一种智能巡检无人机降落系统及降落方法

技术领域

本发明涉及电力巡检技术领域，尤其涉及一种智能巡检无人机降落系统及降落方法。

背景技术

电力巡检是指对电力线路及附属设备的运行状态以及对电力线路走廊周边环境状况进行及时和准确的巡视检测，通过排查发现故障点，便于对危及电力安全的潜在隐患进行有效排除，确保输电线路安全可靠运行。通过人工进行巡检，巡线人员工作量会非常大、劳动强度高、巡线时间长，巡线效率也较低。同时，在复杂气候地形情况下，人工巡检作业非常困难，受到比较大的限制。基于此，出现了无人机电力巡检，通过无人机进行巡检具有安全可靠，高效灵活，成本低廉的特性，正在逐步代替人工巡检。

无人机巡检过程中，无人机降落地点的定位主要依赖GPS及PTK技术。智能巡检设备通过GPS装置，可以大致降落在指定位置，但由于受信号影响大，最终定位误差便比较大，在信号极好的情况下，也会存在米级的误差。通过搭配PTK设备，可将定位误差控制在厘米级，但是由于智能巡检设备降落时需要不断调整自身姿态，依然存在一定的误差。此外，定位效果还会受到障碍物以及电磁干扰的影响。

在实现本发明过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下问题：

无人机进行电力巡检中，无人机的降落系统存在较大误差，精度难以满足降落需求，影响了无人机的正常降落。

发明内容

本发明的目的在于提供一种智能巡检无人机降落系统及降落方法，以解决现有技术中存在的无人机进行电力巡检中，无人机的降落系统存在较大误差，精度难以满足降落需求，影响了无人机的正常降落的技术问题。本发明提供的诸多技术方案中的优选技术方案所能产生的诸多技术效果详见下文阐述。

为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：

本发明提供的一种智能巡检无人机降落系统，包括地面视觉标志、处理模块、可见光导航设备、红外导航设备和卫星导航设备；所述地面视觉标志由多个圆形和正方形组合构成，并对所述圆形、正方形填充黑色或白色，且设置有加热部；所述卫星导航设备能够引导巡检无人机到达地面视觉标志的上方，对无人机的降落位置进行预定位；所述可见光导航设备能够获取地面视觉标志的可见光图像，所述红外导航设备能够获取地面视觉标志的红外图像；所述处理模块能够对可见光图像、红外图像进行处理，并通过飞行参数调整无人机的飞行状态。

优选的，所述地面视觉标志由内到外包括第一圆形、第二圆形、第三圆形和第一正方形、第二正方形、第三正方形，第一圆形、第二圆形、第三圆形和第一正方形、第二正方形、第三正方形的中心点位置相同。

优选的，所述第一圆形填充为黑色，第所述一圆形、第二圆形形成的第一圆环填充为白色，所述第二圆形、第三圆形形成的第二圆环填充为黑色。

优选的，所述第三圆形和所述第一正方形相切，所述第三圆形外的第一正方形形成第一区域，所述第一区域填充为白色；所述第一正方形、第二正方形形成第二区域，所述第二区域填充为白色；所述第二正方形、第三正方形形成第三区域，所述第三区域填充为黑色。

优选的，所述第一圆形和/或第三区域设置为加热部。

优选的，所述加热部为电热膜，并能够通过对所述电热膜的输入功率调节改变所述电热膜的温度。

优选的，所述智能巡检无人机降落系统还包括旋转式激光测距雷达，所述旋转式激光测距雷达与所述处理模块电性连接，通过比较与所述第一圆形及正下方地面之间的距离，能够判断无人机是否位于所述地面视觉标志的正上方。

优选的，所述卫星导航设备为GPS接收器和/或北斗定位器。

一种智能巡检无人机降落方法，所述降落方法通过本发明的无人机降落系统进行降落，包括以下步骤：

S100：无人机接收地面控制站发出的降落指令及降落的位置信息，并对所述加热部通电进行加热；

S200：无人机通过所述红外导航设备或卫星导航设备飞行至降落场上方，以固定速率下降并通过可见光导航设备采集地面视觉标志的图像；

S300：所述处理模块对S2中采集的每一帧图像转化为灰度图像，并进行二值化处理，得到二值化图像并进行噪点去除；

S400：将去除噪点后的所述二值化图像进行编码，得到N*N阶的二值矩阵，当所述二值矩阵的第一行、最后一行、第一列及最后一列的值均为1时，判断无人机进入所述地面视觉标志的正上方；

