CN101811578B - 电力巡检无人直升机专用光电吊舱 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电力巡检无人直升机专用光电吊舱，其包括机载部分与地面部分，机载部分包括位于上部的固定部、位于下部的转动部及伺服控制组件，转动部包括陀螺稳定转塔、固定部包括电子控制舱，电子控制舱与陀螺稳定转塔之间的电缆通过可支持陀螺稳定转塔nx360度旋转导电滑环连接，光电吊舱机载部分通过减振装置悬挂于无人直升机上、并与无人直升机的飞行控制系统相通讯连接。本发明的优点在于：其是一款结构紧凑的高性能的光电任务载荷，可以满足远距离电力巡视的要求。其具有自稳定功能和自跟踪功能，可以实时地从图像中摄取想要跟踪的目标，并可通过空中载体上的无线电传输系统传至地面控制车，便于巡线人员直接掌握现场的情况，以提高电力巡线的效率。

Description

电力巡检无人直升机专用光电吊舱

技术领域

本发明涉及一种电力巡检无人直升机系统，特别是一种电力巡检无人直升机专用光电吊舱。

背景技术

近年来，由于全球气候变暖，自然灾害频发，给国家经济和人民造成的灾害有上升的趋势。电力部门在灾害发生后救灾和减灾的手段还不够完善，尤其是快速掌握灾情还缺乏有效的经过演练的技术手段。与此同时，随着电力系统的发展，输电线路越来越长，电压等级越来越高。我国目前110kV以上的电力线路近九十万公里，巡线作业每年多都要进行多次，数量巨大。电力企业每年都要投入巨大的人力物力对输电线路进行定期巡视检查。传统的工作方式效率较低，对于保证电网的安全运行极为不利。

无人飞行器具有不受地形环境限制的优势，其搭载的可见光、红外热成像设备具有对运行电网准确的隐患发现能力。在灾情发生时或有灾情预警时，无人飞行器能够迅速地赶往现场实施灾情监测和救灾指挥。在无灾情时能够实现高效电网巡视、监控管理一体化的模式，变故障处置为隐患控制，极大的降低电网故障率，提高电网维护工作效率。

应用飞行器进行防灾减灾和线路巡检的任务时，需研制一种电力巡检无人直升机专用光电吊舱。目前国内外大多数光电吊舱都侧重于航拍摄影或者军用侦察。航拍摄影吊舱以能获取高分辨率的影像为目的，其功能较为单一；军用侦察吊舱侧重于高空高速可见光或红外侦察，一般不要求探察10CM左右的小型目标。且以安装在载人机为主，战技指标要求高，但是热像仪一般不具备红外测温功能，自重太重，难以挂载到小型无人直升机上执行任务。调研过程有见用于无人直升机的军用侦察吊舱，体积及重量均满足小型无人直升机的搭载条件，但是其搭载的光电任务设备都较单一，不能满足电力巡检的多种需要。用于无人直升机电力巡检的专用吊舱要求多功能、自重轻、抗震动、可提供距离参数控制无人直升机自主避让障碍物、具有抗强电磁场干扰的能力、还应具有陀螺增稳和目标凝视锁定功能。综上所述，主要应用于电力巡检无人直升机专用的光电吊舱国内外未见。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，而提供一种电力巡检无人直升机专用光电吊舱。

一种电力巡检无人直升机专用光电吊舱，其结构要点在于：所述的光电吊舱包括机载部分与地面部分，所述的机载部分包括位于上部的固定部、位于下部的转动部及伺服控制组件，所述的转动部包括陀螺稳定转塔、所述的陀螺稳定转塔包括陀螺稳定平台、俯仰轴向力矩电机、横滚轴向力矩电机、俯仰轴向编码器、横滚轴向编码器、设置于陀螺稳定平台内部的光学传感器；

所述的固定部包括有电子控制舱，电子控制舱内设置有陀螺稳定平台伺服控制器、水平轴向力矩电机、水平轴向编码器、通讯组件、二次电源组件、光电任务载荷中心控制器，电子控制舱与陀螺稳定转塔之间的电缆通过可支持陀螺稳定转塔nx360度旋转导电滑环连接，光电吊舱机载部分通过减振装置悬挂于无人直升机上、并与无人直升机的飞行控制系统相通讯连接；

