一种基于无人机搭载的电力廊道数据采集装置及无人机的制作方法

本申请涉及电力廊道三维数据采集装置技术领域，尤其涉及一种基于无人机搭载的电力廊道数据采集装置及无人机。

背景技术：

电力是基础工业之一，电力行业的发展水平直接影响整个国民经济的发展水平。电力传输系统的布置一般为高压架空电力线，但电力线及杆塔附件长期暴露在野外，因受到持续的机械张力、材料老化的影响而产生断股、磨损、腐蚀等损伤，导致事故,造成停电和经济损失。因此输电线路巡检是保证电力系统安全运行的一项基础工作，目的就在于掌握线路运行状况及其周围环境的变化、发现线路设备的缺陷及线路安全的隐患。

采用无人机搭载数据采集系统对电力廊道数据采集并进行数据后处理是一种常用的巡检方式。但同时也存在如下问题：现有的数据采集系统主要使用单一的光学数码影像对电力廊道进行拍照检测，对于大范围的检测仅采用光学数码影像进行拍照检测十分受限，导致难以进行全面地检测以及检测结果不精准。

技术实现要素：

本申请的目的在于提供一种基于无人机搭载的电力廊道数据采集装置及无人机，解决现有的数据采集系统主要使用单一的光学数码影像对电力廊道进行拍照检测，对于大范围的检测仅采用光学数码影像进行拍照检测十分受限，导致难以进行全面地检测以及检测结果不精准的技术问题。

有鉴于此，本申请第一方面提供一种基于无人机搭载的电力廊道数据采集装置，包括：支撑组件、数据采集组件和连接组件；

所述连接组件与所述无人机固定连接；

所述支撑组件与所述连接组件固定连接；

所述数据采集组件固定设置于所述支撑组件上，所述数据采集组件包括激光雷达、数码相机和主控制器；

所述主控制器与所述激光雷达和所述数码相机通信连接；

所述激光雷达组件的激光探头伸出于所述支撑组件的外部。

进一步的，所述数据采集组件还包括：惯性导航器和组合导航接收器；

所述惯性导航器和所述组合导航接收器均与所述主控制器电连接，用于测量所述数据采集组件的位置姿态信息。

进一步的，还包括光滑安装板；

所述光滑安装板固定设置于所述支撑组件上；

所述惯性导航器和激光雷达均固定设置于所述光滑安装板上。

进一步的，所述支撑组件包括前端盖、方形外壳和后端盖；

所述方形外壳横向设置，所述方形外壳的顶部与所述连接组件固定连接，所述光滑安装板固定设置于所述方形外壳内部的底面；

所述前端盖固定设置于所述方形外壳的前端，所述后端盖固定设置于所述方形外壳的后端；

所述前端盖上开设有贯穿的开口，所述激光雷达组件的激光探头穿过所述开口伸出于所述支撑组件的外部。

进一步的，所述方形外壳的侧壁开设有镂槽。

进一步的，所述连接组件包括：活动卡扣、减振球上支架、阻尼减振球和减振球下支架；

所述活动卡扣与所述无人机下部的机械接口连接；

所述减振球上支架与所述支撑组件固定连接，所述减振球下支架与所述活动卡扣固定连接，所述减振球上支架与所述减振球下支架相互咬合，且可相对滑动；

所述阻尼减振球固定设置于所述减振球上支架的横板与所述减振球下支架的横板之间。

进一步的，所述阻尼减振球为橡胶材质。

进一步的，还包括网络接口和数据接口；

所述网络接口和数据接口固定设置于所述支撑组件上，所述网络接口和所述数据接口与所述主控制器通信连接。

进一步的，还包括数据传输天线；

所述数据传输天线固定设置于所述支撑组件上，且与所述主控制器通信连接。

本申请第二方面提供了一种无人机，所述无人机的下端固定设置有上述的基于无人机搭载的电力廊道数据采集装置。

与现有技术相比，本申请实施例的优点在于：

本申请提供了一种基于无人机搭载的电力廊道数据采集装置，包括：支撑组件、数据采集组件和连接组件；所述连接组件与所述无人机固定连接；所述支撑组件与所述连接组件固定连接；所述数据采集组件固定设置于所述支撑组件上，所述数据采集组件包括激光雷达、数码相机和主控制器；所述主控制器与所述激光雷达和所述数码相机通信连接；所述激光雷达组件的激光探头伸出于所述支撑组件的外部。

