基于视觉识别技术的电力巡线无人机自动充电系统

基于视觉识别技术的电力巡线无人机自动充电系统

秦晓宇

（内蒙古包头市供电局内蒙古包头014030）

摘要：近年来，无人机发展迅速，应用领域广阔，在地质勘察、电力巡检等各种领域的应用越来越广泛，但由于目前电池技术的发展仍停留在传统锂聚合物电池阶段，能量密度有限。并且由于目前应用最为广泛的多旋翼飞行器依靠螺旋桨直接产生升力，效率远低于固定翼飞行器。所以无人机的续航问题始终是制约无人机发展的瓶颈，特别是在执行例如远距离电力巡线、灾区救援等远程航点任务时，续航问题带来的局限性尤为明显，这就使得目前无人机最大航程限于5km以内，无法满足未来利用无人机巡线，灾区救援等的行业需要。为了提升无人机的续航能力，增加航程，更大程度的发挥利用无人机这个方便且高效的平台，我们构思了这套基于视觉识别技术的无人机续航解决方案。

本论文对无人机自动充电系统的方案选择、设计思路、以及软硬件的功能和工作原理进行了详细的分析和论述。本系统主要分为视觉识别系统和无线充电基站两大部分。其中，视觉识别系统集成安装于无人机的底板位置，飞机电池电量不足时，系统自动启动，并通过视觉识别系统与北斗卫星定位系统搜寻地面的可用无线充电基站，将采集到的基站位置信息发送给飞控，完成飞机由空中到无线充电基站的自动降落。飞机降落后无线充电基站系统启动，利用谐振式无线充电技术快速完成对飞机的充电。电池充满后，飞控系统会自动执行起飞程序，飞机将继续执行之前的未完成任务。无线充电过程结束。

本套系统在安全可靠的同时极大地提升了无人机的续航能力，同时由于采用了多种定位方案，可保证飞行器在搜寻地面充电基站以及降落的过程中不受环境、天气等因素的限制。

关键词：电力系统；巡线无人机；视觉识别技术；自动充电系统

第一章系统工作原理

系统主要分为两大部分，即无线充电系统与机载自主视觉识别降落系统。无线充电基站是飞机恢复电量的重要部分，由视觉信标、无线充电模块构成，采用低电压大电流的快速充电方案，可极大降低一次充电的所需时间，并且成本相对较低且体积轻巧，在未来可作为城市基础设施安装于楼房顶端以及线路基塔上。无线充电基站带有IR-LOCK红外定位信标以及高亮LEDTag标识两套不同的信标定位装置，在白天两套系统协同工作，以便于给飞机提供精准的降落位置信息。如在夜间或环境能见度较差时，飞机仍可以通过IR-LOCK红外信标实现精准降落。以便于无人机在电量不足时可尽快搜寻到基站并且实现精准降落。此外除无人机停于基站进行充电时，无线充电装置均处于关闭状态，既避免了无线充电器的电磁波对无人机起飞降落造成影响，又达到了节约能源的目的，符合未来时代的发展要求。

无人机在执行远距离航点飞行时，飞行控制系统通过电流与电压传感器监测其电池电量，当电量不足时，飞控系统会自动切换飞行模式至低电量保护模式，视觉传感器开机运行，自动搜索提前安装于楼顶或线路基塔上的无线充电基站，当发现基站目标时，飞控自动开始执行降落程序，最终在视觉定位技术的辅助下，精确降落到无线充电基站，基站会自动为无人机电池进行快速充电，当飞控检测到电量已满时，将自动执行解锁起飞指令，继续之前未完成的航线。整个过程可控制在20分钟之内快速完成。

第二章系统组成

2.0.0硬件电路简述

视觉识别模块集成于飞机电池仓的下方，采用与飞控供电相同的供电方案，并通过I2c总线连接到飞控，飞控在收到所采集的数据后，会将数据集中至基于stm32f42u运行的底层操作系统，操作系统会依据采集到的数据输出pwm波至电子调速器，从而实现对飞机自动降落过程的控制。

2.1视觉定位识别系统

2.1.1关于OpenMV

OpenMV是一个开源，低成本，功能强大的机器视觉模块。OpenMVCamM7由216MHzARMCortexM7处理器为核心，集成了OV7725摄像头芯片。它具有512KBRAM，支持640x480灰度图像/视频，并可以通过UART，I2C，SPI，AsyncSerial以及GPIO等控制其他的硬件或被其他单片机控制以实现更为复杂的功能。