所述的伺服控制组件包括无人直升机的机载传感器、机载飞行控制器、电子控制舱内的陀螺稳定平台伺服控制器、光电吊舱固定部与转动部内的俯仰轴向力矩电机、横滚轴向力矩电机、水平轴向力矩电机及相应的编码器；

所述的光电吊舱的地面部分包括操纵装置及操纵编码板，操纵装置与操纵编码板通讯连接，所述的操纵编码板与光电吊舱无线通讯连接。

本发明的电力巡检无人直升机专用光电吊舱，在使用时，将其通过减振装置悬挂于直升机上，并使光电吊舱的相应部分与直升机的飞行控制系统相通讯连接，操纵地面操纵装置，与光电吊舱的地面操纵装置相通讯连接的操纵编码板将对应的信号经上行链路发送给光电吊舱发送控制指令，陀螺稳定转塔内的光学传感器等任务设备的控制指令通过电子控制舱上接插件，由操纵编码板的信息处理系统分别按各自通讯方式直接进行控制；任务设备所获取的图像信号经无人机的下行链路回传给操纵编码板的图像接收模块实时显示。

所述的操纵编码板为直接利用地面测控车或控制站的操纵系统。

直接利用地面测控车或控制站作为吊舱地面部分的操纵系统，使用时只需将操纵装置安装在地面测控车或控制站上，通过无线方式控制吊舱，可以实时地从图像中摄取想要跟踪的目标，并可通过无人直升机的无线电传输系统传至地面控制车或控制站。

所述的陀螺稳定平台为四框架三轴稳定平台结构。

这种结构的平台可以保证光学传感器既不受风阻力矩的影响，又能够隔离载机偏航、俯仰和横滚运动，使平台具有高的光轴稳定精度和大的搜索范围。

所述的减振装置由四空气阻尼组成。

所述的伺服控制组件的陀螺稳定平台伺服控制器读取无人直升机的机载陀螺仪和航向计提供的姿态控制参数以及飞机的动态特性模型数据，对光电吊舱进行视轴稳定和与无人直升机的姿态跟随控制，实现陀螺增稳。

无人直升机的机载陀螺仪和航向计感知飞机的实时飞行姿态，提供姿态控制参数以及飞机的动态特性模型数据，发送到机载飞行控制器，经由飞行控制器处理后分出一路传送给吊舱的饲服控制器，饲服控制器计算处理后将相应控制量给到吊舱三个轴向的力矩电机上，完成吊舱的随动增稳控制。同时吊舱内三个轴向的编码器负责将吊舱三轴的旋转角度反馈给饲服控制器，实现吊舱稳定回路的闭环控制。

所述陀螺稳定平台伺服控制器与无人直升机飞行控制系统、导航系统融合，电网GIS系统提供的输电杆塔座标和无人直升机GPS、高度计、航向计各种传感器所提供的姿态参数，经飞控计算机融合处理输出，通过RS422串口给云台伺服控制器输出云台控制量，控制陀螺稳定转塔实现对输电线路杆塔的凝视锁定。

所述的光学传感器包括照相机、摄像机、红外成像仪、紫外成像仪等。

在稳定平台上安装有激光测距仪。

所述的激光测距仪用于对输电杆塔进行精确测距，将飞机与铁塔或其他障碍物的实时距离通过一个基于RS422协议的数据链路传输至无人直升机飞行控制系统。

在稳定平台上安装激光测距仪可实现对输电杆塔进行精确测距，将飞机与铁塔或其他障碍物的实时距离通过一个基于RS422协议的数据链路传输至无人直升机飞行控制系统。无人直升机飞控制系统根据测距仪提供的距离参数得出控制量，传送到舵机控制器，使横滚舵机和俯仰舵机产生偏转，从而主旋翼平面向相应的方向偏转，带动直升机机体相应地偏转，完成无人直升机自主避让障碍物机动飞行。

所述的伺服控制组件包括俯仰轴向力矩电机、横滚轴向力矩电机、水平轴向力矩电机及陀螺稳定平台伺服控制器上的伺服板，伺服板将由机载陀螺仪发送的信息经AD板转换后、与由通讯组件传递的信息，经处理后输出给旋变伺服电机。

