專利名稱：：架空線路巡檢機器人飛艇控制系統(tǒng)及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種專用于架空輸電線路巡檢的機器人飛艇控制系統(tǒng)及其控制方法。屬于電力線路非接觸式檢測
技術(shù)領(lǐng)域：
。
背景技術(shù)：
：隨著幾年來我國經(jīng)濟和技術(shù)的飛速發(fā)展，對能源的需求越來越大，長距離、超高壓、大容量輸電線路大幅擴建。線路走廊需要穿越各種復(fù)雜的地理環(huán)境，如經(jīng)過大面積達(dá)水庫、湖泊和崇山峻嶺等，這些都給電力線路的檢測帶來了很多困難。尤其是對于電力線路穿越原始森林邊緣地區(qū)、高海拔、冰雪覆蓋區(qū)以及沿線存在頻繁多滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，大部分地區(qū)山高坡陡，交通和通訊極不發(fā)達(dá)時，給電力線路的日常巡檢帶來了很多困難。另一方面，隨著技術(shù)和經(jīng)濟的發(fā)展，社會對供電的質(zhì)量、連續(xù)性和可靠性的要求越來越高，如何解決電力線路的日常檢測成為困擾電力行業(yè)的一個重大難題。傳統(tǒng)的輸電線路的巡檢主要采用兩種方法，即人工目測法和載人直升飛機航測法。我國電力線路的巡檢工作主要由人工完成；國外使用直升機代替人工進(jìn)行電力線路的日常巡檢工作已經(jīng)比較流行，國內(nèi)也開始探索。人工目測法的巡檢精度低，勞動強度大，且存在巡檢盲區(qū)；載人直升飛機航測法則存在飛行安全隱患且巡線費用昂貴等問題。隨著機器人技術(shù)的發(fā)展，巡線機器人可以克服上述缺陷，因此，巡線機器人已成為特種機器領(lǐng)域的一個研究熱點。機器人自動巡檢技術(shù)可以分為行走式巡檢機器人(MobileRobotforOverheadPowerlineInspection，簡稱MR0PI)和電力線路巡檢飛行機器人(FlyingRobotforoverheadpowerlineinspection,簡禾爾FR0PI)。MROPI能夠帶電工作，以一定的速度沿輸電線爬行，并能跨越防震錘、耐張線夾、懸垂線夾、桿塔等障礙，利用攜帶的傳感儀器對桿塔、導(dǎo)線及避雷線、絕緣子、線路金具、線路通道等實施接近檢測。國外MROPI的研究始于20世紀(jì)80年代末，日本、美國、加拿大、泰國的一些研究機構(gòu)先后開展了巡線機器人的研究。國內(nèi)MROPI的研究始于20世紀(jì)90年代末，中國科學(xué)院、武漢大學(xué)等單位在該領(lǐng)域進(jìn)行了研究。這類技術(shù)的主要缺陷是結(jié)構(gòu)尺寸大、質(zhì)量大，因而實用性差，并大多仍處在實驗室研制階段。其次，由于采用滾輪或機械臂等結(jié)構(gòu)，機器人的移動速度受到限制，巡檢效率不高。例如，《機器人技術(shù)與應(yīng)用》雜志2006年03期中“500kv超高壓輸電線路巡檢機器人現(xiàn)場帶電巡檢試驗成功”一文中介紹了一種由中國科學(xué)院沈陽自動化研究設(shè)計的MROPI，其移動速度是僅為每分鐘12-20米，即每小時巡檢距離不超過1.2公里。另外，由于接觸超高壓設(shè)備，機器人登上或撤下輸電線時的絕緣問題難以解決。目前，國內(nèi)外在FROPI領(lǐng)域的研究還較少，主要是針對以微型無人直升機為載體的研究。這些微型無人直升機安裝CCD攝像機，利用GPS導(dǎo)航，可以沿著架空線低空飛行和超視距測控飛行；能夠克服MROPI的缺陷，巡檢速度高，且不受金具等障礙限制，也沒有絕緣問題，同時巡檢成本也較低。目前國內(nèi)的華北電力大學(xué)就開展了FROPI的研究。中國專利CN1305194C，名稱為“電力線路巡檢機器人飛機及其控制系統(tǒng)”，公開了一種由華北電力大學(xué)設(shè)計的FROPI。