為滿足輸電線的巡檢需求，提高輸電線巡檢效率、安全性以及自動化程度，提出了一種基于攝像頭的輸電線無人機(jī)自主巡線方案。無人機(jī)采用STM32F407為主控制芯片，用黑白攝像頭采集輸電線與背景的灰度圖像信息，然后依次對圖像進(jìn)行二值化、中值濾波和輸電線提取處理，規(guī)劃無人機(jī)的巡線路徑。此外，無人機(jī)還搭配433 MHz無線通信模塊，用戶可以通過無線手柄遠(yuǎn)距離遙控。仿真實(shí)驗(yàn)表明，此方案能有效地實(shí)現(xiàn)無人機(jī)自主巡線飛行，為無人機(jī)搭載可見光視頻采集、紫外成像等裝置及進(jìn)行輸電線航拍巡檢搭建了良好的平臺。

　　近年來，我國的全國互聯(lián)大電網(wǎng)逐步建成并完善，輸電線路總長度和輸送容量逐年增長。為確保輸電線路的可靠性，及時(shí)發(fā)現(xiàn)線路損傷和隱患，電力部門必須定期對輸電線路進(jìn)行巡檢［1］。目前輸電線路的巡檢主要為人工巡檢，此方式受到自然環(huán)境和巡檢設(shè)備的制約，成本高、效率低、漏檢率及誤檢率大，效果不佳。線路攀爬機(jī)巡檢機(jī)器人巡檢速度慢，對機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求高，需要完成越障等高難度動作，機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制算法復(fù)雜。

　　由于四旋翼無人機(jī)具有能垂直起降、可懸停、適應(yīng)性強(qiáng)、成本低、安全性高、機(jī)動性好等許多特點(diǎn)，可搭載航拍裝置多角度、全方位地獲取清晰準(zhǔn)確的輸電線信息。非接觸式輸電線巡檢實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測，提升故障檢出率，為迅速確定搶修方案、縮短搶修時(shí)間提供有力保障。

　　本文設(shè)計(jì)了一種基于攝像頭的自主巡線四旋翼無人機(jī)方案，用黑白攝像頭采集輸電線與背景的灰度圖像信息并進(jìn)行相應(yīng)處理，快速準(zhǔn)確地識別出輸電線，以輸電線作為導(dǎo)航目標(biāo)，規(guī)劃四旋翼無人機(jī)的巡線路徑。

　　1 四旋翼無人機(jī)自主巡線方案設(shè)計(jì)

　　自主巡線四旋翼無人機(jī)由機(jī)架、主控模塊、攝像頭、姿態(tài)檢測模塊、高度檢測模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊、電池模塊構(gòu)成。主控模塊讀取各傳感檢測模塊的數(shù)據(jù)并進(jìn)行姿態(tài)數(shù)據(jù)融合，解算出無人機(jī)的高精度姿態(tài)角，讀取并處理攝像頭圖像數(shù)據(jù)，規(guī)劃無人機(jī)巡線路徑，根據(jù)偏差調(diào)節(jié)各電機(jī)轉(zhuǎn)速，使無人機(jī)執(zhí)行相應(yīng)的飛行動作達(dá)到自主巡線飛行的效果。四旋翼無人機(jī)總體設(shè)計(jì)圖如圖1。

　　2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)分為四旋翼無人機(jī)機(jī)架及動力模塊、主控模塊、輸電線檢測模塊、無人機(jī)姿態(tài)及高度檢測模塊、應(yīng)急通信模塊5個(gè)部分。

　　2.1 機(jī)架及動力模塊

　　四旋翼無人機(jī)是一種六自由度的、帶有4片正反槳葉的旋翼類飛行器，可通過改變4個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制無人機(jī)在縱向、橫向、豎直方向和偏航方向上運(yùn)動。選用大疆公司的風(fēng)火輪F450飛行平臺，好盈30 A無刷電調(diào)直接焊接到F450的沉金PCB上，配備新西達(dá)2 212/1 000 kV電機(jī)構(gòu)建四旋翼無人機(jī)。該平臺機(jī)架力臂材料強(qiáng)度大，耐摔，耐撞擊，機(jī)身設(shè)計(jì)時(shí)保持重心和幾何重心重合，穩(wěn)定性好。為了增長四旋翼無人機(jī)的巡檢時(shí)間、懸停能力以及抗風(fēng)能力，滿足電機(jī)的功率要求，動力模塊配備30 C放電性能的5 200 mAh的高能鋰聚合物電池。

　　2.2 主控模塊

　　四旋翼無人機(jī)的主控模塊是實(shí)現(xiàn)機(jī)體穩(wěn)定、精確巡線飛行的核心。選用STM32F407芯片完成對各種傳感器數(shù)據(jù)的讀取、運(yùn)算處理、飛行姿態(tài)和動作的控制，使無人機(jī)根據(jù)控制算法處理結(jié)果來調(diào)整飛行姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)巡線飛行。

　　STM32F407芯片是基于ARMCortex-M4內(nèi)核的32 bit微控制器，具有256 KB Flash，支持最高168 MHz的運(yùn)行頻率，開源且擁有函數(shù)庫，功能強(qiáng)大，與硬件兼容性好，可移植性強(qiáng)，便于無人機(jī)控制算法的開發(fā)、維護(hù)和升級。

　　2.3 輸電線檢測模塊

　　輸電線圖像的分辨率是決定自主巡線是否精確的基礎(chǔ)。圖像采集采用OV7620攝像頭，利用逐行掃描方式采集輸電線及背景圖像上的點(diǎn)，通過I/O傳輸?shù)街骺啬K。OV7620是CMOS彩色/黑白圖像傳感器，支持連續(xù)和隔行兩種掃描方式，最高像素為664×492，幀速率為30 f/s，數(shù)據(jù)格式包括YUV、YCrCb、RGB 3種，內(nèi)置10 bit雙通道A/D轉(zhuǎn)換器，輸出8 bit圖像數(shù)據(jù)，自帶自動增益和自動白平衡控制，功耗小于110 mW，可以采集到較為清晰的黑白數(shù)字圖像。