所述的伺服控制组件包括稳定回路、随动回路及锁定回路：

所述的稳定回路由无人直升机机载角速率陀螺，力矩电机和电子线路组成，其包括内方位稳定回路和内俯仰稳定回路，

所述的随动回路使陀螺稳定平台外框架系统必须随动内框架系统，使内框架系统的各轴始终处于零位附近，其包括外俯仰随动回路和外方位随动回路，

所述的锁定回路使稳定平台方位和俯仰两转轴的角位置与载机保持某一确定值，其具有内方位锁定回路、外方位锁定回路，内俯仰锁定回路、外俯仰锁定回路四套回路。

a)稳定回路

稳定回路的作用是隔离载机运动，保证视轴的稳定，这是本系统中最关键的回路。它由无人机机载角速率陀螺，力矩电机、编码器和电子线路组成。力矩电机所产生的卸荷力矩抵消平台上的干扰力矩，使视线实现空间稳定。由于稳定平台为两自由度稳定，因此稳定回路需要两套：内方位稳定回路和内俯仰稳定回路。

b)随动回路

为了实现系统稳定平台大回转角和搜索范围，稳定平台外框架系统必须随动内框架系统，使内框架系统的各轴始终处于零位附近。系统有两套随动控制系统回路：外俯仰随动回路和外方位随动回路。

c)随动回路

为了实现系统稳定平台大回转角和搜索范围，稳定平台外框架系统必须随动内框架系统，使内框架系统的各轴始终处于零位附近。系统有两套随动控制系统回路：外俯仰随动回路和外方位随动回路。

所述的陀螺稳定平台内的光电传感器由微处理器中心控制器控制，微处理中心控制器分别与光电传感器、无人直升机、伺服控制器相电连接。

光电吊舱内部有一个由微处理器实现的光电任务载荷中心控制器，当吊舱的中心控制器接收到飞控计算机发送的控制指令后，经过指令译码分别控制可见光摄像机、照相机、伺服控制器的工作状态，实现指令要求的操作。

所述的光电吊舱地面操纵系统包括吊舱机载可转动部分的操纵系统和吊舱任务操纵系统。

所述的光电吊舱机载可转动部分包括位置控制和速度控制。

所述的任务操纵或为操纵杆操纵，或为键盘操纵，或为两者的结合。

地面操纵手通过任务操纵杆和按键发指令给光电吊舱发指令使其云台水平、垂直方向运动，从而能够跟踪和拍摄需要的图像，而且对任务设备也能够进行实时操作。

综上所述的，本发明的优点在于：

1.所述电力巡检无人直升机专用光电吊舱能够利用测距仪提供距离参数控制无人机自主避让障碍物；

2.所述电力巡检无人直升机专用光电吊舱具有陀螺增稳和目标凝视锁定功能，便于地面操纵人员快捷方便地捕获目标；

3.吊舱机载部分的可转动部分可灵活搭载多种任务设备，可水平nx360°、垂直95°旋转以覆盖观测区域；吊舱机载部分的可转动部分具有自动扫描功能，方位锁定于0°位置不动做俯仰方向0°～+90°来回扫描；具有地面控制光学任务设备的变焦、拍照功能；吊舱具有自动目标(输电杆塔)跟踪锁定功能具有陀螺稳定功能以及位置锁定功能。

本电力巡检无人直升机光电吊舱是一款结构紧凑的高性能的光电任务载荷，其任务设备由可见光摄像机、高分辨率照相机、红外热成像仪或紫外成像仪构成，可以满足远距离电力巡视的要求。该光电任务载荷具有自稳定功能和自跟踪功能，可以实时地从图像中摄取想要跟踪的目标，并可通过空中载体上的无线电传输系统传至地面控制车，便于巡线人员直接掌握现场的情况，可以大大提高电力巡线的效率。

