浙江大學(xué)國家大學(xué)生創(chuàng)新性試驗計劃-浙江大學(xué)本科生創(chuàng)新網(wǎng)

1、浙江大學(xué)“國家大學(xué)生創(chuàng)新性實驗計劃”項目結(jié)題表項目名稱電力線路巡檢無人飛艇的設(shè)計與實現(xiàn)項目負(fù)責(zé)人黎勝強院（系）、年級、專業(yè)電氣工程及其自動化 0605班聯(lián)系電子郵件sli填表日期2010年5月14日本科生院制表填表說明一、本表由項目負(fù)責(zé)人根據(jù)項目實施情況實事求是填寫，并用 A4 紙打 印，于左側(cè)裝訂成冊。二、項目負(fù)責(zé)人填寫本表后，請指導(dǎo)教師審核，填寫意見并簽名。三、本表一式兩份，由項目負(fù)責(zé)人送所在學(xué)院（系）本科教學(xué)管理科， 簽署意見后，一份留學(xué)院（系）本科教學(xué)管理科，一份由學(xué)院（系）本科教 學(xué)管理科交本科生院教研處科研訓(xùn)練與對外交流辦公室備案。四、本表將作為項目評優(yōu)的

2、主要材料之一。五、項目結(jié)題答辯結(jié)束后，將研究論文（調(diào)研報告） 、成果和記錄本一 并上交學(xué)院（系）本科教學(xué)管理科。六、項目負(fù)責(zé)人要整合和凝煉項目創(chuàng)新點， 特色和應(yīng)用等， 認(rèn)真撰寫附表 浙 江大學(xué)“國家大學(xué)生創(chuàng)新性實驗計劃”項目研究成果綜述 10001500 字，不附 圖表，學(xué)校將統(tǒng)一匯編成冊，以便學(xué)習(xí)與交流。七、凡正式發(fā)表研究論文等成果者，需上交復(fù)印件一份項目名稱電力線路巡檢無人飛艇的設(shè)計與實現(xiàn)立項經(jīng)費15000結(jié)題時間2010年5月項 目 負(fù) 責(zé) 人學(xué)號姓名年級所在學(xué)院（系）、專業(yè)聯(lián)系電話電子信箱3063031190黎勝強06級電氣學(xué)院，電自專.c

3、n參 與 成 員3060823050馮煜06級信息學(xué)院，控制專業(yè)1377783403306ny .c n3063031177張譯中06級機能學(xué)院，機電專業(yè)1342967206506gkptzyz指 導(dǎo) 教 師姓名職稱所在學(xué)院（系）聯(lián)系電話電子信箱江道灼教授電氣學(xué)zjia .c n一、項目研究內(nèi)容、執(zhí)行過程和完成情況研究內(nèi)容針對傳統(tǒng)的人工巡線法存在的效率低、勞動強度大、安全隱患大等問題，本課題提出了一種新的機器人巡線方案架空線路巡檢機器人飛艇（Robotic Airship for Overhead Powerli n

4、e In specti on，簡稱RAOPI ）。本課題研究了 RAOPI及其控制系統(tǒng)設(shè)計，研究了基于圖像識別的缺陷檢測方法，完 成了初步樣機的制作，并進行了模擬線路跟蹤的現(xiàn)場實驗。執(zhí)行情況本課題的工作主要集中在以下6個方面：1. 架空線巡檢機器人飛艇 RAOPI的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計2. 架空線巡檢機器人飛艇控制系統(tǒng)設(shè)計2. 1控制系統(tǒng)的硬件連接2. 2控制系統(tǒng)的器件選型2. 3控制系統(tǒng)電路板的設(shè)計與制作3. RAOPI航向控制系統(tǒng)的建模與仿真4. 1建立了涵道式飛艇的橫向運動模型4. 2設(shè)計了航向控制系統(tǒng)的控制方法4. 3在Simulink/FlightGear平臺上進行了可視化動態(tài)仿真4. 架空