該技術(shù)的飛機結(jié)構(gòu)采用共軸雙螺旋槳反向驅(qū)動結(jié)構(gòu)，采用兩個發(fā)動機分別驅(qū)動兩個螺旋槳反向旋轉(zhuǎn)，通過控制兩個直流電機的轉(zhuǎn)速比控制飛機機身的穩(wěn)定；使用GPS系統(tǒng)與GIS系統(tǒng)確定飛機的飛行軌跡，使用基于32位ARM嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行飛行姿態(tài)調(diào)整，使用蓄電池為電機、檢測傳感器以及數(shù)據(jù)鏈路系統(tǒng)提供電源。該技術(shù)主要缺陷是目前的GPS/GIS系統(tǒng)定位精度難以確保精確有效地跟蹤輸電線路(主流的GPS接收器定位頻率不大于5Hz，定位精度在5m至99m)，單純依靠GPS導(dǎo)航可能出現(xiàn)飛行軌跡偏離輸電線路徑，從而出現(xiàn)巡檢盲區(qū)；并且基于微型無人直升機的FROPI墜毀的風(fēng)險較大，可能導(dǎo)致機身和記載設(shè)備嚴(yán)重?fù)p毀；同時無人直升機的續(xù)航能力不足也是制約該技術(shù)實際應(yīng)用的重要問題。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提出一種架空線路巡檢機器人飛艇控制系統(tǒng)及其控制方法，以克服現(xiàn)有的行走式巡線機器人MROPI存在的行動慢、效率低、裝卸絕緣難的缺陷，并解決基于無人直升機的飛行機器人FROPI存在的續(xù)航能力不足、GPS定位精度低、墜毀的風(fēng)險較大等問題。本發(fā)明的架空線巡檢機器人飛艇控制系統(tǒng)及其控制方法，是以無人飛艇為飛行平臺，基于紅外視覺導(dǎo)航技術(shù)和GPS導(dǎo)航技術(shù)，以數(shù)字信號處理器DSP為核心硬件，能實現(xiàn)沿著架空電力線自主飛行和超視距人工遙控飛行的智能控制系統(tǒng)及其控制方法。根據(jù)上述構(gòu)思，本發(fā)明的架空線巡檢機器人飛艇控制系統(tǒng)，包含艇載系統(tǒng)和地面系統(tǒng)兩部分，艇載系統(tǒng)包括主控制器DSP、圖像處理器DSP、紅外(XD、傾角儀、加速度計、高度計、GSP定位模塊、艇載無線通信模塊、閃存、16位動態(tài)存儲器、32位動態(tài)存儲器、電機驅(qū)動電路、舵機控制器和無線攝像頭；主控制器DSP通過外拓總線與閃存和16位動態(tài)存儲器連接，圖像處理器DSP通過外拓總線與32位動態(tài)存儲器連接；圖像處理器DSP的XINTF端口連接到主控制器DSP的XINTF端口；紅外CXD輸出的數(shù)字視頻信號輸出端連接到圖像處理器DSP的HPI端口，傾角儀、加速度計和高度計分別與主控制器DSP的模/數(shù)轉(zhuǎn)換接口相連，GSP定位模塊和艇載無線通信模塊分別與主控制器DSP的串口相連；驅(qū)動直流電機的電機驅(qū)動電路與主控制器DSP的PWM輸出接口相連；驅(qū)動舵機的舵機驅(qū)動器的串口輸入端與主控制器DSP的串口相連；地面系統(tǒng)包括地面PC、接口單片機、電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232、地面無線通信模塊、手動遙控器、CXD接收終端和圖像監(jiān)視器；地面PC的RS232接口端與電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232的RS232接口端相連，電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232的TTL端連與單片機的一個串口相連，接口單片機的另一個串口與地面無線通信模塊連接，接口單片機的模數(shù)轉(zhuǎn)換接口與手動遙控器的控制信號輸出端連接，接口單片機的I/O引腳與手動遙控器的手動模式開關(guān)的輸出信號端連接；C⑶接收終端的AV信號輸出端與圖像監(jiān)視器的AV信號輸入端相連；艇載系統(tǒng)和地面系統(tǒng)通過艇載無線通信模塊與地面無線通信模塊實現(xiàn)通信聯(lián)系；無線攝像頭向地面的C⑶接收終端發(fā)送視頻信號，并顯示在圖像監(jiān)視器上。