鄭　欣，楊迎春，宋飛宇，孫　通

(1.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，云南昆明650200；2.天津航天中為數(shù)據(jù)系統(tǒng)科技有限公司，天津300301)

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高壓輸電設(shè)施巡檢多旋翼無人機(jī)掛載相機(jī)的選用方法

鄭欣1，楊迎春1，宋飛宇2，孫通2

(1.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，云南昆明650200；2.天津航天中為數(shù)據(jù)系統(tǒng)科技有限公司，天津300301)

摘要：高壓輸電設(shè)施的無人機(jī)巡檢作業(yè)需要拍攝滿足一定分辨率要求的航拍圖片。特定分辨率要求的任務(wù)下，為無人機(jī)匹配最合適的相機(jī)需要對相機(jī)型號、焦距、拍攝距離等參數(shù)進(jìn)行匹配實(shí)驗(yàn)。提出一種在地面即可完成的實(shí)驗(yàn)和相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析方法，對目標(biāo)圖樣進(jìn)行不同條件下的拍攝后發(fā)現(xiàn)與原有光學(xué)計(jì)算公式的不符之處，提出了有關(guān)最小分辨率尺寸的經(jīng)驗(yàn)公式。通過分析山東、四川等地的實(shí)地基塔拍攝照片對拍攝結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，為后續(xù)不同分辨率要求的工作中選相機(jī)提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：輸電設(shè)施；巡檢作業(yè)；最小可分辨尺寸；像素點(diǎn)尺寸

0引言

在電網(wǎng)的電能輸送作業(yè)中，高壓輸電線路發(fā)揮著重要的作用，對其進(jìn)行的定期維護(hù)檢修工作質(zhì)量直接影響到電能輸送工作能否順利進(jìn)行。近年來，眾多電網(wǎng)企業(yè)引進(jìn)多旋翼等無人機(jī)進(jìn)行協(xié)助電力巡檢，相比之前的人工維護(hù)不僅大大提高了檢修效率，同時(shí)也保證了檢修工作人員的安全，降低了檢修人員的勞動(dòng)強(qiáng)度和巡檢作業(yè)的成本[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在巡線費(fèi)用方面，無人機(jī)比載人飛機(jī)節(jié)約近50%[2]。

無人機(jī)上通常會掛載可見光或紅外燈相機(jī)以協(xié)助完成圖樣的拍攝[3]。之后相關(guān)人員會對航拍圖像中異常的部分進(jìn)行必要的去噪、去模糊等圖像分析處理，發(fā)現(xiàn)潛在隱患或問題后便可及時(shí)對相應(yīng)線路部位進(jìn)行修復(fù)處理工作[4，5]。因此，所拍攝圖像中線路結(jié)構(gòu)的清晰性是保證巡檢人員工作順利進(jìn)行的重要因素。

影響相機(jī)拍攝清晰度的因素有很多，包括拍攝距離、傳感器尺寸、鏡頭焦距、分辨率等。一般拍攝距離越近、傳感器尺寸與分辨率的比值越小、焦距越大，拍攝的圖像則越清晰。電網(wǎng)電壓過高時(shí)，會對近距離無人機(jī)拍攝作業(yè)有干擾，且遠(yuǎn)距離的戶外高壓輸電線路巡檢對無人機(jī)飛行的安全性要求非常高，因此為避免無人機(jī)對輸電線路的安全威脅保證拍攝作業(yè)安全順利地進(jìn)行，拍攝距離應(yīng)處于最小距離之外[6，7]。然而鏡頭焦距越大，鏡頭越重，變焦距范圍越大，自身質(zhì)量也越重。在無人機(jī)載重能力一定、拍攝距離有最小限制等限制條件的情況下，如何選擇最合適的相機(jī)便成了急需解決的問題。

本文對市面上典型相機(jī)在不同拍攝距離、不同鏡頭焦距條件下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)及分析，通過對多種相機(jī)的拍攝實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)原有光學(xué)計(jì)算公式的不符之處，提出經(jīng)驗(yàn)公式并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。為后續(xù)不同分辨率要求的工作中選擇合適相機(jī)提供了依據(jù)。