本申请中提供的基于无人机搭载的电力廊道数据采集装置，通过设置数据采集组件，该数据采集组件包括有激光雷达和数码相机，激光雷达的激光探头可对电力廊道及周围环境进行快速扫描，采集电力廊道及周围环境的三维点云数据，后续可根据该云数据对电力廊道进行三维建模，同时数码相机采集电力廊道的颜色信息并附着于三维建模上，形成一个整体的电力廊道的三维模型地图，从而可大范围全方位地检测整个电力廊道的形状姿态是否变形、表面是否出现破损、周围环境是否存在安全隐患等问题，达到了可对电力廊道进行大范围全方位地进行检测，提高检测的精准度的技术效果，解决了现有的数据采集系统主要使用单一的光学数码影像对电力廊道进行拍照检测，对于大范围的检测仅采用光学数码影像进行拍照检测十分受限，导致难以进行全面地检测以及检测结果不精准的技术问题。

附图说明

为了更清楚地说明本申请具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例所提供的基于无人机搭载的电力廊道数据采集装置第一视角的结构示意图；

图2为本申请实施例所提供的基于无人机搭载的电力廊道数据采集装置第二视角的结构示意图；

图3为本申请实施例所提供的基于无人机搭载的电力廊道数据采集装置第一视角的内部视图；

图4为本申请实施例所提供的基于无人机搭载的电力廊道数据采集装置第二视角的内部视图；

图5为本申请实施例所提供的基于无人机搭载的电力廊道数据采集装置的俯视图；

图6为本申请实施例所提供的基于无人机搭载的电力廊道数据采集装置的系统动力学模型图；

图7为本申请实施例所提供的基于无人机搭载的电力廊道数据采集装置的系统幅频特性曲线；

图8为无人机振动曲线及基于无人机搭载的电力廊道数据采集装置振动曲线图；

其中，附图标记为：连接组件1、活动卡扣1.1、减振球上支架1.2、阻尼减振球1.3、减振球下支架1.4、连接板1.5、支撑组件2、前端盖2.1、方形外壳2.2、后端盖2.3、光滑安装板2.4、数据采集组件3、激光雷达3.1、定位天线3.2、网络接口3.3、电源开关3.4、数据接口3.5、电源接口3.6、数据传输天线3.7、数码相机3.8、惯性导航器3.9、主控制器3.10、网络交换机3.11、组合导航接收器3.12。

具体实施方式

下面将结合附图对本申请的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

为了便于理解，请参阅图1至图5，图1为本申请实施例所提供的基于无人机搭载的电力廊道数据采集装置第一视角的结构示意图；图2为本申请实施例所提供的基于无人机搭载的电力廊道数据采集装置第二视角的结构示意图；图3为本申请实施例所提供的基于无人机搭载的电力廊道数据采集装置第一视角的内部视图；图4为本申请实施例所提供的基于无人机搭载的电力廊道数据采集装置第二视角的内部视图；图5为本申请实施例所提供的基于无人机搭载的电力廊道数据采集装置的俯视图。

本申请提供一种基于无人机搭载的电力廊道数据采集装置，包括：

支撑组件、数据采集组件3和连接组件1；

连接组件1与无人机固定连接；

支撑组件与连接组件1固定连接；

数据采集组件3固定设置于支撑组件上，数据采集组件3包括激光雷达3.1、数码相机3.8、主控制器3.10和定位天线；

主控制器3.10与激光雷达3.1和数码相机3.8通信连接；

激光雷达3.1组件的激光探头伸出于支撑组件的外部。

需要说明的是，连接组件1用于连接无人机与支撑组件，使无人机可通过连接组件1带动支撑组件运动，支撑组件用于支撑起数据采集组件3，作为数据采集组件3的承载体，数据采集组件3包括主控制器3.10、数码相机3.8和激光雷达3.1，激光雷达3.1上设置有激光探头，该激光探头伸出于支撑组件的外部，使激光探头可以对电力廊道进行扫描，激光雷达3.1用于采集电力廊道以及周围环境的三维点云数据，这些整体的三维点云数据可供后续对电力廊道进行三维建模，从而形成立体的三维图形式，从而可直观地反应电力廊道是否出现受力变形，以及周围环境是否存在安全事故或隐患，数码相机3.8用于对电力廊道进行拍照，采集电力廊道的颜色信息，可供后续建立三维建模时将颜色信息附着于三维图上，形成三维模型地图，从而可观察哪一部位出现破损等安全隐患，主控制器3.10用于控制数据采集组件3的运行状态。