上述的主控制器DSP可以是TMS320F2812型16位浮點DSP數(shù)字信號處理器，用于控制和管理各種外部設(shè)備；圖像處理器DSP可以是TMS320C6711B型32位浮點型DSP，用于紅外CXD的圖像識別。上述的高度計可以是HP03型氣壓傳感器；加速度計為具有3路模擬信號輸出的MMA7260加速度傳感芯片；傾角儀可以采用雙軸SA100T信號傾角傳感儀；GSP定位模塊可以是臺灣Goeget公司的ST-93型GPS模塊；紅外CXD可以是浙江大立公司制造的D780C型紅外熱像機芯組件。上述的電機驅(qū)動電路采用機器人夢工廠公司生產(chǎn)的DF-MDV1.3型號直流電機驅(qū)動模塊，該模塊由一片L289型雙路H橋直流電機驅(qū)動芯片、電源芯片以及功率開關(guān)電路組成。上述的舵機控制器為Lynxmotion公司的SSC32V2型32路舵機控制器模塊。上述的艇載無線通信模塊與地面無線通信模塊均為BENQ公司制造的M22型號GPRS通信模塊，采用GPRS公網(wǎng)方式通信；艇載無線通信模塊與地面無線通信模塊之間搭建了上行和下行兩條數(shù)據(jù)鏈路，實現(xiàn)了艇載系統(tǒng)和地面系統(tǒng)之間的通信。上述的接口單片機可以是ATMEL公司制造的Megal6型單片機，其電源由5V穩(wěn)壓芯片LM7805提供；手動遙控器是一個Futaba72M4EX型號四通道比例控制遙控器，其輸出信號是4路OV5V的模擬信號，對應(yīng)于舵機O度180度的轉(zhuǎn)角或電機的轉(zhuǎn)速；手動遙控器還具有一個手動模式開關(guān)，其輸出為OV或5V電位，對應(yīng)于人工遙控模式開啟和關(guān)閉。架空線巡檢機器人飛艇控制系統(tǒng)的控制方法，其控制步驟如下1)利用傾角儀、加速度計、高度計和GSP定位模塊讀取飛艇的姿態(tài)角、加速度、飛行高度和位置坐標(biāo)參數(shù)送至主控制器DSP，通過對加速度積分運算獲取速度，進(jìn)行尺度變換、積分運算和低通濾波的數(shù)據(jù)處理并存儲于閃存；2)將存儲在閃存的飛行軌跡、飛行姿態(tài)和電池電量參數(shù)通過艇載無線通信模塊發(fā)送到地面無線通信模塊，并存儲在地面PC；將無線攝像頭拍攝的圖像通過無線視頻信號傳輸至地面的CCD接收終端，并顯示在圖像監(jiān)視器上；3)圖像處理器DSP采用基于邊緣檢測、Hough變換和特征篩選方法的圖像處理綜合算法，對紅外CCD采集的圖像進(jìn)行分析處理，獲取輸電線所在直線段的坐標(biāo)方程，并計算該直線段與參考直線的最短距離和夾角，獲取機器人飛艇的偏航距離和偏航角；4)根據(jù)GPS定位模塊獲取的偏航距離和步驟3)中獲取的圖像信息，在GPS導(dǎo)航模式、紅外視覺導(dǎo)航模式和人工遙控模式中進(jìn)行三選一的切換如果手動遙控器的手動模式開關(guān)為開啟，則啟用人工遙控模式；在人工遙控模式開關(guān)關(guān)閉的前提下，若步驟3)中返回的直線條數(shù)不為零且由GPS定位模塊獲取的偏航距離在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)時，則啟用紅外視覺導(dǎo)航模式；若步驟3)中返回的直線條數(shù)為零或由GPS定位模塊獲取的偏航距離在預(yù)設(shè)范圍外時，則啟用GPS導(dǎo)航模式；其中，在GPS導(dǎo)航模式下，進(jìn)入步驟5)；在紅外視覺導(dǎo)航模式下，進(jìn)入步驟6)；在人工遙控模式下，進(jìn)入步驟7)；5)從閃存中讀取被檢測輸電線的分布位置信息和預(yù)設(shè)飛行路徑的坐標(biāo)信息；將步驟1)中獲取的位置坐標(biāo)、速度和飛行高度與預(yù)設(shè)的飛行路徑進(jìn)行比較，計算出偏差量，利用主控制器DSP向電機驅(qū)動電路和舵機驅(qū)動器發(fā)送控制信號，對方向舵偏角、推進(jìn)器轉(zhuǎn)速和升降舵偏角進(jìn)行控制，實現(xiàn)偏航控制、速度控制和高度控制，使機器人飛艇沿著預(yù)設(shè)的飛行路徑飛行；6)根據(jù)步驟3)中獲取的偏航距離和偏航角以及從步驟1)中讀取的飛行高度和速度，利用主控制器DSP向電機驅(qū)動電路和舵機驅(qū)動器發(fā)送控制信號，對方向舵偏角、推進(jìn)器轉(zhuǎn)速和升降舵偏角進(jìn)行控制，實現(xiàn)飛艇的航向控制、高度控制和速度控制，使機器人飛艇沿著架空線上方飛行；7)地面人員通過手動控制器輸入飛艇的航向控制信號、高度控制信號和速度控制信號，并通過地面無線通信模塊將這些信號發(fā)送至艇載無線通信模塊，經(jīng)主控制器DSP傳送至電機驅(qū)動電路和舵機驅(qū)動器，對方向舵偏角、推進(jìn)器轉(zhuǎn)速和升降舵偏角進(jìn)行控制。上述步驟3)中所說的圖像處理器DSP基于邊緣檢測、Hough變換和特征篩選方法的圖像處理綜合算法，對紅外CCD采集的圖像進(jìn)行分析處理，其步驟如下a)圖像處理器DSP讀入單幀圖像并存儲圖像的高度、寬度參數(shù)；b)處理邊緣算子，采用Canny邊緣算子提取對比度高的區(qū)域，作為物體邊緣；c)對物體邊緣進(jìn)行Hough變換，排除干擾圖形，選出超過指定長度的線段；d)刪去與主線段交叉的線段；e)通過Hough變換的距離算法，將物體邊緣處理產(chǎn)生的兩條線段并為一條直線段，得到輸電線所在直線的坐標(biāo)方程。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點a.由于機器人飛艇具有自主飛行控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)無人飛行，能夠低空沿架空線飛行，即便發(fā)生了飛行意外也不會造成人員的傷亡，有效的解決了載人直升機飛行事故中可能造成的人員損失。b.由于飛艇自身具有懸浮特性，不易出現(xiàn)急速墜落的情況，只要氣囊不出現(xiàn)破損，即便墜落也不會造成飛艇和艇載設(shè)備的嚴(yán)重?fù)p毀，因此具有較低的墜毀風(fēng)險。c.由于飛艇懸浮依靠空氣浮力，不需要額外能量，推進(jìn)器只有需要提供克服空氣阻力的能量，因此具有更強的續(xù)航能力；一般地，在使用同類推進(jìn)器的前提下，飛艇比同載荷的無人直升機續(xù)航能力強30%以上。d.由于引入了紅外視覺控制技術(shù)，本發(fā)明較之單純使用GPS導(dǎo)航具有更高的輸電線路跟蹤精度，能夠確保紅外CCD捕捉到架空電線圖像，減少巡檢死區(qū)。因而，本發(fā)明提供了一種巡檢效率高、續(xù)航能力強、安全性高、自動化程度高的架空線自動巡檢技術(shù)。圖1是架空線巡檢機器人飛艇控制系統(tǒng)示意圖。圖2是紅外視覺導(dǎo)航模式下架空線路巡檢的Simulink二維仿真效果圖。具體實施例方式以下結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明。參見圖1，本發(fā)明的架空線巡檢機器人飛艇控制系統(tǒng)，包含艇載系統(tǒng)1和地面系統(tǒng)2兩部分，艇載系統(tǒng)1包括主控制器DSP3、圖像處理器DSP4、紅外(XD5、傾角儀6、加速度計7、高度計8、GSP定位模塊9、艇載無線通信模塊10、閃存11、16位動態(tài)存儲器12、32位動態(tài)存儲器13、電機驅(qū)動電路14、舵機控制器15和無線攝像頭21；主控制器DSP3通過外拓總線與閃存11和16位動態(tài)存儲器12連接，圖像處理器DSP4通過外拓總線與32位動態(tài)存儲器13連接；圖像處理器DSP4的XINTF端口連接到主控制器DSP3的XINTF端口；紅外(XD5輸出的數(shù)字視頻信號輸出端連接到圖像處理器DSP4的HPI端口，傾角儀6、加速度計7和高度計8分別與主控制器DSP3的模/數(shù)轉