1相機(jī)分辨率測試實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

在電力巡線過程中，巡線人員需要多旋翼無人機(jī)系統(tǒng)觀察基塔、絕緣子、金具、銷釘?shù)取榉奖愎ぷ魅藛T快速、安全、高質(zhì)量的完成巡線任務(wù)，需要相機(jī)在允許的最近距離，選用較小焦距的鏡頭拍攝更清晰的畫面。本次實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖峭ㄟ^實(shí)際拍攝對比，為在電力巡線不同要求的工作選取最適用的傳感器，對市面上的典型可見光傳感器進(jìn)行一系列的理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測試，為今后旋翼無人機(jī)任務(wù)載荷的選取提供依據(jù)。

根據(jù)常規(guī)電網(wǎng)航拍的工作需求將拍攝距離分為15 m，20 m，25 m三檔。將拍攝的焦距分為24 mm，35 mm，50 mm三檔，相機(jī)選用微單、單反。測試內(nèi)容主要包括測量相機(jī)鏡頭不同組合的重量，并測試3種焦距鏡頭、不同拍攝距離下相機(jī)對被拍攝圖樣的分辨能力。

本次測試主要為微單和單反相機(jī)，分別搭配24 mm，35 mm，50 mm鏡頭，晴天時(shí)在15 m，20 m和25 m距離上，測試合適光照情況下指定圖樣的分辨率。同時(shí)采用光照度計(jì)測試被拍攝物體位置的光照度大小。

圖1為實(shí)驗(yàn)拍攝目標(biāo)圖樣，該目標(biāo)中連續(xù)設(shè)置了不同寬度的條紋，間隙由1 mm遞增至21 mm。圖樣分為左右兩半部分，分別對應(yīng)奇數(shù)、偶數(shù)尺寸黑格。首先利用不同相機(jī)在不同的焦距和拍攝距離下對其進(jìn)行拍攝，然后通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析總結(jié)拍攝效果。

圖1　拍攝目標(biāo)圖樣

測試設(shè)備分別為SonyN5-T，SonyN7，Sony α6000，Sony α7，Canon EOS70D，Canon EOS60D作為分辨率測試設(shè)備。同時(shí)選用24 mm，35 mm，50 mm鏡頭。

1.2理論計(jì)算

在線路中，銷釘一般為10～12 mm，寬度一般在3～5 mm，看到銷釘時(shí)相機(jī)需要分辨10～12 mm的物體，看清銷釘狀態(tài)時(shí)相機(jī)需要分辨銷釘?shù)膶挾龋捶直?～5 mm物體。

線纜中，單根線纜直徑一般在3～4 mm，如果要分清線路單根的狀態(tài)，那么相機(jī)必須分辨相鄰線纜間距1～2 mm才能看清每根線纜的狀態(tài)，如圖2所示。

圖2　供電線路示意圖

傳感器成像原理如圖3所示。

圖3　相機(jī)成像原理圖

相機(jī)成像計(jì)算公式如下所示：

(1)

以最小分辨尺寸為因變量可改為式(2)形式：

(2)

式中：f為焦距；p為像素點(diǎn)尺寸；D為拍攝距離；L拍攝物體尺寸。

對于3/4畫幅的相機(jī)說，其ccd傳感器尺寸為23.4，15.6，對與全畫幅的傳感器來說，其ccd傳感器尺寸為35.8，23.9，根據(jù)不同分辨率可以計(jì)算像素點(diǎn)尺寸p。p即為傳感器寬邊尺寸與寬邊分辨率的比值，或者按照長邊計(jì)算。計(jì)算各六款相機(jī)的p值如表1所示。

表1　相機(jī)p值

1.3實(shí)施步驟

測試時(shí)，首先將被拍攝目標(biāo)圖樣粘貼到可調(diào)節(jié)角度的硬紙板上，如圖4所示。然后選取50 m×50 m的場地，擺放測試圖樣，最后在場地標(biāo)記好拍攝距離。

圖4　目標(biāo)圖樣粘貼方式

將相機(jī)安裝內(nèi)存卡和電池后分別稱重，將各個(gè)鏡頭分別稱重記錄。由于Canon EOS70D鏡頭接口與Sony不同，因此，用購買時(shí)配備的18～135 mm變焦鏡頭配合拍照。

將各相機(jī)統(tǒng)一調(diào)整為AV模式(光圈優(yōu)先模式)，ISO設(shè)置為800，光圈F設(shè)為8.0，以便分析結(jié)果時(shí)隔離不做觀察的參數(shù)。

調(diào)整光照度計(jì)的方向，將光照度計(jì)的計(jì)數(shù)調(diào)整約為50×103lx。將目標(biāo)圖樣擺放到同種光照角度。