附图说明

图1是本发明的电力巡检无人直升机专用光电吊舱系统组成图

图2是伺服控制组件信息流程图

图3是稳定回路工作原理图

图4是随动/锁定回路工作原理图

图5是光学传感器的数据接口原理图

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进行更详细的描述。

实施例1

一种如图1所示的电力巡检无人直升机专用光电吊舱，包括机载部分与地面部分，所述的机载部分包括位于上部的固定部、位于下部的转动部及伺服控制组件，所述的转动部包括陀螺稳定转塔、所述的陀螺稳定转塔包括陀螺稳定平台、俯仰轴向力矩电机、横滚轴向力矩电机、俯仰轴向编码器、横滚轴向编码器、设置于陀螺稳定平台内部的光学传感器；所述的固定部包括有电子控制舱，电子控制舱内设置有陀螺稳定平台伺服控制电路、光电任务载荷中心控制器、水平轴向力矩电机、水平轴向编码器、光电任务载荷中心控制器、通讯组件、二次电源组件，电子控制舱与陀螺稳定转塔之间的电缆通过可支持陀螺稳定转塔nx360度旋转导电滑环连接，光电吊舱机载部分通过减振装置悬挂于直升机上、并与直升机的飞行控制系统相通讯连接；所述的伺服控制组件包括无人机的机载传感器、机载飞行控制器、电子控制舱内的稳定平台伺服控制器、光电吊舱固定部与转动部内的俯仰轴向力矩电机、横滚轴向力矩电机、水平轴向力矩电机及相应的编码器共同组成；所述的光电吊舱的地面部分包括操纵装置及操纵编码板，操纵装置与操纵编码板通讯连接，所述的操纵编码板与吊舱无线通讯连接。所述的操纵编码板为直接利用地面测控车的操纵系统。所述的陀螺稳定平台为四框架三轴稳定平台结构。所述的减振装置由四个空气阻尼组成。所述陀螺稳定平台伺服控制组件与无人直升机飞行控制系统、导航系统融合，电网GIS系统提供的输电杆塔座标和无人直升机GPS、高度计、航向计等各种传感器所提供的姿态参数，经飞控计算机融合处理输出，通过RS422串口给云台饲服控制器输出云台控制量，控制转塔实现对输电线路杆塔的凝视锁定。所述的光学传感器包括照相机、摄像机、红外成像仪、紫外成像仪、激光测距仪。所述的伺服控制组件包括各轴向的伺服电机及陀螺稳定平台伺服控制器的伺服板，伺服板将由机载陀螺仪发送的信息经AD板转换后的与由通讯组件传递的信息经处理后输出给旋变及伺服电机。所述的伺服控制组件包括稳定回路、随动回路及锁定回路如图2-4：所述的稳定回路由无人机机载角速率陀螺，力矩电机和电子线路组成，其包括内方位稳定回路和内俯仰稳定回路，所述的随动回路使稳定平台外框架系统必须随动内框架系统，使内框架系统的各轴始终处于零位附近，其包括外俯仰随动回路和外方位随动回路，所述的锁定回路使稳定平台方位和俯仰两转轴的角位置与载机保持某一确定值，其具有内方位锁定回路、外方位锁定回路，内俯仰锁定回路、外俯仰锁定回路四套回路。所述的光电吊舱地面操纵系统包括吊舱机载可转动部分的操纵系统和吊舱任务操纵系统。所述的吊舱机载可转动部分包括位置控制和速度控制。所述的任务操纵或为操纵杆操纵，或为键盘操纵，或为两者的结合。地面部分可与无人直升机的测控显示系统(地面测控车)兼容，主要包括吊舱云台操纵系统和吊舱任务操纵系统，同时备有单独的吊舱调试检测显示箱。地面操纵手通过任务操纵杆和键盘发指令给吊舱发指令使其云台水平、垂直方向运动，从而能够跟踪和拍摄需要的图像，而且对数码相机也能够进行实时操作。

图5所示的吊舱内部有一个由微处理器实现的光电任务载荷中心控制器，当吊舱的中心控制器接收到飞控计算机发送的控制指令后，经过指令译码分别控制可见光摄像机、照相机等任务设备及伺服控制器的工作状态，实现指令要求的操作。吊舱与飞控机之间通过一个基于RS422协议的数据链路实现指令和状态的传输；视频信号从摄像单元输出到控制器，再由控制器输出。无人直升飞机与吊舱之间供电和通讯共用一个13芯的连接器，光电任务载荷通过连接器输出视频信号，输出视频信号是可见光图象。

光电任务载荷的视频输出为PAL制式，输出信号阻抗为75Ω，信号幅度为1Vp-p。

本实施例未述部分与现有技术相同。

Claims (11)

1.一种电力巡检无人直升机专用光电吊舱，其特征在于：所述的光电吊舱包括机载部分与地面部分，所述的机载部分包括位于上部的固定部、位于下部的转动部及伺服控制组件，所述的转动部包括陀螺稳定转塔、所述的陀螺稳定转塔包括陀螺稳定平台、俯仰轴向力矩电机、横滚轴向力矩电机、俯仰轴向编码器、横滚轴向编码器、设置于陀螺稳定平台内部的光学传感器；