(zhuǎn)換接口相連，GSP定位模塊9和艇載無線通信模塊10分別與主控制器DSP3的串口相連；驅(qū)動直流電機的電機驅(qū)動電路14與主控制器DSP3的PWM輸出接口相連；驅(qū)動舵機的舵機驅(qū)動器15的串口輸入端與主控制器DSP3的串口相連；地面系統(tǒng)2包括地面PC16、接口單片機17、電平轉(zhuǎn)換芯片MAX23218、地面無線通信模塊19、手動遙控器20、CXD接收終端22和圖像監(jiān)視器23；地面PC16的RS232轉(zhuǎn)口與電平轉(zhuǎn)換芯片MAX23218的RS232接口端相連，電平轉(zhuǎn)換芯片MAX23218的TTL端連與單片機17的一個串口相連，接口單片機17的另一個串口與地面無線通信模塊19連接，接口單片機17的模數(shù)轉(zhuǎn)換接口與手動遙控器20的控制信號輸出端連接，接口單片機17的I/O引腳與手動遙控器20的手動模式開關(guān)的輸出信號端連接；CCD接收終端22的AV信號輸出端與圖像監(jiān)視器23的AV信號輸入端相連；艇載系統(tǒng)1和地面系統(tǒng)2通過艇載無線通信模塊10與地面無線通信模塊19實現(xiàn)通信聯(lián)系；無線攝像頭21向地面的CXD接收終端22發(fā)送視頻信號，并顯示在圖像監(jiān)視器23上。艇載系統(tǒng)1中各個元件的型號、廠商和供電電壓參見表1。表1<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>上述的高度計、加速度計、傾角儀、艇載無線通信模塊、GSP定位模塊、主控制器DSP、圖像處理器DSP、閃存、16位動態(tài)存儲器、32位動態(tài)存儲器可以印刷在一張主電路板上；電機驅(qū)動電路、舵機控制器、紅外CCD單獨制版并通過電線連接到主電路板；艇載系統(tǒng)采用12V鋰電池供電，采用12V/5V/3.3V混合供電系統(tǒng)，12V電源直接取自鋰電池，5V電源由LM7605型穩(wěn)壓芯片提供，主要提供各種外設(shè)芯片供電，3.3V電壓源由TPS7333型低壓差線性穩(wěn)壓器提供。地面系統(tǒng)2的接口單片機17是ATMEL公司制造的Megal6型單片機，其電源由5V穩(wěn)壓芯片LM7805提供；手動遙控器20是一個Futaba72M4EX型號四通道比例控制遙控器，其輸出信號是4路0V5V的電位信號，對應(yīng)于舵機0度180度的轉(zhuǎn)角或電機的轉(zhuǎn)速；手動遙控器20還具有一個手動模式開關(guān)，其輸出為5V或0V電位，對應(yīng)于自動飛行模式和人工遙控模式。架空線巡檢機器人飛艇控制系統(tǒng)的控制方法，其控制步驟如下1)利用傾角儀6、加速度計7、高度計8和GSP定位模塊9讀取飛艇的姿態(tài)角、加速度、飛行高度和位置坐標(biāo)參數(shù)送至主控制器DSP3，通過對加速度積分運算獲取速度，進(jìn)行尺度變換、積分運算和低通濾波的數(shù)據(jù)處理并存儲于閃存11；2)將存儲在閃存11的飛行軌跡、飛行姿態(tài)和電池電量參數(shù)通過艇載無線通信模塊10發(fā)送到地面無線通信模塊19，并存儲在地面PC16；將無線攝像頭21拍攝的圖像通過無線視頻信號傳輸至地面的(XD接收終端22，并顯示在圖像監(jiān)視器23上；3)圖像處理器DSP4采用基于邊緣檢測、Hough變換和特征篩選方法的圖像處理綜合算法，對紅外(XD5采集的圖像進(jìn)行分析處理，步驟如下a)圖像處理器DSP4讀入單幀圖像并存儲圖像的高度、寬度參數(shù)；b)處理邊緣算子，采用Canny邊緣算子提取對比度高的區(qū)域，作為物體邊緣；c)對物體邊緣進(jìn)行Hough變換，排除干擾圖形，選出超過指定長度的線段；d)刪去與主線段交叉的線段；e)通過Hough變換的距離算法，將物體邊緣處理產(chǎn)生的兩條線段并為一條直線段，得到輸電線所在直線的坐標(biāo)方程。