一种无人机巡检时光电吊舱选型方法及装置与流程

本发明涉及无人机巡检架空输电线路技术领域，特别涉及一种无人机巡检时光电吊舱选型方法及装置。

背景技术：

随着我国架空输电线路的快速发展，常规的人工巡检方式已不能满足架空输电线路的巡检要求，以无人机平台为载体的巡检方式应运而生。采用无人机进行线路巡检时，常用的一种巡检手段是搭载光电吊舱进行可见光/红外成像。目前市场上光电吊舱种类繁多，吊舱内部集成可见光摄像机、可见光相机和红外热像仪的一种或几种，根据集成传感器种类的不同，可将光电吊舱分为单光吊舱、双光吊舱和三光吊舱。随着无人机挂载光电吊舱进行架空输电线路巡检的大范围推广应用以及吊舱技术的快速发展，越来越多的光电吊舱应用于电网输电线路巡检中。由于光电吊舱性能参数差异较大，如何从众多的产品中选择最适用的光电吊舱，最大程度的满足架空输电线路巡检需求已变的尤为重要。

技术实现要素：

本发明实施例的主要目的在于提出一种无人机巡检时光电吊舱选型方法及装置，针对架空输电线路巡检任务的具体分析，确定光电吊舱需集成的光电传感器类型和光电传感器的分辨率，基于光电传感器的分辨率综合考虑光电传感器的指标以及光电吊舱整体稳定性要求来最终确定光电吊舱类型，解决了无人机巡检架空输电线路任务时选择合适的光电吊舱来满足巡检要求和巡检精度的问题。

为实现上述目的，本发明实施例提供了一种无人机巡检时光电吊舱选型方法，包括：

确定光电吊舱内部设置的光电传感器的类型是否适合无人机巡检架空输电线路任务；

针对适合无人机巡检架空输电线路任务的光电吊舱内部设置的光电传感器，根据约翰逊法则，在不考虑目标本质和图像缺陷的情况下，用目标等效条纹的分辨力来确定所述光电传感器的分辨率；

根据所述光电传感器的分辨率与已知所述光电传感器的识别距离之间的比值确定所述光电传感器的指标值，将所述光电传感器的指标值同所述光电传感器的焦距与像元尺寸之间的比值进行比较，根据比较结果判断所述光电吊舱是否适合无人机巡检架空输电线路任务要求；

如果所述光电吊舱适合无人机巡检架空输电线路任务要求，则利用所述光电吊舱中的可见光摄像机的载荷参数计算获得所述光电吊舱的第一稳定性理论值，并根据无人机巡检任务对定位精度的要求确定所述光电吊舱的第二稳定性理论值，如果所述光电吊舱的稳定性实际值均优于所述第一稳定性理论值、第二稳定性理论值，则确定所述光电吊舱适用于无人机巡检架空输电线路。

可选的，在本发明一实施例中，所述光电吊舱的第一稳定性理论值与所述光电吊舱中的可见光摄像机的载荷参数的关系表达式为：

其中，ΔX：图像行方向的像素偏移数；ΔY：图像列方向的像素偏移数；K_A：行方向单位角度内的像素点数，单位为/rad；K_A＝N_A/HFOV，N_A：每行包含的像素数；HFOV：水平方向视场角；K_E：列方向单位角度内的像素点数，单位为/rad；K_E＝N_E/VFOV，N_E：每列包含的像素数；VFOV：垂直方向视场角；X_t和Y_t：分别为可见光摄像机拍摄的视频中每一帧图像内的像素点坐标；ΔH和ΔP：瞄准线稳定精度，单位为rad；ΔR′：和ΔR相等的纯数字量，没有单位；ΔR：瞄准线稳定精度，单位为rad。

可选的，在本发明一实施例中，所述光电吊舱的第二稳定性理论值与对应地定位精度的关系表达式为：

式中，△α：吊舱俯仰稳定精度，单位rad；△β：吊舱方位稳定度，单位rad；△D：吊舱纵向定位精度，单位m；ΔD＝Htan(α+Δα)-Htanα；△C：吊舱横向定位精度，单位m；H：对地高度，单位m；α：吊舱俯仰角度，单位rad；β：吊舱方位角度，单位rad。