5、線巡檢機器人飛艇的軟件設(shè)計3. 1編寫了基于Hough變換的圖像識別程序3. 2提出了基于紅外 CCD的導(dǎo)線測溫方法 3. 3提出了基于單目測距的導(dǎo)線安全距離檢測算法5機器人樣機的研制6模擬線路跟蹤的現(xiàn)場實驗完成情況上述工作均已完成，并完成了論文初稿2篇，發(fā)明專利（在審）1項，所研制的樣機 1臺，詳見“項目取得的成果”欄。、項目創(chuàng)新點概述本項目的主要特色在于：1. 機器人飛艇受地理條件影響小，具有易于懸停、穩(wěn)定性好、有效載荷大、續(xù)航能力強等優(yōu) 勢，較之無人直升機更適合于巡線作業(yè)；2. 采用基于紅外CCD的圖像識別技術(shù)，熱像特征明顯，圖像噪聲少，識別精度高；3. 設(shè)計了基于圖像識別的視覺跟蹤系統(tǒng)

6、，用于飛艇的航向控制；4. 提出了基于單目測距的導(dǎo)線安全距離檢測算法。三、項目研究取得成果（成效）與應(yīng)用論文初稿2篇：黎勝強，馮昱，張譯中等架空線巡檢機器人飛艇樣機研制J黎勝強，馮昱，張譯中等架空線巡檢機器人飛艇及其控制系統(tǒng)研究J，電力系統(tǒng)及其自動化（在審）發(fā)明專利1項（在審）：黎勝強，馮昱，張譯中，江道灼，晁然.架空線巡檢機器人飛艇控制系統(tǒng)及其控制方法：中國，201001125480.6樣機1臺：包含飛艇氣囊、吊艙、尾翼、電路板、改裝的遙控器、PC接口電路等圖像識別程序1套：四、項目經(jīng)費使用情況基于OpenCV的圖像處理程序（購置實驗材料、試劑、藥品、加工測試、資料、復(fù)印、調(diào)研、交通等開支數(shù)

7、額）專用實驗材料費 9045元專用資料購置費 2251元 辦公用品1537元 通訊 費200元交通費902元審稿費和版面費 1000元合計：壹萬肆仟玖佰肆拾伍圓整14945元五、項目組對完成課題的自我評價、體會與建議在立項以來的18個月里，本項目組完成了巡線機器人飛艇的初步研究，不僅取得了一定 得階段性成果，同時也訓(xùn)練了成員的分析和解決實際問題的能力；不僅提高了我們的理論計算 和建模分析的能力，更鍛煉了我們的動手能力和實驗技能。在控制系統(tǒng)設(shè)計環(huán)節(jié)，由于項目組成員此前沒有接觸過飛行器無人駕駛系統(tǒng)的設(shè)計，在控 制系統(tǒng)設(shè)計方面走了很多彎路：我們花了大量精力閱讀關(guān)于飛行器建模和控制方面的資料，并 把注

8、意力過多的放在獲取飛艇建模和模型參數(shù)測量上面。事實證明，實際飛艇的運動規(guī)律和它 的線性化數(shù)學(xué)模型與相差很大，依靠數(shù)學(xué)模型設(shè)計控制器很困難。隨后，我們改用簡單的PID控制器，通過實驗方法調(diào)整控制器參數(shù)，取得了良好的控制效果。在圖像識別程序的編寫過程中，我們遇到主要問題是圖像噪聲和攝像頭球面畸變的問題。 針對前一個問題，我們通過調(diào)節(jié) Hough變換的閾值，并對圖像進行濾波處理，有效地減少了圖 像噪聲，提高了識別準(zhǔn)確性。對于攝像頭球面畸變的問題，我們學(xué)習(xí)了攝像頭成像模型，采用 了去畸變函數(shù)進行了預(yù)校正，有效降低了圖象畸變率，提高了識別精度。在電路硬件制作方面，我們克服了一系列問題。首先是在制作用于通

