一种基于无人机控制的压接金具检测系统及方法

技术领域

本发明提供一种基于无人机控制的压接金具检测系统及方法，属于压接金具检测技术领域。

背景技术

目前钢芯铝绞线作为输送电力的主要载体，保证其稳定运行对电网安全非常重要，而承担线缆张力、连接线路等作用的耐张线夹、接续管等压接金具作为输电线路中的重要部件，一经投入使用便不可拆卸，部件内部损伤状态及压接质量的好坏将直接影响电力传输的安全，如将压接不合格的金具投入使用，在大负荷运行状态下使得线缆极易发生局部过热现象，在大风、覆冰或受外力破坏时更易发生线缆的损伤甚至断裂事故。

针对该问题，需要对压接金具进行频繁的目视及探伤检测，目前针对压接金具的检测主要依靠检修人员登塔操作，并将X光无损探伤装置拖拽至导线上进行检测，这种检测方式效率低、错误率高，工作强度高，并且存在高坠、辐射等隐患。

发明内容

本发明为了克服现有技术中存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种基于无人机控制的压接金具检测系统结构及检测方法的改进。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于无人机控制的压接金具检测系统，包括无人机，所述无人机的底部挂载有吊舱，所述吊舱上还设置有边缘计算装置，所述吊舱的中心位置还向下延伸设置有机械抓手；

所述吊舱的两端对称设置有吊板，在其中一个吊板的内侧活动设置有射线源，在另一个吊板的内侧活动设置有探测器，使射线源与探测器分别设置在机械抓手的两侧；

所述吊板的内侧和外侧还设置有传感器组；

所述边缘计算装置通过导线还分别与无人机、机械抓手、射线源、探测器、传感器组的控制端相连。

所述无人机的底部还设置有多个连杆，所述连杆上还设置有电磁铁，所述电磁铁能够通过通断电控制连杆与吊舱接触和分离。

所述连杆具体为空心杆，所述吊舱上还设置有多个盘线器，所述无人机的底部向下延伸设置有牵引绳，所述牵引绳的延伸端穿过连杆的空心部后缠绕在盘线器上。

所述机械抓手具体包括机械臂、机械手和多个滚轮，所述机械手活动安装在机械臂的延伸端上，所述机械臂的固定端安装在吊舱的底部；

滚轮通过转动轴对称分布设置在机械手的内侧，所述转动轴的驱动端与驱动电机相连，所述驱动电机的控制端通过导线与边缘计算装置相连，通过控制驱动电机带动滚轮转动，并通过滚轮与导线之间的摩擦带动机械手和机械臂，进而带动吊舱相对于导线向前、后方向移动。

所述其中一个吊板的内侧的中部还设置有上下方向的第一滑轨，所述另一个吊板的内侧的中部还设置有上下方向的第二滑轨，所述第一滑轨与第二滑轨对称设置；

所述射线源活动设置在第一滑轨上；

所述探测器活动设置在第二滑轨上。

所述传感器组包括设置在吊板外侧的至少两个第一外部传感器、至少两个第二外部传感器，且设置的各个第一外部传感器位于同一竖直线上，设置的各个第二外部传感器位于同一竖直线上，各个第一外部传感器与各个第二外部传感器对称设置并一一对应；

还包括设置在吊板底部的下部传感器；

还包括设置在吊板内侧的至少四个内部传感器，各个内部传感器均匀分布设置在吊板内侧。

一种基于无人机控制的压接金具检测方法，包括如下检测步骤：

步骤一：控制边缘计算装置开启自主检测模式，通过传感器组采集定位导线的空间位置，同步控制调整无人机的飞行位置，控制吊舱将机械抓手固定在导线上；

步骤二：当机械抓手固定在导线上后，断开电磁铁的电源，放松盘线器，控制机械手内侧的滚轮转动，由机械抓手带动吊舱沿导线的轴向方向移动，同时控制射线源对导线进行分段图像拍摄，并将图像数据发送至边缘计算装置；

步骤三：当边缘计算装置判断图像拍摄完成后，所述边缘计算装置控制盘线器缠绕牵引绳将无人机拉回，直至连杆与无人机的底部接触，然后打开电磁铁的电源，连杆受到磁吸使得无人机将吊舱提起，使得机械抓手收回，操控无人机起飞；

