一種用于高壓輸電線路巡檢的多機協(xié)同四旋翼飛行器系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種用于高壓輸電線路巡檢的多機協(xié)同四旋翼飛行器系統(tǒng)，包括外置主控制器(17)和飛行器模型(13)；所述飛行器模型(13)，包括機身(4)和云臺支架(8)，所述機身(4)上設(shè)置有呈十字分布的四個機翼(1)，每個機翼(1)與無刷電機(2)相連，繼而無刷電機(2)通過無刷電調(diào)(3)與機身(4)相連；機身(4)上方設(shè)置有飛行控制板(5)和飛行控制板安裝棱柱(7)；機身(4)下方設(shè)置有執(zhí)行部件(10)和執(zhí)行部件固定柱(9)。該系統(tǒng)的飛行器體積小、飛行穩(wěn)定、不易出事故，飛行器飛行軌道靈活不受限制，能夠更好地完成輸電線路巡檢工作。
【專利說明】
一種用于高壓輸電線路巡檢的多機協(xié)同四旋翼飛行器系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實用新型涉及新型輸電線路智能巡檢系統(tǒng)，具體地說涉及一種用于高壓輸電線路巡檢的多機協(xié)同四旋翼飛行器系統(tǒng)。【背景技術(shù)】
[0002]輸電線路的巡視與檢修工作一直是電力系統(tǒng)中一項重要的工作，電力巡檢的方式有許多，主要有人工巡檢、無人直升機巡檢、現(xiàn)代智能機器人巡檢等。人工巡檢是當前電力部門最常使用的巡檢方式，但是，卻存在很大的弊端。人工巡檢需要投入人力資源大、檢修耗時長、危險系數(shù)高。無人直升機巡檢可以減少對人力的需求、能夠在地形復雜的空中巡檢，但直升機體型大，巡檢效率低，視角單一，易發(fā)生通信失靈的危險和錯誤判斷的問題?，F(xiàn)代智能機器人巡檢能夠克服惡劣環(huán)境，節(jié)約人力，但只能在特殊地形環(huán)境下使用，限制較大。
[0003]微型四旋翼飛行器近幾十年來發(fā)展迅速，四旋翼飛行器采用四個旋翼作為飛行的直接動力源，旋翼對稱分布在機體的前后、左右四個方向，四個旋翼處于同一高度平面，且四個旋翼的結(jié)構(gòu)和半徑都相同，四個電機對稱的安裝。飛行器主要由機身、機翼、無刷電機、 電子調(diào)速器、和飛行控制板組成，簡單的機械部件組成(僅電機軸承為機械部件)，結(jié)構(gòu)緊湊，能夠產(chǎn)生巨大的升力。四只旋翼可以使陀螺效應和空氣動力扭矩效應均被抵消，不需要專門的反扭矩漿。飛行器體積小、重量輕、載重大，可實現(xiàn)低空飛行不易察覺，所以引起了國內(nèi)外的廣泛關(guān)注，被應用在空中巡邏，監(jiān)控，偵查及通信中繼等軍事任務(wù)和環(huán)境測量、攝影等領(lǐng)域。
[0004]申請?zhí)枮?014206992608的名稱為“一種多旋翼巡檢飛行器及輸電線路巡檢系統(tǒng)” 的實用新型，設(shè)計了一種多旋翼輸電線路巡檢系統(tǒng)，包括多旋翼飛行裝置、落線行走裝置、 巡檢裝置、動作調(diào)整裝置和飛行端無線傳輸接口；飛行端無線傳輸接口分別連接導向攝像機、巡檢攝像機和動作調(diào)整裝置，并無線連接地面設(shè)備；動作調(diào)整裝置連接旋翼和移動機構(gòu)。但是，飛行器需要人工駕駛且系統(tǒng)較為復雜，飛行器體積較大無法近距離巡檢輸電線路，巡檢存在不靈活、無法對輸電線路全方位巡檢的弊端。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本實用新型設(shè)計了一種用于高壓輸電線路巡檢的多機協(xié)同四旋翼飛行器系統(tǒng)。