選擇六款相機(jī)中的任意一款，分別安裝24 mm，35 mm，50 mm焦距鏡頭于15 m，20 m，25 m處拍攝照片。每款相機(jī)共拍攝9張有效照片。

將其余五款相機(jī)分別進(jìn)行拍照，其中變焦鏡頭將鏡頭焦距分別調(diào)至24 mm，35 mm, 50 mm焦距進(jìn)行拍攝。

整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行對比分析。

2分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

由于拍攝結(jié)果數(shù)量較多，這里選取典型照片舉例說明。以50 mm焦距15 m和25 m拍攝距離的照片舉例，如圖5所示。

圖5　三款相機(jī)50 mm焦距15 m拍攝對比

本次實(shí)驗(yàn)將所能看清的且由一個(gè)以上像素點(diǎn)表示的尺寸看做該相機(jī)在特定拍攝距離特定焦距下所能分辨的最小尺寸，與更小尺寸粘連的除外。按照要求分辨以上圖5可知，三款相機(jī)均可最小分辨右邊最上方的尺寸，通過對比理論拍攝圖樣可知該尺寸為2 mm。

因此，在50 mm焦距15 m拍攝距離時(shí)，三款相機(jī)的最小分辨尺寸均為2 mm。同樣的方法分辨50 mm焦距25 m拍攝距離時(shí)三款相機(jī)的圖樣，如圖6所示。

圖6　三款相機(jī)50 mm焦距25 m拍攝對比

由圖6分析可知，三款相機(jī)的最小分辨尺寸均為4 mm。據(jù)此，將六款相機(jī)3種拍攝距離、3種拍攝焦距下的拍攝結(jié)果的最小分辨尺寸歸納到表，相機(jī)型號按照p值從小到大排列，如表2、表3 和表4所示。

表2　六款相機(jī)2 mm焦距時(shí)最小可識別尺寸

表3　六款相機(jī)35mm焦距時(shí)最小可識別尺寸

表4　六款相機(jī)50 mm焦距時(shí)最小可識別尺寸

由表2～4可看到，雖然p值越小、焦距越大對應(yīng)的最小分辨尺寸便越小，與公式(2)中類似，但實(shí)際實(shí)驗(yàn)數(shù)值并不符，尤其以p值較大的α7相機(jī)和三款相配合24焦距時(shí)，差距越明顯。前三款相機(jī)和后兩款相機(jī)的實(shí)測數(shù)值分別相同。加能60D雖與后三款24 mm和50 mm焦距相同，35 mm焦距與前三款相同，為特殊情況。

將p值分為小于0.41的小p值和大于0.43的大p值，將表2～4中實(shí)測值繪制成圖，如圖7、圖8和圖9所示。

圖7　24 mm焦距下不同范圍p值的最小分辨尺寸

圖8　35 mm焦距下不同范圍p值的最小分辨尺寸

圖9　50 mm焦距下不同范圍p值的最小分辨尺寸

由圖可知，拍攝距離與最小識別尺寸為線性關(guān)系，得出以上所有曲線均符合如式(3)所示：

L=0.2D+b

(3)

式中：L為最小分辨尺寸；D為拍攝距離。D與L成線性關(guān)系，斜率0.2代表ΔL/ΔD=0.2。b的取值與p和D均有關(guān)系，將不同相機(jī)、不同焦距下b值匯總?cè)绫?。

表5　不同相機(jī)、不同焦距下b取值

因此，已知一款相機(jī)的傳感器尺寸和最大像素計(jì)算出p值，確定好拍攝距離便可知大致的b值，將b值與拍攝距離D代入公式(1)，即可得到該款相機(jī)在一定距離上所能分辨的最小尺寸。

3實(shí)際拍攝效果

2015年11月下旬天津航天中為公司利用Q690系列四旋翼分別于山東泰安、濟(jì)寧地區(qū)鄒川線和云南省錦蘇線進(jìn)行了部分輸電線路的巡檢。本次巡檢時(shí)掛載的相機(jī)為索尼NEX-5T，針對問題為一般輸電線路常見的鳥巢、螺釘螺母丟失、螺母松動(dòng)、絕緣子狀態(tài)等典型故障。由于拍攝時(shí)需與線路、基塔保持安全距離，拍攝時(shí)四旋翼無人機(jī)與被拍攝目標(biāo)保持大概15～25 m的距離。