步骤四：当无人机起飞后，再次控制传感器组定位导线的位置，所述边缘计算装置控制无人机的飞行位置，直至无人机回到起始位置后，检测装置结束自主检测模式。

所述步骤一中通过传感器组采集定位导线空间位置的具体方法为：通过控制传感器组采集以下距离数据：

定义并获取导线与位于吊板最顶部的第一外部传感器的距离为S11；

定义并获取导线与位于吊板最底部的第一外部传感器的距离为S12；

定义并获取导线与位于吊板最顶部的第二外部传感器的距离为S21；

定义并获取导线与位于吊板最底部的第二外部传感器的距离为S22；

定义并获取导线与一侧的下部传感器距离为S3；

定义并获取导线与另一侧的下部传感器距离为S4；

定义并获取导线与四个内部传感器距离分别为S5、S6、S7、S8；

并执行以下控制规则：

当检测到S11＜S12，且下部传感器没有检测到信号时，则判断检测装置在导线右下方，由边缘计算装置控制无人机提升高度；

随着高度提升，当检测到S11＞S12，且S12逐渐减小，后又增大，当S12＞400cm时，且下部传感器检测到信号时，判断检测装置在导线右上方，边缘计算装置控制无人机向左飞行；

当检测到S3=S4时，判断检测装置在导线正上方，边缘计算装置控制无人机向下飞行；

当检测到S5＜50cm、S6＜50cm、S7＜50cm、S8＜50cm时，判断导线在吊舱内部，边缘计算装置控制吊舱将机械抓手固定在导线上。

所述步骤二中控制射线源对导线进行拍摄的具体方法为：

控制机械抓手带动吊舱沿导线移动，每移动5cm时控制滚轮停止滚动，并控制射线源发射一次射线；

由边缘计算装置同步对探测器接收到的图像信号进行信号增强及降噪处理，并检测图像的清晰度；

当边缘计算装置检测到图像清晰度合格后，边缘计算装置控制机械抓手带动吊舱继续向前移动，进行特征提取和特征比对；

当边缘计算装置确认耐张线夹全部拍摄完成后，进行图像合成，形成完整的耐张线夹检测图像。

所述步骤二中控制射线源对导线进行拍摄的具体方法为：

控制机械抓手带动吊舱沿导线移动时，同步控制机械抓手与吊舱连接处的电机相对运动，控制吊舱相对于导线左右转动，将从不同角度拍摄的图像通过边缘计算装置进行三维合成处理，形成三维图像。

本发明相对于现有技术具备以下的有益效果：

一、本发明采用搭载有边缘计算装置的高空无人机作业，可以实时接收无人机X射线成像吊舱内外部设置的多个超声波传感器反馈数据，用于计算无人机到导线的距离数据，得到导线与无人机的相对位置，并自主控制无人机准确飞至检测位置，待检测完成后安全飞出，避免了人工因远距离操作带来的失误，提升检测效率，并规避了高坠、辐射等不安全因素；

二、本发明通过设置机械臂能够带动设置有X射线成像装置的吊舱，控制吊舱沿导线轴向方向前后移动，并将多张采集照片进行合成，将整个耐张线夹各部位的影像全部拍全，不会因成像吊舱的位置移动困难导致漏拍；

三、本发明通过机械臂带动X射线成像吊舱整体转动，能够将采集到的图像进行三维合成，实现从多个角度观测线夹的压接质量，使得更加完整和直观分析线夹状态；

四、本发明将无人机机身与X射线成像吊舱通过电磁体和牵引绳进行软连接，在进行X射线拍照时，能够最大程度的减小无人机由于飞行不稳定产生的影响，使得拍照对焦成效更加清晰。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步说明：

图1为本发明检测装置的结构示意图；

图2为本发明检测装置中滚轮的结构示意图；

图中序号：10为无人机、11为机械抓手、111为机械臂、112为机械手、113为滚轮、12为吊舱、13为射线源、14为探测器、15为传感器组、151为第一外部传感器、152为第二外部传感器、153为下部传感器、154为内部传感器、16为边缘计算装置、17为连杆、18为电磁铁、19为盘线器、20为牵引绳、21为第一滑轨、22为第二滑轨、23为导线。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为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装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”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。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。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。