[0006]本實用新型用于高壓輸電線路巡檢的多機協(xié)同四旋翼飛行器系統(tǒng)，包括外置主控制器17和飛行器模型13;
[0007]所述飛行器模型13,包括機身4和云臺支架8,所述機身4上設(shè)置有呈十字分布的四個機翼1，每個機翼1與無刷電機2相連，繼而無刷電機2通過無刷電調(diào)3與機身4相連;機身4 上方設(shè)置有飛行控制板5和飛行控制板安裝棱柱7,飛行控制板5下方設(shè)置有電池12,飛行控制板5外側(cè)設(shè)置有擋雨棚6;機身4下方設(shè)置有執(zhí)行部件10和執(zhí)行部件固定柱9,執(zhí)行部件10外部設(shè)置有執(zhí)行部件防護罩11;
[0008]所述飛行控制板5上設(shè)置有飛行控制模塊15,飛行控制模塊15用于控制飛行器模型13的飛行姿態(tài)和飛行方向。
[0009]所述執(zhí)行部件10為高清攝像頭10a、紅外線攝像頭10b或噴火器10c中的一種。
[0010]所述飛行控制模塊15由微控制器模塊15a、姿態(tài)測量模塊、電源模塊15d、電機驅(qū)動模塊15e、無線通訊模塊15f、GPS模塊15g組成;微控制器模塊15a為時鐘頻率為50MHZ以上的單片機，其他電子器件以微控制器模塊15a為中心，連接到微控制器模塊15a，與微控制器模塊15a建立通信;姿態(tài)測量模塊由加速度傳感器15b、角速度傳感器15c、數(shù)字氣壓傳感器、三軸磁強計組成；電源模塊15d和電機驅(qū)動模塊15e共同用于控制飛行器電池為無刷電調(diào)和電機供電；無線通訊模塊15f為nRF24L01無線模塊器件，其發(fā)射電路通過LC振蕩電路構(gòu)成，用于發(fā)射和接收無線電來實現(xiàn)主控制器17和飛行器模型13的通信;GPS模塊15g用于測定飛行器的具體方位。
[0011]電源模塊15d同時連接微控制器模塊15a和電池12，用于解鎖電池12。
[0012]電機驅(qū)動模塊15e用于解鎖無刷電機2。
[0013]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型具有以下有益效果:[〇〇14]1、采用飛行器自主飛行的控制方式，避免了人工巡檢浪費大量的人力財力，尤其是在多山地區(qū)的傳輸線路，更能發(fā)揮飛行器的優(yōu)勢。四旋翼飛行器可以通過主控制器的控制實現(xiàn)協(xié)同飛行作業(yè)，可以形成較為完備的輸電線路空中故障檢測系統(tǒng)。有助于更快發(fā)現(xiàn)問題，更好解決問題。
[0015]2、相比于其他復雜的智能巡檢系統(tǒng)，本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，通信協(xié)同方式較為簡單，易于操作，具有較大的靈活性?，F(xiàn)有智能巡檢系統(tǒng)需要多重裝置，飛行器內(nèi)部還需設(shè)置機艙以滿足人員控制多種裝置。本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單而清晰，控制方便，飛行器飛行路線靈活，可以多角度、全方位的拍攝輸電線路的全貌，并對一些短路停電事故進行及時的處理。