四川錦蘇線833號與834號基塔拍攝情況如圖10所示。

圖10　四川錦蘇線巡檢拍攝圖

圖10為距離被拍攝物15～25 m范圍拍攝圖片的局部放大部分，焦距約為50 mm。圖中可清晰看出螺栓和螺母的狀態(tài)，無缺失和松動(dòng)情況。

山東泰安、濟(jì)寧地區(qū)鄒川線基塔拍攝情況如圖11所示。

圖11　山東鄒川線巡檢拍攝圖

由圖11可發(fā)現(xiàn)的問題如下：

(1)225號基塔中絕緣子鋼帽有被故障電流燒傷的痕跡，復(fù)合絕緣子有部分變形。

(2)225號，247號基塔拍攝當(dāng)天較陰，光照不足，導(dǎo)致該基塔細(xì)節(jié)部分不如其余基塔清楚。

(3)276號基塔雖然當(dāng)天天氣晴朗，但由于為逆光拍攝，螺栓螺母等細(xì)節(jié)顯示不如234號和235號側(cè)光拍攝的基塔清楚。

(4)234號和235號基塔防鳥刺中間的螺母上可看到開口銷，而247號基塔相同位置的螺母上沒有開口銷。

由以上問題可看出，相同相機(jī)、相同距離和焦距下，不同光線強(qiáng)度和光照角度對拍攝結(jié)果的影響也不可忽視，因此對基塔等電網(wǎng)設(shè)施進(jìn)行拍攝時(shí)盡量選在天氣晴朗時(shí)，并選擇側(cè)光角度進(jìn)行拍攝效果更好。

索尼NEX-5T在15～25 m的拍攝距離以50 mm焦距對基塔進(jìn)行拍攝，可以分辨最小尺寸為直徑2.5～3.5 mm左右開口銷和防鳥刺。通過實(shí)驗(yàn)得到的索尼NEX-5T相機(jī)50 mm焦距最小和識別的尺寸為3 mm，基本符合實(shí)際拍攝情況。

4結(jié)論

(1)對六款相機(jī)進(jìn)行了不同拍攝距離不同焦距的分辨力實(shí)驗(yàn)，將結(jié)果匯總并與理論公式進(jìn)行對比后發(fā)現(xiàn)實(shí)際結(jié)果比理論計(jì)算結(jié)果更好。對實(shí)際拍攝結(jié)果進(jìn)行匯總并擬合公式，給出不同范圍p值的不同公式。由于圖樣為黑白格，實(shí)地拍攝時(shí)背景較復(fù)雜，對比度較低，因此后續(xù)可對被拍攝圖樣的背景或者尺寸格進(jìn)行不同灰階的修改，得到不同對比度對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。

(2)對山東和四川實(shí)地拍攝作業(yè)結(jié)果中典型圖樣進(jìn)行分析驗(yàn)證了圖樣拍攝擬合結(jié)果的有效性。同時(shí)得到不同光線強(qiáng)度和光照角度對拍攝結(jié)果有影響的結(jié)論，其中晴天側(cè)光拍攝較好。后續(xù)可對各種不同光照度、不同光照角度的情況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)拍攝和分析，找到拍攝的最好光照條件。

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A Method to Choose Camera for Multi-rotorcraft UAV in the Inspection Operation of High Voltage Power Facilities

ZHENG Xin1, YANG Yingchun1, SONG Feiyu2, SUN Tong2

(1. Institute of Electrical Power Science of Yunnan Power Grid Co., Ltd., Kunming 650200, China; 2. Zhongwei Aerospace Data System Technology Co., Ltd., Tianjin 300301, China)

Abstract：In the UAV(unmanned aerial vehicle) inspection operation of high voltage power facilities, it is significant to acquire aerial images that meet resolution requirements. In order to select a suitable camera for UAV in a specific task, we should find the best collocation among resolutions, sensor size and focal length. An experiment with its result analysis method is proposed. After discovered the difference between traditional formula and experimental data, the empirical formula is summed up. Through the inspection work in Shandong and Sichuan, the empirical formula is verified, which provides the basis for selecting the camera in the work of different resolution capability requirements.

Keywords：power facilities; inspecting operation; minimum detectable size; pixel dot size

收稿日期：2016-04-08。

作者簡介：鄭欣(1988-)，男，高級工程師，主要從事電廠、電網(wǎng)重要部件失效分析工作，E-mail: ssbn2000@sina.com。

中圖分類號:TB85;V279

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

DOI:10.3969/j.issn.1672-0792.2016.06.013