9、訊和控制的PCB電路板的過程中，由于沒有經(jīng)驗，走了很多彎路，出現(xiàn)了一些嚴(yán)重的缺陷（如接口方向錯誤，線路 太細(xì)，高頻線路隔離效果差），不得不進行了二次制版。雖然耗費了不少時間，但是在這個過 程中，我們摸索出了一些PCB制版的布線技巧，積累了一些控制電路設(shè)計的經(jīng)驗。其次，在飛 艇的上行數(shù)據(jù)鏈路的硬件制作中，我們最初的方案是采用單片機經(jīng) D/A連接到遙控器的A/D輸 入口的，但是由于D/A負(fù)載能力不足，且容易引入高頻信號干擾；于是我們改用了 PWM波經(jīng)RC 濾波器輸出到遙控器的A/D 口。實驗證明，該方法不僅負(fù)荷能力和抗干擾能力強，而且也省去 了單獨的低通濾波。在飛艇的樣機制作方面，我們先購買了一個

10、 1米的小型航模飛艇，在積累了一定飛行經(jīng)驗 后。在資深航模玩家的指導(dǎo)下，我們自行設(shè)計了一個 3米飛艇的驅(qū)動結(jié)構(gòu)，將氣囊和玻璃鋼吊 艙交由相關(guān)廠商制作，并自制了飛艇的動力系統(tǒng)和遙控裝置。由于飛艇的載荷有限，飛艇各個 部件的選取都很考究，配件的重量都需要事先計算，以保證不超過飛艇的載荷。總之，通過本項目的鍛煉，項目組成員在分析能力、編程能力、動手能力及項目管理等各 個方面都得到了鍛煉和提高。這些技能和能力都是今后從事科研和非科研活動所必備的，為項 目組成員的從事進一步的學(xué)習(xí)和研究打下了基礎(chǔ)。本文所設(shè)計的RAOP功能還比較簡單，智能化程度還有待提高。首先，架空線紅外圖像識 別算法也還比較初步，在復(fù)雜

11、背景下易出現(xiàn)線狀圖形導(dǎo)致的誤識，需要進一步完善和升級；未 來的主要工作是利用圖像匹配技術(shù)，提高架空線路識別的準(zhǔn)確性，開發(fā)針對障礙物的圖像識別 功能。其次，基于機器視覺的架空線故障診斷是一個重要的研究課題，但本課題由于精力限制，未能深入研究；未來的研究方向包括導(dǎo)線弧垂檢測、覆冰檢測、過熱檢測等。六、指導(dǎo)教師意見名：年 月曰七、評審意見和成績評定 （優(yōu)秀、良好、及格、不及格）簽名年 月曰附表：浙江大學(xué)“國家大學(xué)生創(chuàng)新性實驗計劃”項目研究成果綜述項目名稱：電力線路巡檢無人飛艇的設(shè)計與實現(xiàn)項目負(fù)責(zé)人姓名： 黎勝強 學(xué)院（系） 電氣工程學(xué)院 年級2006專業(yè) 電氣工程及其自動化 項目參與成員姓名：馮 昱

12、 、 張譯中指導(dǎo)教師姓名：江道灼 職稱 教 授 所在學(xué)院（系） 電氣工程學(xué)院電機系成果形式：論文、設(shè)計、產(chǎn)品研制、軟件開發(fā)、專利申請和調(diào)研報告等：樣機、專利、論文成果發(fā)表：1.論文雜志名稱級別時間第幾期2. 專利申請類型發(fā)明專利鑒定機構(gòu) 國家專利局授權(quán)時間 在 審3. 產(chǎn)品研制和軟件開發(fā)鑒定機構(gòu) 鑒定時間應(yīng)用范圍 撰寫項目研究主要內(nèi)容與創(chuàng)新成果綜述 1000-1500文字，附正式發(fā)表論文等成果復(fù)印件）1. 研究背景我國現(xiàn)行的架空線路人工巡檢模式，存在效率低、盲區(qū)大、勞動強度大和操作員安全隱 患等問題。載人直升機巡線則存在費用過高、飛行難度大、安全隱患大等缺點。利用巡線機器 人代替人工巡檢架空線