S500：所述处理模块根据所述二值矩阵外圈的1值分布情况，对无人机的飞行姿态进行微调；

S600：二值矩阵处理模块判断所述二值矩阵是否为对称矩阵，当所述二值矩阵为对称矩阵时，无人机的飞行姿态不再进行调整，下降高度完成降落。

实施本发明上述技术方案中的一个技术方案，具有如下优点或有益效果：

本发明基于图像识别和卫星导航技术能够快速精准识别地面视觉标志，并通过处理模块完成飞行参数的调整，实现自主精准降落，降落精度可达到厘米级。解决了智能巡检无人机的精准降落问题，提供了低成本的智能巡检无人机降落方案，具有广阔的市场前景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要的介绍，显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，附图中：

图1是本发明智能巡检无人机降落系统实施例的模块示意图；

图2是本发明智能巡检无人机降落系统实施例的视觉标志示意图；

图3是本发明智能巡检无人机降落方法实施例的流程图。

图中：1、第一圆形；2、第二圆形；3、第三圆形；4、第一正方形；5、第二正方形；6、第三正方形；7、第一圆环；8、第二圆环；9、第一区域；10、第二区域；11、第三区域。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下文将要描述的各种示例性实施例将要参考相应的附图，这些附图构成了示例性实施例的一部分，其中描述了实现本发明可能采用的各种示例性实施例。除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。应明白，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明公开的一些方面相一致的流程、方法和装置等的例子，还可使用其他的实施例，或者对本文列举的实施例进行结构和功能上的修改，而不会脱离本发明的范围和实质。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”等指示的是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的元件必须具有的特定的方位、以特定的方位构造和操作。术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。术语“多个”的含义是两个或两个以上。术语“相连”、“连接”应做广义理解，可以是固定连接、可拆卸连接、一体地连接、机械连接、电连接、通信连接、直接相连、通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

为了说明本发明的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分。

实施例一：

本发明提供了一种智能巡检无人机降落系统，如图1所示，包括地面视觉标志、处理模块、可见光导航设备、红外导航设备和卫星导航设备。地面视觉标志由多个圆形和正方形组合构成，并对圆形、正方形填充黑色或白色，且设置有加热部。黑色或白色便于可见光导航设备对采集到的图像进行二值化处理后能够进行快速识别，加热部与红外导航设备配合便于实现快速定位。卫星导航设备能够引导巡检无人机到达地面视觉标志的上方，对无人机的降落位置进行预定位，卫星导航设备的导航精度虽不能达到精准降落的要求，但通过相应坐标参数能够将无人机定位在地面视觉标志上方的大概方位，便于后续精准定位，从而能够提高巡检无人机的降落效率。可见光导航设备能够获取地面视觉标志的可见光图像，可见光导航设备通过采集地面视觉标志的可见光图像能够进行精准定位，红外导航设备能够获取地面视觉标志的红外图像，红外导航设备通过采集加热部的红外图像能够进行地面视觉标志的飞行方位的大致定位。同时，可见光导航设备、红外导航设备相互配合还便于进行夜间电力巡检。处理模块能够对可见光图像、红外图像进行处理，图像处理可采用现有的计算机图形学技术进行，首先将可见光图像转换为灰度图，再通过腐蚀、膨胀算法消除噪点，并通过自适应阈值分割转化为二值化图像，提取出可将光图像的轮廓信息。并通过飞行参数调整无人机的飞行状态。当然，降落系统还包括通信模块，通过该通信模块地面控制站能够对处理模块传输相应的控制指令，实现对无人机的远程控制。本发明智能巡检无人机降落系统基于图像识别和卫星导航技术能够快速精准识别地面视觉标志，并通过处理模块完成飞行参数的调整，实现自主精准降落，降落精度可达到厘米级。解决了智能巡检无人机的精准降落问题，提供了低成本的智能巡检无人机降落方案，具有广阔的市场前景。

作为可选的实施方式，如图2所示，地面视觉标志由内到外包括第一圆形1、第二圆形2、第三圆形3和第一正方形4、第二正方形5、第三正方形6，其中第三正方形6的边长与巡检无人机的尺寸相当。第一圆形1、第二圆形2、第三圆形3和第一正方形4、第二正方形5、第三正方形6的中心点位置相同。第一圆形1填充为黑色(图2中用阴影标出)，第一圆形1、第二圆形2形成的第一圆环7填充为白色，第二圆形2、第三圆形3形成的第二圆环8填充为黑色(图2中用阴影标出)。第三圆形3和第一正方形4相切，第三圆形3外的第一正方形4形成第一区域9，第一区域9填充为白色；第一正方形4、第二正方形5形成第二区域，第二区域填充为白色；第二正方形5、第三正方形6形成第三区域11，第三区域11填充为黑色(图2中用阴影标出)。地面视觉标志通过设置圆形和正方形，布置方便，便于对图像特征进行识别，并间隔填充黑色和白色，便于可见光导航设备进行快速识别和图像二值化处理。