最后計算該直線段與參考直線的最短距離和夾角，獲取機器人飛艇的偏航距離和偏航角；4)根據(jù)GPS定位模塊9獲取的偏航距離和步驟3)中獲取的圖像信息，在GPS導(dǎo)航模式、紅外視覺導(dǎo)航模式和人工遙控模式中進(jìn)行三選一的切換如果手動遙控器20的手動模式開關(guān)為開啟，則啟用人工遙控模式；在人工遙控模式開關(guān)關(guān)閉的前提下，若步驟3)中返回的直線條數(shù)不為零且由GPS定位模塊9獲取的偏航距離在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)時，則啟用紅外視覺導(dǎo)航模式；若步驟3)中返回的直線條數(shù)為零或由GPS定位模塊9獲取的偏航距離在預(yù)設(shè)范圍外時，則啟用GPS導(dǎo)航模式；其中，在GPS導(dǎo)航模式下，進(jìn)入步驟5)；在紅外視覺導(dǎo)航模式下，進(jìn)入步驟6)；在人工遙控模式下，進(jìn)入步驟7)；5)從閃存11中讀取被檢測輸電線的分布位置信息和預(yù)設(shè)飛行路徑的坐標(biāo)信息；將步驟1)中獲取的位置坐標(biāo)、速度和飛行高度與預(yù)設(shè)的飛行路徑進(jìn)行比較，計算出偏差量，利用主控制器DSP3向電機驅(qū)動電路14和舵機驅(qū)動器15發(fā)送控制信號，對方向舵偏角、推進(jìn)器轉(zhuǎn)速和升降舵偏角進(jìn)行控制，實現(xiàn)偏航控制、速度控制和高度控制，使機器人飛艇沿著預(yù)設(shè)的飛行路徑飛行；6)根據(jù)步驟3)中獲取的偏航距離和偏航角以及從步驟1)中讀取的飛行高度和速度，利用主控制器DSP3向電機驅(qū)動電路14和舵機驅(qū)動器15發(fā)送控制信號，對方向舵偏角、推進(jìn)器轉(zhuǎn)速和升降舵偏角進(jìn)行控制，實現(xiàn)飛艇的航向控制、高度控制和速度控制，使機器人飛艇沿著架空線上方飛行；7)地面人員通過手動控制器20輸入飛艇的航向控制信號、高度控制信號和速度控制信號，并通過地面無線通信模塊19將這些信號發(fā)送至艇載無線通信模塊10，經(jīng)主控制器DSP3傳送至電機驅(qū)動電路14和舵機驅(qū)動器15，對方向舵偏角、推進(jìn)器轉(zhuǎn)速和升降舵偏角進(jìn)行控制。圖2給出了在Simulink仿真平臺下，在紅外視覺導(dǎo)航模式下進(jìn)行二維飛行巡檢的仿真效果圖。在具體實施對高壓架空電力線路進(jìn)行檢測時，先開啟人工遙控模式，由地面人員遙控機器人飛艇起飛，并到達(dá)架空線斜上方10米到20米的位置后，關(guān)閉人工遙控模式，進(jìn)入紅外視覺導(dǎo)航模式，機器人飛艇開始沿電力線飛行，同時向地面?zhèn)魉图t外圖像、飛行參數(shù)、視頻圖像等信息，用于電力線故障診斷和飛行監(jiān)控。由圖2可見，飛艇能夠沿著帶巡檢的架空線飛行。權(quán)利要求架空線巡檢機器人飛艇控制系統(tǒng)，包含艇載系統(tǒng)(1)和地面系統(tǒng)(2)兩部分，其特征在于艇載系統(tǒng)(1)包括主控制器DSP(3)、圖像處理器DSP(4)、紅外CCD(5)、傾角儀(6)、加速度計(7)、高度計(8)、GSP定位模塊(9)、艇載無線通信模塊(10)、閃存(11)、16位動態(tài)存儲器(12)、32位動態(tài)存儲器(13)、電機驅(qū)動電路(14)、舵機控制器(15)和無線攝像頭(21)；主控制器DSP(3)通過外拓總線與閃存(11)和16位動態(tài)存儲器(12)連接，圖像處理器DSP(4)通過外拓總線與32位動態(tài)存儲器(13)連接；圖像處理器DSP(4)的XINTF端口連接到主控制器DSP(3)的XINTF端口；紅外CCD(5)輸出的數(shù)字視頻信號輸出端連接到圖像處理器DSP(4)的HPI端口，傾角儀(6)、加速度計(7)和高度計(8)分別與主控制器DSP(3)的模/數(shù)轉(zhuǎn)換接口相連，GSP定位模塊(9)和艇載無線通信模塊(10)分別與主控制器DSP(3)的串口相連