图为OpenMV模块。

2.1.2AprilTag标记跟踪识别算法

AprilTag是一个由密歇根州立大学的April实验室开发的、免费开源的视觉定位系统，该技术利用类似于二维码的Tag实现定位，被广泛应用于机器人、无人机定位导引等。Tags是由黑白相间的类似于二维码的方块构成，不同的Tag包含了不同的ID信息。这个tag可以直接用打印机打印出来。AprilTag的3D定位的功能可以得知Tag的空间位置，一共有6个自由度，三个位置，三个角度。根据相机的成像原理，当得到标定好的相机的焦距、量出所贴Tags的尺寸，就可以计算出Tag在相机坐标系下的三维坐标，另外由于Tag本身具有二维信息，所以还可以得到Tag相对于相机的旋转坐标。

识别具体流程如图所示。

通过计算机生成的tag如图。

2.1.3工作流程

当飞行控制系统检测到电池电量较低时，自动对当前GPS坐标与预先存储在飞控flash的充电站坐标比对，找到最近的可用充电站坐标并自动飞行至目标充电站上空。此时飞控唤醒OpenMV模块并下达检测命令。

OpenMV通过AprilTag标记跟踪实现对充电站位置的精准识别，并将充电站相对于飞行器的方位实时上报给飞控系统，飞控系统对数据进行处理并实时调整飞行姿态以准确降落至充电站，识别过程结束，OpenMV模块被系统关闭。通过测试，本系统的误差可精准控制到5cm以内，最大限度地降低了充电站的空间占用。在非识别降落阶段，为保证电能的最大化利用，OpenMV处于完全掉电状态以节约电池电能。

2.1.4pixy视觉识别系统

Pixy是一个开源的图像识别传感器，支持多物体，多色彩的颜色识别，最高支持7种颜色。Pixy支持多种通信方式，如SPI，I2C等，它搭载的图像传感器配合强大的硬件，可以配合PC跟踪、分析多色的数据。

Pixy是由Charmed实验室联合卡内基梅隆大学共同推出的一款图像传感器。其强大的处理器上搭载着一个图像传感器，它会选择性的处理有用的信息，因为它采用以颜色为中心的办法——使该产品只是将特定颜色的物体的视觉数据发送给相互配合的微型控制器，而不是输出所有视觉数据以进行图像处理。

图为pixy视觉识别系统

处理器：NXPLPC4330，204MHz，双核

图像传感器：OmnivisionOV9715，1/4"，1280x800

可视域：水平--75度；垂直--47度

镜头类型：standardM12（severaldifferenttypesavailable）

消耗电流：140mA

输入电流：USB输入（5V）/宽电压输入（6V~10V）

RAM：264Kbytes

Flash：1Mbytes

通信接口：UARTserial，SPI，I2C，USB，digital，analog

尺寸：2.1"x1.75"x1.4"

Pixy的功能与openmv大致相同，唯一的区别在于它可识别IR-LOCK红外信标所发射的红外信号，并且不受气象条件的限制，所以与openmv互为冗余系统，以实现降落误差在±10cm内的精准着陆。

2.2飞行器无线充电基站

2.2.1无线充电装置

当无人机飞控识别到飞行器处于低电量状态时，无线充电线圈便会激活，待降落后从基站充电。我们的无线充电线圈采用了高密度的缠绕方式，同时采用了多线圈嵌套的排列方式，在提升充电效率、降低不必要的能量损耗的同时提升了充电速度与兼容度。我们设计的无线充电线圈，采用我们自主设计的12V大功率无线充电协议，可以快速对无人机进行充电，同时兼容Qi，PowerMattersAlliance，A4WP，iNPOFi，Wi-po等多种国际无线充电协议，保证了对不同种类无人机高度兼容。既提高了无人机充电速度，又扩大了无人机的应用范围。

2.2.1飞行器着陆引导信标IR-LOCK

IR-LOCK通过发射红外光，让PIXY视觉识别系统进行捕捉然后精确定位。由于红外光的特殊性质，这使得IR-LOCK可在任何光照条件下进行可靠性指标跟踪，包括高反射环境、夜晚、浓雾等