13、，則能解決上述問題，提升電網(wǎng)公司的自動化管理水平，因而受到了國 內(nèi)各大電網(wǎng)公司的青睞，應(yīng)用前景廣闊。2. 研究內(nèi)容2. 1 RAOPI的系統(tǒng)概述1）飛艇艇身。由飛艇氣囊、吊艙、尾翼組成，能實現(xiàn)飛艇的懸浮，是RAOPI的飛行平臺。2）動力系統(tǒng)。由位于吊艙的涵道角控制舵機、主推進器和位于尾翼的方向舵機以及輔推 進器組成，能夠?qū)崿F(xiàn)飛艇的前進、后退、俯仰、上升、下降、轉(zhuǎn)向、懸停等軌跡和姿態(tài)控制。3）圖像采集與識別系統(tǒng)。由自帶圖像采集模塊的紅外 CCD套件和圖像處理器DSP組成。 采集紅外CCD捕捉的圖像，送至圖像處理器 DSP進行圖像識別處理，將所識別架空線所在直 線的方程送至艇載主控制器，用于視覺伺

14、服控制。4）導(dǎo)航與定位系統(tǒng)。將GPS導(dǎo)航和視覺導(dǎo)航結(jié)合：若能捕捉到架空線圖像，則采用視覺 導(dǎo)航，從圖像采集與識別系統(tǒng)讀取飛艇相對架空線的位置，使其路徑沿架空線方向；若無法捕 捉到架空線圖像，則采用 GPS導(dǎo)航，從GPS模塊讀取飛艇的實時空間位置信息，計算出相對 預(yù)定航路點的偏差。5） 控制系統(tǒng)。由作為艇載控制器的嵌入式系統(tǒng)，GPS模塊、傾角儀、高度計、加速度計等位置和姿態(tài)傳感器，伺服控制反饋單元（包括航向、高度和速度的反饋控制），運動控制單元等組成，可以實現(xiàn) RAOPI的自主飛行和地面人工遙控飛行。6）通訊系統(tǒng)。由無線視頻發(fā)送/接收模塊、微波雙向通訊模塊和手動遙控器等構(gòu)成，能夠 通過手段遙控器

15、將控制信號上傳送到機器人飛艇，將機器人飛艇的實時狀態(tài)信息和視頻圖像發(fā) 送到地面系統(tǒng)，并顯示在顯示器上。2.2架空線巡檢機器人飛艇控制系統(tǒng)設(shè)計參見圖1,架空線巡檢機器人飛艇 RAOPI的控制系統(tǒng)，包含艇載系統(tǒng)和地面系統(tǒng)兩部分。加速度計-a/D卜高度計1JGP模塊fD-L傾角儀艇載系統(tǒng)艇載單片機無線攝像頭執(zhí)行機構(gòu)艇載微波通信模塊串口斗一 高頻信號發(fā)射器手動 遙控器I地面系統(tǒng)CCD接收終端接口單片機地面微波通信模塊MAX23電平轉(zhuǎn)換芯片串口視頻USBf米集卡AV言號地面PC |- RS-232RS-232MAX23電平轉(zhuǎn)換芯片圖1架空線路巡檢機器人飛艇控制系統(tǒng)示意圖艇載系統(tǒng)包括艇載單片機、傾角儀、加

16、速度計、高度計、GSP模塊、艇載無線通信模塊、執(zhí)行機構(gòu)和無線攝像頭，其結(jié)構(gòu)為：艇載單片機經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換、串口等端口連接傾角儀、加速度 計、高度計、GSP模塊和無線通信模塊等傳感器；艇載單片機從上述傳感器采集飛行姿態(tài)、速 度、高度和位置坐標(biāo)等信息，并通過微波通信模塊發(fā)送至地面 PC，地面PC根據(jù)控制算法輸出 電機控制信號經(jīng)高頻信號發(fā)射器，發(fā)送至執(zhí)行部件，控制飛艇的速度、高度和航向。地面系統(tǒng)包括地面 PC、接口單片機、高頻信號發(fā)射器、手動遙控器、兩片電平轉(zhuǎn)換芯片 MAX232、地面無線通信模塊、視頻采集卡和 CCD接收終端。地面PC經(jīng)MAX232電平轉(zhuǎn)換 芯片連接到接口單片機和地面無線通信模塊，接口單