；驅(qū)動直流電機的電機驅(qū)動電路(14)與主控制器DSP(3)的PWM輸出接口相連；驅(qū)動舵機的舵機驅(qū)動器(15)的串口輸入端與主控制器DSP(3)的串口相連；地面系統(tǒng)(2)包括地面PC(16)、接口單片機(17)、電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232(18)、地面無線通信模塊(19)、手動遙控器(20)、CCD接收終端(22)和圖像監(jiān)視器(23)；地面PC(16)的RS232接口與電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232(18)的RS232接口端相連，電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232(18)的TTL端連與單片機(17)的一個串口相連，接口單片機(17)的另一個串口與地面無線通信模塊(19)連接，接口單片機(17)的模數(shù)轉(zhuǎn)換接口與手動遙控器(20)的控制信號輸出端連接，接口單片機(17)的I/O引腳與手動遙控器(20)的手動模式開關(guān)的輸出信號端連接；CCD接收終端(22)的AV信號輸出端與圖像監(jiān)視器(23)的AV信號輸入端相連；艇載系統(tǒng)(1)和地面系統(tǒng)(2)通過艇載無線通信模塊(10)與地面無線通信模塊(19)實現(xiàn)通信聯(lián)系；無線攝像頭(21)向地面的CCD接收終端(22)發(fā)送視頻信號，并顯示在圖像監(jiān)視器(23)上。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的架空線巡檢機器人飛艇控制系統(tǒng)，其特征是，主控制器DSP(3)為TMS320F2812型16位浮點型數(shù)字信號處理器；圖像處理器DSP(4)為TMS320C6711B型32位浮點型數(shù)字信號處理器；傾角儀(6)為雙軸SA100T信號傾角傳感儀；加速度計(7)為具有3路模擬信號輸出的三軸MMA7260加速度傳感芯片；高度計(8)為HP03型氣壓傳感器；GSP定位模塊(9)為ST-93型GPS模塊。3.用于權(quán)利要求1所述的架空線巡檢機器人飛艇控制系統(tǒng)的控制方法，其特征是控制步驟如下1)利用傾角儀(6)、加速度計(7)、高度計(8)和GSP定位模塊(9)讀取飛艇的姿態(tài)角、加速度、飛行高度和位置坐標(biāo)參數(shù)送至主控制器DSP(3)，通過對加速度積分運算獲取速度，進(jìn)行尺度變換、積分運算和低通濾波的數(shù)據(jù)處理并存儲于閃存(11)；2)將存儲在閃存(11)的飛行軌跡、飛行姿態(tài)和電池電量參數(shù)通過艇載無線通信模塊(10)發(fā)送到地面無線通信模塊(19)，并存儲在地面PC(16)；將無線攝像頭(21)拍攝的圖像通過無線視頻信號傳輸至地面的CCD接收終端(22)，并顯示在圖像監(jiān)視器(23)上；3)圖像處理器DSP(4)采用基于邊緣檢測、Hough變換和特征篩選方法的圖像處理綜合算法，對紅外CCD(5)采集的圖像進(jìn)行分析處理，獲取輸電線所在直線段的坐標(biāo)方程，并計算該直線段與參考直線的最短距離和夾角，得到機器人飛艇的偏航距離和偏航角；4)根據(jù)GPS定位模塊(9)獲取的偏航距離和步驟3)中獲取的圖像信息，在GPS導(dǎo)航模式、紅外視覺導(dǎo)航模式和人工遙控模式中進(jìn)行三選一的切換如果手動遙控器(20)的手動模式開關(guān)為開啟，則啟用人工遙控模式；在人工遙控模式開關(guān)關(guān)閉的前提下，若步驟3)中返回的直線條數(shù)不為零且由GPS定位模塊(9)獲取的偏航距離在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)時，則啟用紅外視覺導(dǎo)航模式；若步驟3)中返回的直線條數(shù)為零或由GPS定位模塊(9)獲取的偏