的最优路径。沿着特征点子路径，无人机4能够以最短的路径和最少的悬停次数，巡检线杆的全部电力部件。

S6、沿子路径进行巡查；

S7、异常情况判断，若有，进入异常处置程序；

若无，重新进入主路径；

S8、进入下一特征点；

通过以上步骤，完成电力设施无人机的巡检。

优选的方案如图7中，异常处置程序的步骤为：

S01、判断是否存在异常红外影像，若是，则将异常红外影像视野居中；若有多处异常，则选择面积较大的红外影像视野居中；视野居中是通过操作俯仰座2和旋转座3使异常红外影像位于视野的中心。具体算法是先以标签框选异常红外影像，将标签框的中心作为异常红外影像的中心，求取与当前视野中心的差，然后操作俯仰座2和旋转座3以步进的方式动作，根据反馈使标签框的中心与视野的中心对齐。

S02、激光雷达组件105向异常位置测距；

S03、根据无人机4和距离参数判断具体电力部件；由于在主路径中，已经对电力部件赋予了独立的坐标，即位于电力部件体结构的坐标都属于该独立坐标，从而能够识别出对应的电力部件。

S04、红外影像异常热点标记；在优选的方案中，还包括根据测距进行温度修正的步骤，温度修正公式为：T (L，γ)＝T

其中，T

S05、叠加光学影像标记完整参数后发送报警数据。叠加的参数包括塔杆的位置，电力部件的位置及属性，具体的温度，以及相应的图片，以便于工作人员快速决策。

上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。