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1和图2所示，本发明涉及一种自动化检测系统和方法，主要用于检测电网输电线路中的压接金具如耐张线夹结构状态，采用无人机搭载小型化无损检测装置和边缘计算装置的方式，控制无人机接近导线并进行检测，能够替代人工登高检测，避免了人工远距离操作带来的失误，提高检测效率和安全性。

进一步的，本发明采用的自主检测系统主要包括：无人机、机械抓手、吊舱、射线源、探测器、传感器组等装置，通过无人机携带边缘计算装置，计算分析搭载有X射线源的吊舱内、外部多个超声波传感器采集到与导线感应距离的数据，处理得到导线与无人机的相对位置数据，并自主控制无人机准确飞至检测位置，检测完成后安全飞出，检测系统通过机械臂带动X射线成像吊舱沿导线前后移动并拍照，将多张路径上的照片进行合成，得到整个耐张线夹部位影像，避免漏拍，从而获取耐张线夹的探伤影像数据并进行分析与储存。

进一步的，如图1所示，本发明提供的检测系统主要包括无人机10和机械抓手11，还包括吊舱12、射线源13、探测器14、传感器组15；

在吊舱12上设置有边缘计算装置16，吊舱12与无人机10相连接，且吊舱12内设置有机械抓手11；

所述射线源13位于机械抓手11的一侧，且射线源13与吊舱12的一内壁滑动连接；

所述探测器14位于机械抓手11的另一侧，且探测器14与吊舱12的另一内壁滑动连接；所述传感器组15设置在吊舱12上。

通过无人机10携带的边缘计算装置16，实时接收传感器组15采集的距离数据并进行分析计算，得到与导线23距离数据，并确定导线23与无人机10的相对位置，能够自主控制无人机10准确飞行至检测位置，并在检测完成后安全飞出。

进一步的，所述传感器组15内设置的传感器均为超声波传感器，具有频率高、波长短、绕射现象小、方向性好等优点，能够准确定位导线23的位置，保证检测结果的准确性。

进一步的，本发明使用的射线源13具体为X射线源，可采用微波等离子增强化学气象沉积法制作的碳纳米管作为阴极，用于产生X射线。

进一步的，本发明使用的探测器14为闪烁型数字平板探测器，用于接收射线源13发出的X射线。

进一步的，所述边缘计算装置16具体为人工智能边缘计算装置，用于分析导线23所处的坐标位置，控制无人机10飞行、机械抓手11的运动和X射线源发射X射线，边缘计算装置16还支持对获取的X射线影像进行图像质量分析、影像合成和探伤缺陷判断等功能。

作为一种实施例，本发明使用的连杆17具体为中空腔体，至少将四个连杆17对称设置在无人机10的下方；

另外设置电磁铁18固定在连杆17上，且至少设置四个电磁铁18与吊舱12磁性连接。

通过设置中空的连杆17，并设置电磁铁18，以使无人机10与吊舱12磁性连接，通过控制电磁铁18的通断电，即可控制无人机10与吊舱12的连接状态，便于远距离操作，使用简单方便。

进一步的，吊舱12上也可设置与连杆17对应的电磁铁18，上下两块电磁铁18通电后相互吸引，使得磁力更强，保证无人机与吊舱的连接强度，提高结构连接的可靠性。

作为另一种实施例，本发明至少将四个盘线器19设置在吊舱12上；

所述牵引绳20的一端与无人机10相连接，将牵引绳20穿过连杆17后，使牵引绳20的另一端缠绕在盘线器19上。

通过设置盘线器19和牵引绳20能够在检测完毕后将无人机10拉回到吊舱位置，电磁铁18通电后无人机10即可与吊舱12连接。无人机机身吊舱通过电磁体18和牵引绳20实现软连接，在射线源13拍照时，不会受到无人机飞行不稳定的影响，对焦成效更加清晰。