[0016]3、可以實現(xiàn)全天候、多角度、全方位的線路巡檢，飛行方式設(shè)計時采用飛行器在輸電線路斜上方飛行且多架小型四旋翼飛行器，在線路兩側(cè)同時進行巡檢，這樣可以采集在同一時間條件下的不同角度的圖像，合成立體3D圖，可以更全面的巡檢輸電線路;任務(wù)執(zhí)行系統(tǒng)結(jié)合兩種攝像機的優(yōu)點，采用紅外攝像機與高清攝像機相結(jié)合的方法，利用紅外攝像機的“夜間優(yōu)勢”與高清攝像機“日間高清晰度”的特點，配合使用，可以實現(xiàn)全天候的巡檢。
[0017]4、飛行器體積小，也不會造成輸電線路相間短路和人員傷亡。如今大部分的無人飛行器巡檢事故是由于飛行器失聯(lián)造成的，大型飛行器失聯(lián)會造成輸電線路相間短路和人員傷亡。本系統(tǒng)采用的飛行器體積小，即使發(fā)生失聯(lián)也不會造成輸電線路相間短路和人員傷亡，使用安全可靠?！靖綀D說明】[0〇18]圖1為本實用新型的整體結(jié)構(gòu)不意圖；
[0019]圖2為本實用新型的側(cè)視圖；
[0020]圖3為本實用新型的系統(tǒng)方框圖；
[0021]圖4為主控制器與飛行器模型之間的集中式應用共享方式示意圖。[〇〇22]圖中，1為機翼，2為無刷電機，3為無刷電調(diào)，4為機身，5為飛行控制板，6為擋雨棚，7為飛行控制板安裝棱柱，8為云臺支架，9為執(zhí)行部件固定柱，10為執(zhí)行部件，10a為高清攝像頭，l〇b為紅外線攝像頭，10c為噴火器，11為執(zhí)行部件防護罩，12為電池，13為飛行器模型，14為任務(wù)執(zhí)行系統(tǒng)，15為飛行控制模塊，15a為微控制器模塊，15b為加速度傳感器，15c 為角速度傳感器，15d為電源模塊，15e為電機驅(qū)動，15f為無線通訊，15g為GPS模塊；17為主控制器?！揪唧w實施方式】
[0023]下面通過實施例，并結(jié)合附圖，對本實用新型的技術(shù)方案作進一步具體的說明。
[0024]如圖1、圖2所示，飛行器模型13包括機翼1、無刷電機2、無刷電調(diào)3、機身4、飛行控制板5、擋雨棚6、飛行控制板安裝棱柱7、云臺支架8、執(zhí)行部件固定柱9、執(zhí)行部件10、執(zhí)行部件防護罩11、電池12。機身4下安裝云臺支架8組成整體機架支撐，機身4上方在四個旋翼的終點上安裝有四個無刷電機2,無刷電機2上安裝有機翼1，在四個旋翼臂上固定四個無刷電調(diào)3,無刷電調(diào)3—端連接無刷電機2,一端連接電池12,四個無刷電調(diào)3的信號線連接飛行控制板5,因為無刷電調(diào)3有將高電平轉(zhuǎn)化為低電平的功能，所以，四個無刷電調(diào)3中的一個要引出一根電源轉(zhuǎn)換線連接飛行控制板5給其供電。電池12固定在機身4上方中心，飛行控制板5(具體的組成見下方)通過飛行控制板安裝棱柱7固定在電池12的上方。飛行控制板5、飛行控制板安裝棱柱7、電池12—起被保護在飛行控制系統(tǒng)擋雨棚6內(nèi)防止巡檢時出現(xiàn)暴雨天氣對飛行控制板5和電池12產(chǎn)生影響。機身4下方通過執(zhí)行部件固定柱9搭載執(zhí)行部件10,執(zhí)行部件10有高清攝像頭l〇a、紅外線攝像頭10b和噴火器10c三種，外罩機載攝像頭防護罩 11，防止當飛行器受到撞擊或者攝像頭從飛行器上脫漏時攝像頭或噴火器受到損壞。
[0025]圖3為無人飛行器各系統(tǒng)關(guān)系方框圖，包括機身、機翼、無刷電機、電子調(diào)速器等在內(nèi)的飛行器模型13、任務(wù)執(zhí)行系統(tǒng)14和飛行控制系統(tǒng)15。飛行器模型13上搭建任務(wù)執(zhí)行系統(tǒng)14,飛行控制模塊15控制飛行器模型13的飛行姿態(tài)和飛行方向，各系統(tǒng)的組成及功能介紹如下:
[0026]如圖3所示，包括機身、機翼、無刷電機、電子調(diào)速器等在內(nèi)的飛行器模型13是系統(tǒng)的基礎(chǔ)和載體，飛行器的安裝要嚴格按照圖1、圖2的安裝順序安裝，為了保持最佳的飛行效果。
[0027]如圖3所示，任務(wù)執(zhí)行系統(tǒng)14由執(zhí)行部件10組成。執(zhí)行部件10包括高清攝像頭10a、 紅外線攝像頭l〇b或噴火器10c三部分。由于飛行器要沿著輸電線路飛行，為了保持飛行器能夠飛行的距離較大，飛行器的體積應做的較為輕便小巧，所以，飛行器只攜帶高清攝像頭或紅外線攝像頭或噴火器中的一種。高清攝像頭l〇a攝像質(zhì)量高、圖像清晰，紅外攝像頭10b 色彩真實和聚焦準群清晰，由紅外線反射所成的影像達到可拍攝黑暗環(huán)境下肉眼看不到的影像的目的。因為輸電線路的巡檢時間為全天候，結(jié)合兩種攝像頭的優(yōu)點，采用紅外攝像頭 l〇b與高清攝像頭10a相結(jié)合的方法，利用紅外攝像頭的“夜間優(yōu)勢”與高清攝像頭“日間高清晰度”的特點，配合使用，以達到最佳效果。當停電事故是由懸掛于線路上的風箏等可燃物或者鳥禽類造成的時候，攜帶噴火器l〇c的飛行器會飛行到事故點，對造成線路短路的物質(zhì)進行焚燒處理或者驅(qū)趕，使電網(wǎng)盡快恢復供電。
[0028]如圖3所示，飛行控制系統(tǒng)15由微控制器模塊15a、姿態(tài)測量模塊、無線通訊模塊 15f、電機驅(qū)動模塊組成。微控制器模塊15a由時鐘頻率為50MHZ或50MHZ以上的單片機組成；姿態(tài)測量模塊由加速度傳感器(三軸加速度計)15b、角速度傳感器(三軸陀螺儀)15c、數(shù)字氣壓傳感器、三軸磁強計組成，負責飛行器的姿態(tài)實時檢測，保證飛行器的平穩(wěn)可靠飛行； 無線通訊模塊15f可以用nRF24L01無線模塊器件，可以滿足接收和發(fā)射信號的需要，其發(fā)射電路可以通過LC振蕩電路構(gòu)成；電源模塊15d和電機驅(qū)動15e可以控制飛行器電池為無刷電調(diào)和電機供電；GPS模塊15g主要用于測定飛行器的具體方位，為主控制器17規(guī)劃飛行器的飛行路線做準備。
[0029]如圖3所示，通信系統(tǒng)根據(jù)線路巡檢的實際情況，飛行器的協(xié)同工作采用協(xié)同工作模式中的本地同步模式，即使得處于同一區(qū)域的合作者在同一時間進行同一任務(wù)的協(xié)作。 多臺飛行器在同一區(qū)域同一時間受同一主控制器控制飛行。飛行方式設(shè)計時采用飛行器在輸電線路斜上方飛行且多架小型四旋翼飛行器，在線路兩側(cè)同時進行巡檢，這樣可以采集在同一時間條件下的不同角度的圖像，可以更全面的巡檢輸電線路。主控制器17與飛行控制器15的通訊方式采用集中式應用共享方式，集中式應用共享方式如圖4所示，任務(wù)執(zhí)行系統(tǒng)14將采集到的圖像通過無線電發(fā)送給主控制器，主控制器將各個不同角度的圖像合成3D 圖像，以便工作人員發(fā)現(xiàn)線路的問題。各飛行器之間的相互通信通過主控制器17完成，所以對主控制器17的處理速度有較高的要求。主控制器17為現(xiàn)有控制器，飛行控制模塊15的各組成部分模塊也均為現(xiàn)有技術(shù)。