可选的，在本发明一实施例中，所述根据比较结果判断所述光电吊舱是否适合无人机巡检架空输电线路任务要求的步骤包括：

所述光电传感器的指标值小于等于所述光电传感器的焦距与像元尺寸之间的比值，则所述光电吊舱适合无人机巡检架空输电线路任务要求；否则，则所述光电吊舱不适合无人机巡检架空输电线路任务要求。

对应地，为实现上述目的，本发明实施例还提供了一种无人机巡检时光电吊舱选型装置，包括：

第一判定单元，用于确定光电吊舱内部设置的光电传感器的类型是否适合无人机巡检架空输电线路任务；

光电传感器分辨率确定单元，用于针对适合无人机巡检架空输电线路任务的光电吊舱内部设置的光电传感器，根据约翰逊法则，在不考虑目标本质和图像缺陷的情况下，用目标等效条纹的分辨力来确定所述光电传感器的分辨率；

第二判定单元，用于根据所述光电传感器的分辨率与已知所述光电传感器的识别距离之间的比值确定所述光电传感器的指标值，将所述光电传感器的指标值同所述光电传感器的焦距与像元尺寸之间的比值进行比较，根据比较结果判断所述光电吊舱是否适合无人机巡检架空输电线路任务要求；

第三判定单元，用于如果所述光电吊舱适合无人机巡检架空输电线路任务要求，则利用所述光电吊舱中的可见光摄像机的载荷参数计算获得所述光电吊舱的第一稳定性理论值，并根据无人机巡检任务对定位精度的要求确定所述光电吊舱的第二稳定性理论值，如果所述光电吊舱的稳定性实际值均优于所述第一稳定性理论值、第二稳定性理论值，则确定所述光电吊舱适用于无人机巡检架空输电线路。

可选的，在本发明一实施例中，所述第三判定单元中光电吊舱的第一稳定性理论值与所述光电吊舱中的可见光摄像机的载荷参数的关系表达式为：

其中，ΔX：图像行方向的像素偏移数；ΔY：图像列方向的像素偏移数；K_A：行方向单位角度内的像素点数，单位为/rad；K_A＝N_A/HFOV，N_A：每行包含的像素数；HFOV：水平方向视场角；K_E：列方向单位角度内的像素点数，单位为/rad；K_E＝N_E/VFOV，N_E：每列包含的像素数；VFOV：垂直方向视场角；X_t和Y_t：分别为可见光摄像机拍摄的视频中每一帧图像内的像素点坐标；ΔH和ΔP：瞄准线稳定精度，单位为rad；ΔR′：和ΔR相等的纯数字量，没有单位；ΔR：瞄准线稳定精度，单位为rad。

可选的，在本发明一实施例中，所述第三判定单元中光电吊舱的第二稳定性理论值与对应地定位精度的关系表达式为：

式中，△α：吊舱俯仰稳定精度，单位rad；△β：吊舱方位稳定度，单位rad；△D：吊舱纵向定位精度，单位m；ΔD＝Htan(α+Δα)-Htanα；△C：吊舱横向定位精度，单位m；H：对地高度，单位m；α：吊舱俯仰角度，单位rad；β：吊舱方位角度，单位rad。

可选的，在本发明一实施例中，所述第二判定单元对所述光电传感器的指标值同所述光电传感器的焦距与像元尺寸之间的比值进行比较，如果所述光电传感器的指标值小于等于所述光电传感器的焦距与像元尺寸之间的比值，则所述光电吊舱适合无人机巡检架空输电线路任务要求；否则，则所述光电吊舱不适合无人机巡检架空输电线路任务要求。

上述技术方案具有如下有益效果：

(1)针对架空输电线路巡检时吊舱选型问题，提出一种系统性的光电吊舱选型方法及装置，从内部传感器载荷到光电吊舱整体性能进行选型，避免单纯考虑或过分强调光电吊舱单一指标引起的选型不当，可有效从众多吊舱产品中选择出最适合的吊舱产品，降低巡检成本；

