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如何使用摄像头的输电线无人机进行自主巡线的设计方案资料说明
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为满足输电线的巡检需求，提高输电线巡检效率、安全性以及自动化程度，提出了一种基于摄像头的输电线无人机自主巡线方案。无人机采用STM32F407为主控制芯片，用黑白摄像头采集输电线与背景的灰度图像信息，然后依次对图像进行二值化、中值滤波和输电线提取处理，规划无人机的巡线路径。此外，无人机还搭配433 MHz无线通信模块，用户可以通过无线手柄远距离遥控。仿真实验表明，此方案能有效地实现无人机自主巡线飞行，为无人机搭载可见光视频采集、紫外成像等装置及进行输电线航拍巡检搭建了良好的平台。
近年来，我国的全国互联大电网逐步建成并完善，输电线路总长度和输送容量逐年增长。为确保输电线路的可靠性，及时发现线路损伤和隐患，电力部门必须定期对输电线路进行巡检［1］。目前输电线路的巡检主要为人工巡检，此方式受到自然环境和巡检设备的制约，成本高、效率低、漏检率及误检率大，效果不佳。线路攀爬机巡检机器人巡检速度慢，对机器人的机械结构设计要求高，需要完成越障等高难度动作，机械结构和控制算法复杂。
由于四旋翼无人机具有能垂直起降、可悬停、适应性强、成本低、安全性高、机动性好等许多特点，可搭载航拍装置多角度、全方位地获取清晰准确的输电线信息。非接触式输电线巡检实现在线监测，提升故障检出率，为迅速确定抢修方案、缩短抢修时间提供有力保障。
本文设计了一种基于摄像头的自主巡线四旋翼无人机方案，用黑白摄像头采集输电线与背景的灰度图像信息并进行相应处理，快速准确地识别出输电线，以输电线作为导航目标，规划四旋翼无人机的巡线路径。
1 四旋翼无人机自主巡线方案设计
自主巡线四旋翼无人机由机架、主控模块、摄像头、姿态检测模块、高度检测模块、电机驱动模块、电池模块构成。主控模块读取各传感检测模块的数据并进行姿态数据融合，解算出无人机的高精度姿态角，读取并处理摄像头图像数据，规划无人机巡线路径，根据偏差调节各电机转速，使无人机执行相应的飞行动作达到自主巡线飞行的效果。四旋翼无人机总体设计图如图1。
2 系统硬件设计
系统硬件设计分为四旋翼无人机机架及动力模块、主控模块、输电线检测模块、无人机姿态及高度检测模块、应急通信模块5个部分。
2.1 机架及动力模块
四旋翼无人机是一种六自由度的、带有4片正反桨叶的旋翼类飞行器，可通过改变4个电机的转速控制无人机在纵向、横向、竖直方向和偏航方向上运动。选用大疆公司的风火轮F450飞行平台，好盈30 A无刷电调直接焊接到F450的沉金PCB上，配备新西达2 212/1 000 kV电机构建四旋翼无人机。该平台机架力臂材料强度大，耐摔，耐撞击，机身设计时保持重心和几何重心重合，稳定性好。为了增长四旋翼无人机的巡检时间、悬停能力以及抗风能力，满足电机的功率要求，动力模块配备30 C放电性能的5 200 mAh的高能锂聚合物电池。
2.2 主控模块
四旋翼无人机的主控模块是实现机体稳定、精确巡线飞行的核心。选用STM32F407芯片完成对各种传感器数据的读取、运算处理、飞行姿态和动作的控制，使无人机根据控制算法处理结果来调整飞行姿态，实现巡线飞行。
STM32F407芯片是基于ARMCortex-M4内核的32 bit微控制器，具有256 KB Flash，支持最高168 MHz的运行频率，开源且拥有函数库，功能强大，与硬件兼容性好，可移植性强，便于无人机控制算法的开发、维护和升级。
2.3 输电线检测模块
输电线图像的分辨率是决定自主巡线是否精确的基础。图像采集采用OV7620摄像头，利用逐行扫描方式采集输电线及背景图像上的点，通过I/O传输到主控模块。OV7620是CMOS彩色/黑白图像传感器，支持连续和隔行两种扫描方式，最高像素为664×492，帧速率为30 f/s，数据格式包括YUV、YCrCb、RGB 3种，内置10 bit双通道A/D转换器，输出8 bit图像数据，自带自动增益和自动白平衡控制，功耗小于110 mW，可以采集到较为清晰的黑白数字图像。
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