[0030]白天，飛行器攜帶高清攝像頭10a，兩臺飛行器組成一個編隊。當線路巡檢開始時， 主控制器17通過無線電向飛行控制模塊15發(fā)送信號，微控制器模塊15a解鎖，電源模塊15d 啟動，傳感器測量單元(包括數(shù)字三軸陀螺與三軸加速度傳感器、數(shù)字氣壓傳感器、三軸數(shù)字磁阻傳感器)啟動，測量飛行器的位姿數(shù)據(jù)。在微控制器模塊15a進行數(shù)據(jù)處理與分析后， 解算此時飛行器的姿態(tài)。GPS模塊15g獲得飛行器的地理位置信息。飛行控制模塊15將飛行姿態(tài)和地理位置信息反饋給主控制器17,主控制器17根據(jù)巡航要求確定路線，根據(jù)飛行器的地理位置信息確定飛行器飛行方向。之后，主控制器17向飛行控制系統(tǒng)15發(fā)送信號，飛行控制板根據(jù)PID控制算法進行姿態(tài)角的閉環(huán)控制，解算出無刷電機2應有的轉(zhuǎn)速，電源模塊 15d解鎖電池，電池向電機供電，電機按飛控板解鎖出的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，飛行器起飛。
[0031]在飛行的過程中，為避免飛行器在狂風等惡劣氣候及其他因素影響下，其垂直墜落對線路造成損壞，飛行器沿線路飛行時應與線路邊線具有一定的水平距離。又由于任務(wù)執(zhí)行系統(tǒng)安裝于巡視方式方案設(shè)計飛行器下方，為滿足巡視質(zhì)量的要求，同時避免飛行器受線路電磁場的影響、保證無人機有充裕的飛行空間，飛行器在線路上方飛行應具有一定的垂直距離。所以，四旋翼飛行器巡檢時需在線路斜上方飛行。因線路相間距離大且塔高， 旋翼機探測系統(tǒng)的檢測距離、視角有限。為保證巡檢精度，可調(diào)用一個編隊或多個編隊的多架飛行器，在線路兩側(cè)同時進行巡檢，這樣可以采集在同一時間條件下的不同角度的圖像， 合成立體3D圖。
[0032]飛行器將自身采集圖像的通過無線電傳輸設(shè)備傳遞到主控制器17上。主控制器接受到多個角度拍攝的圖像信息之后，還原輸電線路的原貌，這樣，在輸電線路出現(xiàn)故障時， 維修人員能夠快速的找到故障原因，高效的進行整修。
[0033]晚上，飛行器攜帶紅外線攝像頭10b。當線路巡檢開始時，主控制器17通過無線電向飛行控制系統(tǒng)15發(fā)送信號，微控制器模塊15a解鎖，電源模塊15d啟動，傳感器測量單元 (包括數(shù)字三軸陀螺與三軸加速度傳感器、數(shù)字氣壓傳感器、三軸數(shù)字磁阻傳感器)啟動，測量飛行器的位姿數(shù)據(jù)。在微控制器模塊15a進行數(shù)據(jù)處理與分析后，解算此時飛行器的姿態(tài)。GPS模塊15g獲得飛行器的地理位置信息。飛行控制系統(tǒng)15將飛行姿態(tài)和地理位置信息反饋給主控制器17,主控制器17根據(jù)巡航要求確定路線，根據(jù)飛行器的地理位置信息確定飛行器飛行方向。之后，主控制器17向飛行控制系統(tǒng)15發(fā)送信號，飛控板根據(jù)P I D控制算法進行姿態(tài)角的閉環(huán)控制，解算出無刷電機2應有的轉(zhuǎn)速，電源模塊15d解鎖電池，電池向電機供電，電機按飛控板解鎖出的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，飛行器起飛。飛行器同樣將自身采集圖像的通過無線電傳輸設(shè)備傳遞到主控制器17上。
[0034]當有停電事故發(fā)生時，攜帶攝像頭的飛行器快速飛向故障點，將拍攝的不同角度的故障點的圖像通過無線電傳輸給主控制器17,維修人員可以判定短路發(fā)生的類型，當停電事故是由懸掛于線路上的風箏等可燃物或者鳥禽類造成的時候，通過主控制器17向攜帶噴火器l〇c的飛行器發(fā)送信號，飛行器起飛，飛行到事故點之后，對造成線路短路的物質(zhì)進行噴火焚燒處理或者驅(qū)趕，使電網(wǎng)盡快恢復供電。