图为IR-LOCK信标

2.3Pix开源无人机飞行控制系统

Pixhawk是世界上最出名的开源飞控的硬件厂商3DR最新推出了最新一代飞控系统，其前身是APM，由于APM的处理器已经接近满负荷，没有办法满足更复杂的运算处理，所以硬件厂商采用了目前最新标准的32位ARM处理器，第一代产品是PX4系列，他分为飞控处理器PX4FMU和输入输出接口板PX4IO。PX4系列可以单独使用PX4FMU，但是接线很复杂，也可以配合输入输出接口板PX4IO来使用，但是因为没有统一的外壳，不好固定，再加上使用复杂，所以基本上属于一代实验版本。通过PX4系列的经验，厂商终于简化了结构，把PX4FMU和PX4IO整合到一块板子上，并加上了骨头形状的外壳，优化了硬件和走线，也就是这款第二代产品PIXHAWK.

PIXHAWK的所有硬件都是透明的，它用的是什么芯片和传感器一目了然，所有的总线和外设都进行引出，不但以后可以兼容一些其他外设，而且极其方便飞控的二次开发。

PIXHAWK是一个双处理器的飞行控制器，一个擅长于强大运算的32bitSTM32F427CortexM4核心168MHz/256KBRAM/2MBFlash处理器，还有一个主要定位于工业用途的协处理器32bitSTM32F103，它的特点就是安全稳定。所以就算主处理器死机了，还有一个协处理器来保障安全。

1）特性

●核心MCU性能：168MHz/252MIPSCortex-M4F；

●输出能力：14PWM/舵机输出（其中8个带有失效保护功能，可人工设定。6个可用于输入，全部支持高压舵机）；

●大量外设接口（UART，I2C，CAN）；

●在飞翼模式中，可以使用飞行中备份系统，可设置。可存储飞行状态等数据；

●多余度供电系统，可实现不间断供电；

●外置安全开关；

●全色LED智能指示灯；

●大音量智能声音指示器；

●集成microSD卡控制器，可以进行高速数据记录。

2）MCU

●32bit/STM32F427/CortexM4核心/FPU带有浮点运算器；

●168MHz/256KBRAM/2MBFlash；

●32bit/STM32F103失效保护控制器。

3）传感器

●ST公司小型L3GD20H16bit陀螺芯片；

●ST公司小型LSM303D14bit加速度/磁场芯片；

●MEAS公司MS5611气压芯片。

4）通信

●5xUART（串口），1个带有高驱动能力，2个带有流控制功能；

●2xCAN，1个带有内置3.3V转换器，另一个需要外置转换器；

●支持SpektrumDSM/DSM2/DSM-X.输入；

●支持FutabaS.BUS.输入/支持PPM信号输入/支持RSSI（PWM信号）输入；

●I2C，SPI，2xCAN，USB，内置microUSB接口，并可扩展外部microUSB接口；

●.3.3and6.6VADC电压信号输入；

5）电源

●.电源失效后自动二极管控制（不间断供电）；

●.支持最大10V舵机电源和最大10A功耗；

●.所有外设输出带有功率保护；

●.所有输入带有静电保护。

6）扩展

●.数字空速传感器，PIXHawk支持MS4525DO数字差压传感器作为空速传感器。这是一种贴片内置14位精度压差采集和11位精度温度采集的气压传感；芯片。使用1PSI量程，内部采样精度为24bit，分辨率0.84Pa；

●.外部USB扩展接口（可安装在设备外壳）；

●外置全色彩LED；

●.I2C分线器。

3应用领域及前景展望

在电池技术仍然以锂聚合物电池为主的今天，为了突破无人机的续航瓶颈，我们在不改变供电方案的前提下，研发了无人机自主充电技术，实现了对无人机的最大限度利用，极大增强了无人机的作业范围以及作业能力，对于未来无人机在电力巡线领域大范围、高强度的应用打下了良好基础。同时，在系统最核心的视觉识别部分采用可见光与红外两种识别方式，保证了系统在任何环境、天气条件下的正常运作。

4结语

时代的发展必定伴随着技术的进步，本套系统确保了无人机在未来执行任务时能够避免由于电池续航不足带来的诸多方面的限制，对于无人机在电力巡线以及其他相关领域中广泛高效利用具有重大而深远的意义。