17、片機經(jīng)D/A 口連接到高頻信號發(fā)射器；CCD接收終端經(jīng)AV信號接口連接到視覺采集卡，視覺采集卡經(jīng) USB接口連接到地面PC機。 艇載系統(tǒng)和地面系統(tǒng)由三條數(shù)據(jù)鏈路聯(lián)系：一條上行數(shù)據(jù)，將來自地面PC或手動遙控器的控制信號經(jīng)高頻信號發(fā)射器傳送到艇載系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)；兩條下行數(shù)據(jù)，其中一條將機器人飛艇 的實時狀態(tài)信息由微波雙向通訊模塊傳送到地面系統(tǒng)，另一條將圖像信息由無線視頻信號發(fā)送到地面系統(tǒng)的CCD接收終端。2.3 RAOPI航向控制系統(tǒng)的建模與仿真RAOPI的控制系統(tǒng)包括三個子系統(tǒng)：航向控制系統(tǒng)、高度控制系統(tǒng)和速度控制系統(tǒng)。由于 飛艇的滾轉(zhuǎn)現(xiàn)象很微弱，可以認(rèn)為這三個控制系統(tǒng)是相互解耦的。其中，航向控

18、制系統(tǒng)用于跟 蹤預(yù)設(shè)的飛行軌跡，是最重要的子系統(tǒng)。參見圖2,航向控制系統(tǒng)的主要實現(xiàn)步驟是：先由GPS進行導(dǎo)航，使飛艇進入巡檢線路附近的一定范圍內(nèi)，隨后利用紅外 CCD進行視覺導(dǎo)航，更精確的跟蹤巡檢架空線。根據(jù)給定 的涵道式飛艇的橫向運動方程算例，對上述航向控制系統(tǒng)進行了動態(tài)仿真。2. 4架空線巡檢機器人飛艇的軟件設(shè)計2. 4. 1基于Hough變換的圖像識別程序樣機的圖像識別程序是在地面 PC中實現(xiàn)的；圖像識別程序是在 VC2008平臺下，調(diào)用 OpenCV庫函數(shù)編寫的。該程序采集紅外 CCD的圖像，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進行圖像識別，獲取架空線所在

19、直線方程，具體實施步驟如下：a）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。2. 4. 2基于紅外CCD的導(dǎo)線測溫方法導(dǎo)線溫度是線路運行狀態(tài)的重要指標(biāo)，過熱點的檢測對于潛在故障的診斷十分關(guān)鍵。根據(jù)紅外CCD采集的架空線圖像，可以測算出導(dǎo)線運行溫度。研究表明，物體絕對溫度T與其紅外圖像的灰度均值G呈線性關(guān)系T = aG

20、b。進行測溫前，可以事先在工作環(huán)境下測定一組數(shù) 據(jù)，制作溫度曲線表；進行測量時，通過查表即可確定待測物體的溫度。實際運行時，測溫曲 線會受到紅外熱像儀工作狀態(tài)、基底溫度、發(fā)射率、測量距離和背景溫度等因素影響，存在一 定的非線性，必要時需要對測量結(jié)果進行修正。2. 4. 3基于單目測距的導(dǎo)線安全距離檢測算法在電力部門日常巡檢中，導(dǎo)線對樹木、橋梁、地面建筑、通訊線路、電視天線等物體的安全距離是一項重要的檢測指標(biāo)，若小于規(guī)程規(guī)定值，則視為嚴(yán)重缺陷。而且，由地面物體接觸引起的單相或多相短路是電力系統(tǒng)最常見的故障之一。圖4模擬巡檢現(xiàn)場實驗場景圖3基于Simulink的紅外圖像識別算法處理結(jié)果因此，我們提出了 RAOPI對架空線安全距離的檢測方法。如圖 3所示，使飛艇沿架空線正上 方飛行；設(shè)飛艇相對地面物體高度為 hG，由超聲波高度計獲?。伙w艇距離架空線的距離為 h，由攝像頭單目測距算法實現(xiàn)；則架空線距離地面物體的距離2.5機器人樣機的研制樣機的主要技術(shù)參數(shù)是：氣囊材料為聚氯乙烯，尺寸約3mK1mK1m，填充氣體為99%高純 度氦氣，總重量（艇身和艇囊）約1.2kg，艇囊容積約1500L,吊艙主體材料為玻璃鋼，有效載荷500g,最大通信距離2km，蓄電池容量為三芯鋰電池，容量為 2200mAh，動力系統(tǒng)的平 均功率為50W，巡航速度030km/h。6模擬線路跟蹤的現(xiàn)場實驗對上