进一步的，无人机10内部还设置有牵引绳挂钩，用于固定牵引绳，拆装方便，使得牵引绳20连接稳定。

盘线器19具体为电动盘线器，开启后能够自动缠绕牵引绳20，无需手动操作，满足高空检测的使用需求。

作为另一种实施例，本发明设置机械臂111与吊舱12活动连接，并设置机械手112与机械臂111活动连接；

同时将至少六个滚轮113对称设置在机械手112上，且滚轮113与机械手112采用传动连接。

使用时通过机械手112抓紧导线23，配合机械臂111的转动，能够带动吊舱12沿导线23的轴向方向移动，从而在不同位置进行检测，扩大检测范围，提高检测效率。

进一步的，本发明提供的机械臂抓手包含6个自由度，使前端的机械手112可以在X射线成像吊舱内部任意位置抓取导线，所述机械臂111安装在吊舱12内侧的顶部。控制机械手112抓紧导线23后，可带动吊舱12转动，所述机械手112内侧还设置有滚轮113，用于在电机驱动下确保机械臂111带动吊舱12沿导线23的轴向方向移动。

进一步的，滚轮113通过转动轴对称分布设置在机械手112的内侧，所述转动轴的驱动端与驱动电机相连，所述驱动电机的控制端通过导线与边缘计算装置相连，通过控制驱动电机带动滚轮113转动，并通过滚轮113与导线23之间的摩擦带动机械手112和机械臂111，进而带动吊舱12相对于导线23向前、后方向移动。

作为另一种实施例，本发明设置第一滑轨21与吊舱12的一内壁滑动连接，且射线源13设置在第一滑轨上；另外设置第二滑轨22与吊舱12的另一内壁滑动连接，且探测器14设置在第二滑轨上。

使用时通过将射线源13和探测器14分别与第一滑轨21和第二滑轨22连接，使射线源13和探测器14可以上下移动，扩大检测范围，提升装置的检测适应性。

进一步的，将第一滑轨21和第二滑轨22设置为伸缩结构，使射线源13和探测器14可在电机驱动下在吊舱两侧移动，当检测垂直排列的双分裂导线时，第一滑轨21和第二滑轨22可以向下伸长到相应的检测位置。

作为另一种实施例，本发明提供的第一外部传感器151至少设置两个，至少两个第一外部传感器151位于同一竖直线上；所述第二外部传感器152至少设置两个，至少两个第二外部传感器152位于同一竖直线上，并将第二外部传感器152与第一外部传感器151对称设置，使各个第二外部传感器152与各个第一外部传感器151一一对应设置；

将下部传感器153设置为两个，所述下部传感器153对称设置在吊舱两侧壁的底部；

将内部传感器154设置为至少四个，所述内部传感器154对称设置在吊舱12的两个内侧壁上。

具体的，其中一种实施例在吊舱12内至少设置有十个传感器，且每个传感器信号均进行独立编码，其中六个在外侧，分别是左侧外部上沿一个，下沿一个，两个沿中线成垂直排列；右侧外部上沿一个，下沿一个，两个沿中线成垂直排列；左侧下部一个，右侧下部一个，两个成水平排列，吊舱内部各个顶点各一个。

本发明另外还提供有一种导线检测方法，主要包括以下检测步骤：

由操作员控制检测装置飞行至待测导线23附近后，检测装置切换为自主检测状态；

检测装置处于自主检测状态后，由传感器组15定位导线23的位置，边缘计算装置16控制无人机10的飞行位置，机械抓手11将吊舱12固定在导线23上；

当吊舱12固定在导线23上后，断开电磁铁18的电源，放松盘线器19，机械手112内侧的滚轮113转动，带动吊舱12沿导线23移动，并控制射线源13对导线23进行分段图像拍摄；