作为可选的实施方式，第一圆形1和/或第三区域11设置为加热部，第一圆形1面积较小，便于巡检无人机通过红外图像在近处对准降落，第三区域11面积较大，便于巡检无人机通过红外图像在远处发现地面视觉标志。加热部工作时，温度大于环境温度(尤其是夏季季节使用时温度会明显大于环境温度，存在明显的温度变化边界，在红外导航设备获取的红外图像中颜色明显不同，对红外图像进行预处理后就能够将其与周围形状进行快速区分)，与卫星导航设备配合使用后，便于降落系统通过红外导航设备快速寻找到地面视觉标志的大致方位，便于实现快速降落。加热部为电热膜，电热膜通过PTC(半导体陶瓷材料)、碳纤维或电热膜产生热量，发热速度快，表面温度可达到60℃。并能够通过对电热膜的输入功率调节改变电热膜的温度。冬季使用时电热膜的输入功率可以稍小，在大部分巡检区域，使电热膜的表面温度达到30℃即可区别于环境温度；夏季时输入功率需要调大，以使电热膜的表面温度能够明显高于环境温度。通过输入功率调节，可以根据环境温度的高度相应调节输入功率的大小，既提高了系统的适用性，又能够节约能源。

作为可选的实施方式，智能巡检无人机降落系统还包括旋转式激光测距雷达，旋转式激光测距雷达能够测量到正下方的距离，通过旋转还能够测量与存在锐角夹角地面之间的距离。旋转式激光测距雷达与处理模块电性连接，通过处理模块对地面视觉标志的红外图像处理，能够获取地面视觉标志的高温区域，处理模块通过调整旋转式激光测距雷达的角度，使旋转式激光测距雷达正对该高温区域，即测量出到该高温区域的距离。通过比较无人机(无人机的几何中心位置)与第一圆形1及正下方地面之间的距离(具体参照点的为加热部的几何中心位置)，即将到视觉标志高温区域的距离与正下方地面之间的距离进行比较，两者数值一致时表明无人机位于地面视觉标志的正上方，当两者数值不一致时，表明无人机还未在地面视觉标志的正上方，因此，通过旋转式激光测距雷达能够判断无人机是否位于地面视觉标志的正上方。当两者距离不一致时，可以根据两种距离夹角的度数及高温区域的坐标坐标，根据红外图像中的某点确定其坐标参数为现有技术，调整无人机的飞行姿态，使其位于地面视觉标志的正上方。当无人机位于地面视觉标志的正上方后，旋转式激光测距雷达能够准确获取无人机与地面之间的高度值，通过调节无人机的飞行参数，便于实现平稳降落。

作为可选的实施方式，卫星导航设备为GPS接收器和/或北斗定位器，GPS接收器或北斗定位器的定位精度一般在10米左右，便于对巡检无人机的降落进行初步定位，通过GPS接收器或北斗定位器的引导，巡检无人机飞至地面视觉标志的上方，便于实现实现后续精准降落。北斗系统的优势主要是在城市高遮挡区的信号可用度更好，首次定位时间更快，GPS接收器、北斗定位器同时安装时，即通过双模导航时，北斗定位器与GPS接收器配合使用更便于实现快速定位，当然也可以根据需要只安装一种卫星导航设备。

实施例二：

如图3所示，本发明提供一种智能巡检无人机降落方法，降落方法通过本发明提供的无人机降落系统进行降落，包括以下步骤：

S100：无人机接收地面控制站发出的降落指令及降落的位置信息，并对加热部通电进行加热；降落的位置信息即为地面视觉标志的坐标位置，对加热部加热便于红外导航设备对降落的位置进行定位。

S200：无人机通过红外导航设备或卫星导航设备飞行至降落场上方，以固定速率下降并通过可见光导航设备采集地面视觉标志的图像；

S300：处理模块对S2中采集的每一帧图像转化为灰度图像，并进行二值化处理，其中0对应白色，1对应黑色，得到二值化图像并进行噪点去除；地面视觉标志为连续几何图案，去除噪点能够避免识别过程中边缘产生的误差。

S400：将去除噪点后的二值化图像进行编码，得到N*N阶的二值矩阵，具体的N值由二值化图像的像素确定，与第三正方形6产生的二值化图像对应，当二值矩阵的第一行、最后一行、第一列及最后一列的值均为1时，即采集到图像最外侧为第三区域11的图像信息，从而能够判断无人机进入地面视觉标志的正上方。

S500：处理模块根据二值矩阵外圈的1值分布情况，对无人机的飞行姿态进行微调；第三区域11中黑色均匀对称分布，因此二值矩阵二值矩阵外圈的1值分布情况也相应均匀对称，当某个方向的1值分布较少时，无人机的位置向该方向微调即可。

S600：处理模块判断N*N阶矩阵是否为对称矩阵，处理模块判断对称矩阵容易实现，当N*N阶矩阵为对称矩阵时，即无人机位于地面视觉标志的正上方，无人机的飞行姿态不再进行调整，下降高度完成降落。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，本领域技术人员知悉，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等同替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明的保护范围。