[0035]綜上，系統(tǒng)就實現(xiàn)了全方位、多角度、全天候靈活方便的巡視和檢修輸電線路的目標。
[0036]上述為一種用于高壓輸電線路巡檢的多機協(xié)同四旋翼飛行器系統(tǒng)的具體實施實例，并不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種用于高壓輸電線路巡檢的多機協(xié)同四旋翼飛行器系統(tǒng)，其特征在于:包括外置 主控制器(17)和飛行器模型(13);所述飛行器模型(13)，包括機身(4)和云臺支架(8)，所述機身(4)上設(shè)置有呈十字分布 的四個機翼(1)，每個機翼(1)與無刷電機(2)相連，繼而無刷電機(2)通過無刷電調(diào)(3)與機 身(4)相連;機身(4)上方設(shè)置有飛行控制板(5)和飛行控制板安裝棱柱(7)，飛行控制板(5) 下方設(shè)置有電池(12)，飛行控制板(5)外側(cè)設(shè)置有擋雨棚(6);機身(4)下方設(shè)置有執(zhí)行部件 (10)和執(zhí)行部件固定柱(9)，執(zhí)行部件(10)外部設(shè)置有執(zhí)行部件防護罩(11);所述飛行控制板(5)上設(shè)置有飛行控制模塊(15)，飛行控制模塊(15)用于控制飛行器 模型(13)的飛行姿態(tài)和飛行方向。2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于:所述執(zhí)行部件(10)為高清攝像頭(10a)、紅外 線攝像頭(l〇b)或噴火器(10c)中的一種。3.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于:所述飛行控制模塊(15)由微控制器模塊 (15a)、姿態(tài)測量模塊、電源模塊(15d)、電機驅(qū)動模塊(15e)、無線通訊模塊(15f)、GPS模塊 (15g)組成;微控制器模塊(15a)為時鐘頻率為50MHZ以上的單片機，其他電子器件以微控制 器模塊(15a)為中心，連接到微控制器模塊(15a)，與微控制器模塊(15a)建立通信;姿態(tài)測 量模塊由加速度傳感器(15b)、角速度傳感器(15c)、數(shù)字氣壓傳感器、三軸磁強計組成；電 源模塊(15d)和電機驅(qū)動模塊(15e)共同用于控制飛行器電池為無刷電調(diào)和電機供電;無線 通訊模塊(15f)為nRF24L01無線模塊器件，其發(fā)射電路通過LC振蕩電路構(gòu)成，用于發(fā)射和接 收無線電來實現(xiàn)主控制器(17)和飛行器模型(13)的通信;GPS模塊(15g)用于測定飛行器的 具體方位。4.如權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其特征在于:電源模塊(15d)同時連接微控制器模塊(15a) 和電池(12)，用于解鎖電池(12)。5.如權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其特征在于:電機驅(qū)動模塊(15e)用于解鎖無刷電機(2)。
【文檔編號】B64D47/08GK205574268SQ201620289892
【公開日】2016年9月14日
【申請日】2016年4月8日
【發(fā)明人】李嘉思, 楊錚
【申請人】武漢大學