当边缘计算装置16判断图像拍摄完成后，边缘计算装置16控制盘线器19缠绕牵引绳20将无人机10拉回，直至连杆17与无人机10的底部接触；

当连杆17与无人机10的底部接触后，打开电磁铁18的电源，使吊舱12与无人机10磁性连接；

当吊舱12与无人机10磁性连接后，收回机械抓手11，操控无人机10起飞；

当无人机10起飞后，由传感器组15定位导线23所处位置，边缘计算装置16控制无人机10的飞行位置，直至无人机10回到起始位置后；

当无人机10回到起始位置后，检测装置关闭自主检测状态；

当自主检测模式结束后，检测装置再次转换为操作员控制检测装置自由飞行。

进一步的，在使用检测装置进行测量时，控制检测装置飞行至待测导线旁3~4m处，吊舱两旁的超声波传感器即可检测到导线位置，然后自行开启自主检测模式，通过超声波传感器定位导线位置，由边缘计算装置控制无人机的飞行位置，通过机械抓手将吊舱移动至导线位置，机械抓手固定导线后，由X射线源和闪烁型数字平板探测器根据导线位置，在第一滑轨和第二滑轨上自行移动至与导线相同的水平高度；此时断开电磁铁的电源，放松电动盘线器，机械手内侧橡胶滚轮转动，分段进行X图像拍摄，由边缘计算装置判断拍摄完成后，控制电动盘线器牵引收回无人机，与电磁铁接触后通电，将X射线成像吊舱与无人机固定，收回机械臂，无人机起飞，通过超声波传感器定位导线所处的空间位置，通过边缘计算装置控制无人机位置，控制无人机回到起始位置，结束自主检测模式，转换为手动操控。

进一步的，装置在实际进行测量时，为测量传感器组与待测导线之间的距离，定义并获取导线与位于吊板最顶部的第一外部传感器的距离为S11，定义并获取导线与位于吊板最底部的第一外部传感器的距离为S12，待测导线与左侧的下部传感器距离为S3，待测导线与右侧的下部传感器距离为S4，待测导线与内部4个超声波传感器距离为S5、S6、S7、S8；

当检测到S11＜S12，且下部传感器没有检测到信号时，则判断检测装置在导线右下方，由边缘计算装置控制无人机提升高度；

随着高度提升，当检测到S11＞S12，且S12逐渐减小，后又增大，当S12＞400cm时，且下部传感器检测到信号时，判断检测装置在导线右上方，边缘计算装置控制无人机向左飞行；

当检测到S3=S4时，判断检测装置在导线正上方，边缘计算装置控制无人机向下飞行；

当检测到S5＜50cm、S6＜50cm、S7＜50cm、S8＜50cm时，判断待测导线在吊舱内部，边缘计算装置控制机械抓手将吊舱固定在导线上。

进一步的，当检测到

机械抓手带动吊舱沿导线移动，每移动5cm时滚轮停止滚动，控制射线源发射一次射线；

边缘计算装置同步对探测器接收到的图像进行增强及降噪处理，并检测图像的清晰度；

当边缘计算装置检测到图像清晰度合格后，边缘计算装置控制机械抓手带动吊舱继续向前移动，进行特征提取和特征比对；

当边缘计算装置确认耐张线夹全部拍摄完成后，进行图像合成，形成完整的耐张线夹检测图像。

进一步的，分段进行X图像拍摄时，边缘计算装置控制机械手内部橡胶滚轮转动，带动X射线成像吊舱向绝缘子串方向移动，每移动5cm停止，并激发小型X射线源，边缘计算装置同步对平板探测器接收到的图像进行信号增强及降噪处理，直到检测图像清晰度合格后，X射线成像吊舱继续向前移动，如果图像不合格，则再次进行拍摄；最后通过特征提取及比对，由边缘计算装置确认耐张线夹全部拍摄完成后，进行图像合成，形成完整的耐张线夹检测图像。

本发明在分段检测时可进行多角度拍摄，通过机械抓手与吊舱连接处电机相对运动，控制吊舱相对于导线左右转动，将不同角度拍摄的图像通过边缘计算装置进行三维合成，形成三维图像。

进一步的，在进行分段X图像拍摄时，可进行多角度拍摄，通过机械抓手与X射线成像吊舱连接处电机相对运动，控制X射线成像吊舱左右转动，将不同角度拍摄的X图像通过人工智能边缘计算装置进行三维合成，形成三维图像。

针对上述内容，本领域技术人员容易理解的是，在实现效果不冲突的前提下，上述各实施例或优选方案公开的各种技术手段可以自由组合叠加，以形成符合逻辑的新的技术手段，以上仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。以上仅是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本申请的保护范围。