(2)从架空输电线路巡检业务需求出发，根据需求指导选型，而不仅仅是片面要求光电吊舱产品指标的优化；

(3)理论分析结合数学计算明确光电吊舱指标要求，根据架空输电线路巡检业务对分辨率的要求，结合约翰逊法则提出对光电吊舱指标的要求，解决传统吊舱选型方法缺少理论分析和计算的问题；

(4)强调光电吊舱整体稳定性对巡检效果的影响，并进行量化分析，根据光电载荷指标提出对整体稳定性要求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实施例提供的一种无人机巡检时光电吊舱选型方法流程图；

图2为本实施例涉及的光电吊舱中光电传感器的光学几何成像原理示意图；

图3为本实施例光电吊舱稳定性与定位精度之间的关系示意图；

图4为本实施例提供的一种无人机巡检时光电吊舱选型装置框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本领域技术技术人员知道，本发明的实施方式可以实现为一种系统、装置、设备、方法或计算机程序产品。因此，本公开可以具体实现为以下形式，即：完全的硬件、完全的软件(包括固件、驻留软件、微代码等)，或者硬件和软件结合的形式。

根据本发明的实施方式，提出了一种无人机巡检时光电吊舱选型方法及装置。

此外，附图中的任何元素数量均用于示例而非限制，以及任何命名都仅用于区分，而不具有任何限制含义。

下面参考本发明的若干代表性实施方式，详细阐释本发明的原理和精神。

如图1所示，为本发明实施例提供的一种无人机巡检时光电吊舱选型方法流程图。包括：

步骤101)：确定光电吊舱内部设置的光电传感器的类型是否适合无人机巡检架空输电线路任务；

在本实施例中，架空输电线路主要由导线、架空地线和拉线、绝缘子、架空输电线路金具、杆塔、杆塔基础和接地装置组成。无人机执行架空输电线路巡检任务时，为判断线路本体、附属设施及通道环境是否正常，需对被巡查区域清晰成像和摄像，这种情况下，光电吊舱内部需集成可见光相机、可见光摄像机。为判断被巡查区域线路区段是否有异常高温发热点，并对异常高温发热点进行红外成像，这种情况下，光电吊舱内部需集成红外热像仪。所以，根据不同的架空输电线路巡检任务的需求，可以选择对应的光电吊舱类型。不同类型的光电吊舱内部集成可见光相机、可见光摄像机和红外热像仪等一种或多种光电传感器，完成对应地架空输电线路巡检任务。

步骤102)：针对适合无人机巡检架空输电线路任务的光电吊舱内部设置的光电传感器，根据约翰逊法则，在不考虑目标本质和图像缺陷的情况下，用目标等效条纹的分辨力来确定所述光电传感器的分辨率；

在本实施例中，架空输电线路的巡视对象可分为线路本体、附属设施和通道及电力保护区。由于挂载飞行平台的不同，巡检对象及分辨率要求也略有差异。根据约翰逊法则，在不考虑目标本质和图像缺陷的情况下，用目标等效条纹的分辨力来确定光电传感器对目标的识别能力，即光电传感器的分辨率是通过4个像素点可识别一个目标来确定。在电力巡线中，需检测出各类缺陷故障，此时，光电传感器分辨率应为巡检对象分辨率要求的一半。实际运用中，红外热像仪除考虑分辨能力外，还需考虑对温度的敏感程度。

步骤103)：根据所述光电传感器的分辨率与已知所述光电传感器的识别距离之间的比值确定所述光电传感器的指标值，将所述光电传感器的指标值同所述光电传感器的焦距与像元尺寸之间的比值进行比较，根据比较结果判断所述光电吊舱是否适合无人机巡检架空输电线路任务要求；

光电吊舱内部集成光电传感器，光电传感器成像依据光学几何成像原理，如图2所示。光电传感器分辨率与其指标之间存在如下关系：

式中，f表示光电传感器焦距；d表示像元尺寸；L表示识别距离；D表示光电传感器分辨率。

在已知识别距离L和光电传感器分辨率D要求的情况下，可得出已知识别距离L和光电传感器分辨率D之间的比例关系代入公式(1)，若满足可判断光电吊舱满足要求。即：所述光电传感器的指标值小于等于所述光电传感器的焦距与像元尺寸之间的比值，则所述光电吊舱适合无人机巡检架空输电线路任务要求；否则，则所述光电吊舱不适合无人机巡检架空输电线路任务要求。