航距離在預(yù)設(shè)范圍外時，則啟用GPS導(dǎo)航模式；其中，在GPS導(dǎo)航模式下，進(jìn)入步驟5)；在紅外視覺導(dǎo)航模式下，進(jìn)入步驟6)；在人工遙控模式下，進(jìn)入步驟7)；5)從閃存(11)中讀取被檢測輸電線的分布位置信息和預(yù)設(shè)飛行路徑的坐標(biāo)信息；將步驟1)中獲取的位置坐標(biāo)、速度和飛行高度與預(yù)設(shè)的飛行路徑進(jìn)行比較，計算出偏差量，利用主控制器DSP(3)向電機驅(qū)動電路(14)和舵機驅(qū)動器(15)發(fā)送控制信號，對方向舵偏角、推進(jìn)器轉(zhuǎn)速和升降舵偏角進(jìn)行控制，實現(xiàn)偏航控制、速度控制和高度控制，使機器人飛艇沿著預(yù)設(shè)的飛行路徑飛行；6)根據(jù)步驟3)中獲取的偏航距離和偏航角以及從步驟1)中讀取的飛行高度和速度，利用主控制器DSP(3)向電機驅(qū)動電路(14)和舵機驅(qū)動器(15)發(fā)送控制信號，對方向舵偏角、推進(jìn)器轉(zhuǎn)速和升降舵偏角進(jìn)行控制，實現(xiàn)飛艇的航向控制、高度控制和速度控制，使機器人飛艇沿著架空線上方飛行；7)地面人員通過手動控制器(20)輸入飛艇的航向控制信號、高度控制信號和速度控制信號，并通過地面無線通信模塊(19)將這些信號發(fā)送至艇載無線通信模塊(10)，經(jīng)主控制器DSP(3)傳送至電機驅(qū)動電路(14)和舵機驅(qū)動器(15)，對方向舵偏角、推進(jìn)器轉(zhuǎn)速和升降舵偏角進(jìn)行控制。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的架空線巡檢機器人飛艇控制系統(tǒng)的控制方法，其特征是，步驟3)中所說的圖像處理器DSP(4)采用基于邊緣檢測、Hough變換和特征篩選方法的圖像處理綜合算法，對紅外CXD(5)采集的圖像進(jìn)行分析處理，其步驟如下a)圖像處理器DSP(4)讀入單幀圖像并存儲圖像的高度、寬度參數(shù)；b)處理邊緣算子，采用Carmy邊緣算子提取對比度高的區(qū)域，作為物體邊緣；c)對物體邊緣進(jìn)行Hough變換，排除干擾圖形，選出超過設(shè)定長度的線段；d)刪去與主線段交叉的線段；e)通過Hough變換的距離算法，將物體邊緣處理產(chǎn)生的兩條線段并為一條直線段，得到輸電線所在直線的坐標(biāo)方程。全文摘要本發(fā)明公開了一種架空線巡檢機器人飛艇控制系統(tǒng)及其控制方法。控制系統(tǒng)包括艇載系統(tǒng)和地面系統(tǒng)，艇載系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為主控制器DSP經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換、串口等端口連接各種傳感器、無線通信模塊、電機驅(qū)動電路、圖像處理器DSP等，圖像處理器DSP通過HPI接口連接紅外CCD；地面系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為接口單片機經(jīng)串口、I/O等端口與地面PC、無線通信設(shè)備、手動遙控器連接；艇載系統(tǒng)和地面系統(tǒng)由艇載無線通信模塊和地面無線通信模塊聯(lián)系；無線攝像頭通過無線視頻信號向地面系統(tǒng)發(fā)送圖像信息，并顯示在圖像監(jiān)視器上。該架空線巡檢機器人飛艇控制系統(tǒng)有紅外視覺導(dǎo)航模式、GPS導(dǎo)航嗎模式和人工遙控模式三種控制模式，巡檢效率高、續(xù)航能力強、安全性高。文檔編號G06K9/00GK101807080SQ201010125480公開日2010年8月18日申請日期2010年3月16日優(yōu)先權(quán)日2010年3月16日發(fā)明者馮昱,張譯中,晁然,江道灼,黎勝強申請人:浙江大學(xué)