所述的固定部包括有电子控制舱，电子控制舱内设置有陀螺稳定平台伺服控制器、水平轴向力矩电机、水平轴向编码器、通讯组件、二次电源组件、光电任务载荷中心控制器，电子控制舱与陀螺稳定转塔之间的电缆通过可支持陀螺稳定转塔nx360度旋转导电滑环连接，光电吊舱机载部分通过减振装置悬挂于无人直升机上、并与无人直升机的飞行控制系统相通讯连接；

所述的伺服控制组件包括无人直升机的机载传感器、机载飞行控制器、电子控制舱内的陀螺稳定平台伺服控制器、光电吊舱固定部与转动部内的俯仰轴向力矩电机、横滚轴向力矩电机、水平轴向力矩电机及相应的编码器；

所述的光电吊舱的地面部分包括操纵装置及操纵编码板，操纵装置与操纵编码板通讯连接，所述的操纵编码板与光电吊舱无线通讯连接。

2.根据权利要求1所述的电力巡检无人直升机专用光电吊舱，其特征在于：所述的操纵编码板为直接利用地面测控车或控制站的操纵系统。

3.根据权利要求1或2所述的电力巡检无人直升机专用光电吊舱，其特征在于：所述的陀螺稳定平台为四框架三轴稳定平台结构。

4.根据权利要求2所述的电力巡检无人直升机专用光电吊舱，其特征在于：所述的减振装置由四空气阻尼组成。

5.根据权利要求4所述的电力巡检无人直升机专用光电吊舱，其特征在于：所述的伺服控制组件的陀螺稳定平台伺服控制器读取无人直升机的机载陀螺仪和航向计提供的姿态控制参数以及无人直升机的动态特性模型数据，对光电吊舱进行视轴稳定和与无人直升机的姿态跟随控制，实现陀螺增稳。

6.根据权利要求5所述的电力巡检无人直升机专用光电吊舱，其特征在于：所述陀螺稳定平台伺服控制器与无人直升机飞行控制系统、导航系统融合，电网GIS系统提供的输电杆塔座标和无人直升机GPS、高度计、航向计各种传感器所提供的姿态参数，经飞控计算机融合处理输出，通过RS422串口给云台伺服控制器输出云台控制量，控制陀螺稳定转塔实现对输电线路杆塔的凝视锁定。

7.根据权利要求6所述的电力巡检无人直升机专用光电吊舱，其特征在于：所述的光学传感器包括照相机、摄像机、红外成像仪、紫外成像仪、激光测距仪。

8.根据权利要求7所述的电力巡检无人直升机专用光电吊舱，其特征在于：所述的伺服控制组件包括俯仰轴向力矩电机、横滚轴向力矩电机、水平轴向力矩电机及陀螺稳定平台伺服控制器上的伺服板，伺服板将由机载陀螺仪发送的信息经AD板转换后、与由通讯组件传递的信息，经处理后输出给旋变伺服电机。

9.根据权利要求8所述的电力巡检无人直升机专用光电吊舱，其特征在于：所述的伺服控制组件包括稳定回路、随动回路及锁定回路：

所述的稳定回路由无人直升机机载角速率陀螺，力矩电机和电子线路组成，其包括内方位稳定回路和内俯仰稳定回路，

所述的随动回路使陀螺稳定平台外框架系统必须随动内框架系统，使内框架系统的各轴始终处于零位附近，其包括外俯仰随动回路和外方位随动回路，

所述的锁定回路使陀螺稳定平台方位和俯仰两转轴的角位置与载机保持某一确定值，其具有内方位锁定回路、外方位锁定回路，内俯仰锁定回路、外俯仰锁定回路四套回路。

10.根据权利要求9所述的电力巡检无人直升机专用光电吊舱，其特征在于：所述的光电吊舱的地面部分的操纵编码板包括有操纵系统，所述的操纵系统包括光电吊舱转动部的操纵系统和光电吊舱任务操纵系统，所述的光电吊舱机载可转动部分包括位置控制和速度控制，所述的任务操纵或为操纵杆操纵，或为键盘操纵，或为两者的结合。

11.根据权利要求1所述的电力巡检无人直升机专用光电吊舱，其特征在于：所述的陀螺稳定平台内的光学传感器由光电任务载荷中心控制器控制，微处理中心控制器分别与光学传感器、无人直升机、陀螺稳定平台伺服控制器相电连接。

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