步骤104)：如果所述光电吊舱适合无人机巡检架空输电线路任务要求，则利用所述光电吊舱中的可见光摄像机的载荷参数计算获得所述光电吊舱的第一稳定性理论值，并根据无人机巡检任务对定位精度的要求确定所述光电吊舱的第二稳定性理论值，如果所述光电吊舱的稳定性实际值均优于所述第一稳定性理论值、第二稳定性理论值，则确定所述光电吊舱适用于无人机巡检架空输电线路。

在本步骤中，所述光电吊舱的第一稳定性理论值与所述光电吊舱中的可见光摄像机的载荷参数的关系表达式为：

其中，ΔX：图像行方向的像素偏移数；ΔY：图像列方向的像素偏移数；K_A：行方向单位角度内的像素点数，单位为/rad；K_A＝N_A/HFOV，N_A：每行包含的像素数；HFOV：水平方向视场角；K_E：列方向单位角度内的像素点数，单位为/rad；K_E＝N_E/VFOV，N_E：每列包含的像素数；VFOV：垂直方向视场角；X_t和Y_t：分别为可见光摄像机拍摄的视频中每一帧图像内的像素点坐标；ΔH和ΔP：瞄准线稳定精度，单位为rad；ΔR′：和ΔR相等的纯数字量，没有单位；ΔR：瞄准线稳定精度，单位为rad。

在考虑对目标定位的情况下，如图3所示，所述光电吊舱的第二稳定性理论值与对应地定位精度的关系表达式为：

式中，△α：吊舱俯仰稳定精度，单位rad；△β：吊舱方位稳定度，单位rad；△D：吊舱纵向定位精度，单位m；ΔD＝Htan(α+Δα)-Htanα；△C：吊舱横向定位精度，单位m；H：对地高度，单位m；α：吊舱俯仰角度，单位rad；β：吊舱方位角度，单位rad。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一般计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(Random Access Memory，RAM)等。

如图4所示，为本发明实施例提出的一种无人机巡检时光电吊舱选型装置框图。包括：

第一判定单元401，用于确定光电吊舱内部设置的光电传感器的类型是否适合无人机巡检架空输电线路任务；

光电传感器分辨率确定单元402，用于针对适合无人机巡检架空输电线路任务的光电吊舱内部设置的光电传感器，根据约翰逊法则，在不考虑目标本质和图像缺陷的情况下，用目标等效条纹的分辨力来确定所述光电传感器的分辨率；

第二判定单元403，用于根据所述光电传感器的分辨率与已知所述光电传感器的识别距离之间的比值确定所述光电传感器的指标值，将所述光电传感器的指标值同所述光电传感器的焦距与像元尺寸之间的比值进行比较，根据比较结果判断所述光电吊舱是否适合无人机巡检架空输电线路任务要求；

具体地，所述第二判定单元403对所述光电传感器的指标值与所述光电传感器的焦距与像元尺寸之间的比值进行比较，如果所述光电传感器的指标值小于等于所述光电传感器的焦距与像元尺寸之间的比值，则所述光电吊舱适合无人机巡检架空输电线路任务要求；否则，则所述光电吊舱不适合无人机巡检架空输电线路任务要求。

第三判定单元404，用于如果所述光电吊舱适合无人机巡检架空输电线路任务要求，则利用所述光电吊舱中的可见光摄像机的载荷参数计算获得所述光电吊舱的第一稳定性理论值，并根据无人机巡检任务对定位精度的要求确定所述光电吊舱的第二稳定性理论值，如果所述光电吊舱的稳定性实际值均优于所述第一稳定性理论值、第二稳定性理论值，则确定所述光电吊舱适用于无人机巡检架空输电线路。

