基于成品無人機的云臺改造研究

張維佳 黃小衛(wèi) 吳 聰 蔡 馳 陳奕鈧

（中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司廣州局?？诜志郑Ｄ虾？?70100）

0 引言

無人機在電力行業(yè)的應(yīng)用，已經(jīng)有幾年的歷史，雖然近幾年來無人機的發(fā)展非常迅速，性能也在不斷提升，但其仍然存在一定的技術(shù)短板。目前市面上大部分的無人機都是消費級的，一般搭載的是不可變焦或者低倍變焦的可見光攝像機。在電力行業(yè)進行設(shè)備無人機巡檢時，如果要獲得高清的細(xì)節(jié)圖片，就需要非?？拷O(shè)備，對操作人員的技術(shù)水平要求較高，而且也存在一定的安全風(fēng)險。

本文對成品無人機云臺進行了改造，目標(biāo)是既保留成品無人機的便攜性和穩(wěn)定性，同時又增加云臺定制化功能，擴大成品無人機的應(yīng)用范圍。

1 硬件選擇

1.1 成品無人機

經(jīng)過近些年的發(fā)展，各生產(chǎn)企業(yè)單位在應(yīng)用無人機的選型上有了質(zhì)的變化。從一開始的專用飛機專用定制，到目前的成品飛機直接應(yīng)用，無人機的需求漸漸明確，尤其是成品無人機具備的便攜性和穩(wěn)定性以及其出色的性價比，讓更多企業(yè)選擇應(yīng)用成品無人機。目前國內(nèi)市場以大疆精靈系列（圖1）和悟系列應(yīng)用最為廣泛，但上述兩款機型云臺搭載的基本都是不可變焦的可見光載荷，在特定作業(yè)中無法滿足作業(yè)人員需求。本文的研究便基于大疆系列無人機進行改造。

圖1 大疆精靈系列無人機

1.2 云臺及載荷

為能夠成功搭載上述無人機，結(jié)合本局生產(chǎn)實際需要，選擇高倍變焦儀設(shè)備對變電設(shè)備實現(xiàn)巡檢，可見光高倍變焦系統(tǒng)能夠?qū)π柩矙z的特定部位進行可控式細(xì)節(jié)放大拍攝，操作極其簡單方便，可在空中任意角度、方位遠距離地對變電設(shè)備細(xì)節(jié)部件進行高清拍攝記錄，并將空中影像、數(shù)據(jù)實時傳輸至地面終端。

根據(jù)生產(chǎn)需要，特別選擇微型三軸機械+電子穩(wěn)定系統(tǒng)和無線影像傳輸系統(tǒng)掛載應(yīng)用，要求如下：

（1）云臺的支架固定接口選用可調(diào)節(jié)式，方便在不同成品機型中應(yīng)用；

（2）攝像頭接口接圖傳發(fā)射器；

（3）一體化設(shè)計，內(nèi)置10倍變焦高清攝像頭。

1.3 圖傳

圖傳作用是將無人機在空中拍攝的畫面實時傳輸至飛手手中的顯示設(shè)備上，使得飛手在遠距離飛行時能判斷無人機狀態(tài)并獲得相機的拍攝畫面，方便取景，現(xiàn)有的圖傳主要有模擬和數(shù)字兩種，其組成主要包括發(fā)射端、接收端和顯示端三部分。

1.3.1 模擬圖傳

早期的圖傳設(shè)備都采用的是模擬制式，它的特點是只要圖傳發(fā)射端和接收端工作在一個頻段上，就可以收到畫面。優(yōu)點是價格低廉；可以同時接收多個視頻信號，模擬圖傳的發(fā)射端相當(dāng)于廣播，只要接收端的頻率和發(fā)射端一致，就可以接收到視頻信號，方便多人觀看。缺點是發(fā)射、接收和天線的產(chǎn)品質(zhì)量良莠不齊；容易受到同頻信號干擾；接線、安裝、調(diào)試較為復(fù)雜，需要一定經(jīng)驗；視頻帶寬小，畫質(zhì)較差，通常分辨率在640×480，影響拍攝時的感觀。

1.3.2 數(shù)字圖傳

現(xiàn)在廠商所開發(fā)的無人機套機通常都搭載了專用的數(shù)字圖傳，它是通過2.4 GHz或5.8 GHz的數(shù)字信號進行視頻傳輸。優(yōu)點是使用方便，通常只需在遙控器上安裝手機、平板電腦作為顯示器即可；中高端產(chǎn)品的圖像傳輸質(zhì)量較高，分辨率可達720P甚至1 080P。缺點是中高端產(chǎn)品價格昂貴；限于廠商實力和研發(fā)成本，不同的數(shù)字圖傳對手機、平板作為顯示器的兼容性還不夠穩(wěn)定。

本研究是基于成品無人機進行改造的，考慮資金成本和技術(shù)難度，本研究將使用模擬圖傳。

2 系統(tǒng)搭建

本研究擬將一套定制化微型可變焦云臺搭載至成品無人機中，其相對傳統(tǒng)的人力近距離巡檢方式，能有效降低工作風(fēng)險，人員在地面遠距離范圍作業(yè)更加安全，同時也能大大減少巡檢成本與時間，在山區(qū)及其他難以到達的位置，無人機可以代替成本昂貴、笨重的吊車或其他大型輔助設(shè)備進行巡檢。

在實際運用中，無人機飛行操作與微型可見光高倍變焦儀巡檢系統(tǒng)將獨立運行設(shè)計，由兩名工作人員分別操作無人機的飛行與微型可見光高倍變焦，使得整個巡檢操控流程更簡單便捷，無人機操作員只需按相應(yīng)要求，將無人機起飛至需要的高度方位后，無人機即可在此高度方位自動懸停飛行，此時由另外一名操作員對微型可見光高倍變焦巡檢系統(tǒng)進行操作，對需要巡檢的設(shè)備部件自由攝取影像。

2.1 設(shè)備清單

（1）大疆精靈4無人機系統(tǒng)一套；（2）微型三軸云臺一套；（3）10倍光學(xué)變焦集成載荷一套；（4）5.8 GHz遙控器一臺；（5）模擬信號顯示器一臺。

2.2 系統(tǒng)拓?fù)鋱D

因為目前無人機市場上暫時沒有專用的改造方案，本研究是通過各種設(shè)備的理論及參數(shù)研究，進行了一系列的整合、試驗，最終實現(xiàn)成品無人機的云臺改造。系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)拓?fù)鋱D

3 結(jié)語

由于精靈系列無人機所搭載云臺的可見光載荷不具備變焦功能，為能拍清楚設(shè)備照片，操控人員不得不將無人機盡量飛近設(shè)備，從而導(dǎo)致了多次無人機因碰撞和強電磁環(huán)境干擾而墜機的事故，每次造成1 000～3 000元的損失。本項目為突破大疆系列無人機的系統(tǒng)封鎖和云臺無變焦的限制，擬研究一套可兼容精靈無人機的可變焦式云臺，使無人機不必飛近設(shè)備即可拍攝清晰照片，既能保證運行設(shè)備安全，同時還能極大地降低墜機風(fēng)險，節(jié)約維修成本。

本文詳細(xì)列出了成品無人機云臺改造的搭建方案，并且現(xiàn)場實驗也非常成功。本系統(tǒng)的應(yīng)用能夠提高無人機作業(yè)的高效性、準(zhǔn)確性、便捷性、實用性。