具体地，所述第三判定单元404中光电吊舱的第一稳定性理论值与所述光电吊舱中的可见光摄像机的载荷参数的关系表达式为：

其中，ΔX：图像行方向的像素偏移数；ΔY：图像列方向的像素偏移数；K_A：行方向单位角度内的像素点数，单位为/rad；K_A＝N_A/HFOV，N_A：每行包含的像素数；HFOV：水平方向视场角；K_E：列方向单位角度内的像素点数，单位为/rad；K_E＝N_E/VFOV，N_E：每列包含的像素数；VFOV：垂直方向视场角；X_t和Y_t：分别为可见光摄像机拍摄的视频中每一帧图像内的像素点坐标；ΔH和ΔP：瞄准线稳定精度，单位为rad；ΔR′：和ΔR相等的纯数字量，没有单位；ΔR：瞄准线稳定精度，单位为rad。

具体地，所述第三判定单元404中光电吊舱的第二稳定性理论值与对应地定位精度的关系表达式为：

式中，△α：吊舱俯仰稳定精度，单位rad；△β：吊舱方位稳定度，单位rad；△D：吊舱纵向定位精度，单位m；ΔD＝H tan(α+Δα)-H tanα；△C：吊舱横向定位精度，单位m；H：对地高度，单位m；α：吊舱俯仰角度，单位rad；β：吊舱方位角度，单位rad。

本领域技术人员还可以了解到本发明实施例列出的各种功能是通过硬件还是软件来实现取决于特定的应用和整个系统的设计要求。本领域技术人员可以对于每种特定的应用，可以使用各种方法实现所述的功能，但这种实现不应被理解为超出本发明实施例保护的范围。

此外，尽管在上文详细描述中提及了装置的若干单元，但是这种划分仅仅并非强制性的。实际上，根据本发明的实施方式，上文描述的两个或更多单元的特征和功能可以在一个单元中具体化。同样，上文描述的一个单元的特征和功能也可以进一步划分为由多个单元来具体化。

实施例

为了能够更加直观的描述本发明的特点和工作原理，下文将结合一个实际运用场景来描述。

以无人机进行架空输电线路巡检为例，业务需求是进行精细化巡检和火源定位。有两款吊舱可供选择，光电吊舱A可见光载荷的焦距为35mm，像元尺寸为6.25μm，可见光摄像机视场角为45°×36°，视频画面分辨率为1920×1080，整体稳定性≤5×10^-4rad；光电吊舱B可见光载荷的焦距为50mm，像元尺寸为7.48μm，可见光摄像机视场角为45°×36°，视频画面分辨率为1920×1080，整体稳定性≤1×10^-3rad。由于参数较多，很难直接通过指标进行选择。

传统的吊舱选型注重对分辨率的要求。在进行精细化巡检时，要求能够识别cm级销钉目标，要求光电吊舱分辨率不大于5×10^-4m。执行精细化巡检时，无人机位于输电线路右上方70m处，此时光电吊舱A的焦距与像元尺寸之间的比值为5600，光电吊舱B的焦距与像元尺寸之间的比值为6184，两个光电吊舱均符合的条件，分辨率满足要求，而且由于光电吊舱B的分辨率更高，传统的选型方法得出的结论是光电吊舱B更适合架空输电线路巡检。

采用本方法进行选型时，进一步考虑光电吊舱整体稳定性对巡检效果的影响。首先分析第一稳定性要求，在三轴瞄准线稳定精度一致的情况下，光电吊舱A的第一稳定性要求为不大于1.675×10^-3rad，光电吊舱B的第一稳定性要求为不大于1.745×10^-3rad，两个光电吊舱均满足第一稳定性要求，图像抖动满足要求。在不考虑无人机抖动对定位精度的影响时，火源定位精度与光电吊舱的对地高度、姿态角和稳定性有关。在对地高度2000m，方位角和俯仰角均为60°，定位精度不大于10m的情况下，对光电吊舱的第二稳定性要求为俯仰角稳定性优于1.25×10^-3rad，方位角稳定性优于6.2×10^-4rad。显然，光电吊舱B不满足定位精度的要求。

通过本方法最终选择光电吊舱A进行架空输电线路巡检，不仅分辨率满足巡检要求，而且满足稳定性要求，可综合考虑多方面因素实现光电吊舱的最优选择。

以上具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。