在支撑组件上还设置有电源接口3.6、电源开关3.4、定位天线3.2和网络交换机3.11，电源接口3.6与数据采集组件3的各个部件电连接，电源开关3.4用于开启和关闭数据采集组件3的各个部件，定位天线3.2用于定位整个基于无人机搭载的电力廊道数据采集装置的实时位置，网络交换机3.11用于扩大子网络，为子网络提供更多的连接端口。

本申请中提供的基于无人机搭载的电力廊道数据采集装置，通过设置数据采集组件3，该数据采集组件3包括有激光雷达3.1和数码相机3.8，激光雷达3.1的激光探头可对电力廊道及周围环境进行快速扫描，采集电力廊道及周围环境的三维点云数据，后续可根据该云数据对电力廊道进行三维建模，同时数码相机3.8采集电力廊道的颜色信息并附着于三维建模上，形成一个整体的电力廊道的三维模型地图，从而可大范围全方位地检测整个电力廊道的形状姿态是否变形、表面是否出现破损、周围环境是否存在安全隐患等问题，达到了可对电力廊道进行大范围全方位地进行检测，提高检测的精准度的技术效果，解决了现有的数据采集系统主要使用单一的光学数码影像对电力廊道进行拍照检测，对于大范围的检测仅采用光学数码影像进行拍照检测十分受限，导致难以进行全面地检测以及检测结果不精准的技术问题。

作为进一步的改进，本申请实施例所提供的基于无人机搭载的电力廊道数据采集装置的数据采集组件3还包括：惯性导航器3.9和组合导航接收器3.12；

惯性导航器3.9和组合导航接收器3.12均与主控制器3.10连接，用于测量电力廊道的位置姿态信息。

具体来说，惯性导航器3.9和组合导航接收器3.12用于测量数据采集组件3的位置姿态信息，该位置姿态信息可为激光雷达3.1提供位置基础，识别出激光雷达3.1某一刻处于某个空间坐标位置，从而可对激光雷达3.1及电力廊道的各个点进行定位，主控制器3.10与惯性导航器3.9和组合导航接收器3.12电连接，用于控制惯性导航器3.9和组合导航接收器3.12的运行状态。

作为进一步的改进，本申请实施例所提供的基于无人机搭载的电力廊道数据采集装置的连接组件1包括：活动卡、减振球上支架1.2、阻尼减振球1.3、减振球下支架1.4和连接板1.5；

活动卡扣1.1与无人机下部的机械接口连接；

减振球上支架1.2与支撑组件固定连接，减振器下支架与活动卡扣1.1固定连接，减振球上支架1.2与减振球下支架1.4相互咬合，且可相对滑动；

阻尼减振球1.3固定设置于减振球上支架1.2的横板与减振球下支架1.4的横板之间。

具体来说，活动卡扣1.1上设置有卡扣口，该卡扣口用于与无人机下部的机械接口相互卡设，减振球上支架1.2包括横板和与横坂固定连接的竖直板，减振球下支架1.4的结构与减振球上之间的结构相同，减振球下支架1.4的竖直板通过连接板1.5与活动卡扣1.1固定连接，减振球上支架1.2的竖直板与支撑组件固定连接，减振球上支架1.2与减振球下支架1.4相互咬合，使减振球上支架1.2的横板与减振球下支架1.4的横板在竖直方向上相对应，且可沿竖直方向相对滑动，阻尼减振球1.3固定设置于减振球上支架1.2的横板与减振球下支架1.4的横板之间，从而可减缓无人机振动对数据采集组件3的影响，保证数据采集组件3采集数据的准确性。

作为进一步的改进，本申请实施例所提供的基于无人机搭载的电力廊道数据采集装置还包括光滑安装板2.4；

光滑安装板2.4固定设置于支撑组件上；

惯性导航器3.9和激光雷达3.1均固定设置于光滑安装板2.4上。

具体来说，光滑安装板2.4的安装表面为特殊处理后的表面，具有表面平整度高，粗糙度低的优点，惯性导航器3.9和激光雷达3.1均固定设置于光滑安装板2.4的安装表面上，由于惯性导航器3.9是用于为激光雷达3.1提供供位置基础的，因此需要保证惯性导航器3.9和激光雷达3.1之间的绝对位置精度，才可提供准确的位置信息，将惯性导航器3.9和激光雷达3.1安装于加工精度高的光滑安装板2.4上，有效保证了惯性导航器3.9与激光雷达3.1之间的绝对位置精度。

作为进一步的改进，本申请实施例所提供的基于无人机搭载的电力廊道数据采集装置的支撑组件包括前端盖2.1、方形外壳2.2和后端盖2.3；

方形外壳2.2横向设置，方形外壳2.2的顶部与连接组件1固定连接，光滑安装板2.4固定设置于方形外壳2.2内部的底面；

前端盖2.1固定设置于方形外壳2.2的前端，后端盖2.3固定设置于方形外壳2.2的后端；

前端盖2.1上开设有贯穿的开口，激光雷达3.1组件的激光探头穿过开口并伸出于支撑组件的外部。

具体来说，方形外壳2.2内部中空，用于安装防止各个数据采集部件，方形外壳2.2的前端与后端均是开口状，光滑安装板2.4固定设置于方形外壳2.2内部的底面，前端盖2.1固定设置于方形外壳2.2的前端开口处，后端盖2.3固定设置于方形外壳2.2的后端开口处，前端盖2.1上开设有贯穿的开口，激光雷达3.1组件的激光探头穿过该开口并伸出于支撑组件的外部，从而激光探头可对电力廊道和周围环境进行扫描，数码相机3.8的检测镜头穿过方形外壳2.2的底面并伸出于支撑组件的外部，从而可对电力廊道及周围环境进行拍照。

作为进一步的改进，本申请实施例所提供的基于无人机搭载的电力廊道数据采集装置的方形外壳2.2的侧壁开设有镂槽，从而降低了方形外壳2.2的整体重量，实现轻量化设计，提高无人机的续航能力。

作为进一步的改进，本申请实施例所提供的基于无人机搭载的电力廊道数据采集装置的减振球为橡胶材质。

对于由阻尼减振球1.3组成的减振系统中，需要保证阻尼减振球1.3达到最佳的减振效果，以得到最为精确的数据信息，因此本申请实施例还提供了关于阻尼减振球1.3的参数设置方法，请参阅图6至图8，图6为本申请实施例所提供的基于无人机搭载的电力廊道数据采集装置的系统动力学模型图；图7为本申请实施例所提供的基于无人机搭载的电力廊道数据采集装置的系统幅频特性曲线；图8为无人机振动曲线及基于无人机搭载的电力廊道数据采集装置振动曲线图。

视整个基于无人机搭载的电力廊道数据采集装置为刚体，质量为m，将无人机视为系统支撑点，无人机在竖直方向上的振动为系统位移干扰；由于阻尼减振球1.3为轻质界都，因此可忽略其质量，设阻尼减振球1.3的弹性系数为k，阻尼系数为c，取竖直向下为位移正方向，电力廊道数据采集装置及无人机位移分别为x、xu，则简化后的系统动力学模型如图6所示。

该方法的步骤如下：

步骤101、对采集系统进行动力学建模，得到系统受迫振动条件下的系统动力学模型；

简化后的系统动力学为：

步骤102、对步骤101得到的系统动力学模型进行解析分析，得到系统受迫振动条件下的振幅放大系数表达式；

假设无人机沿竖直方向上的振动为简谐运动，其规律为：

xu＝ausinωt(2)

则系统为位移干扰下的单自由度受迫振动系统，设任务吊舱的振幅为a，根据振动力学可知振幅放大因子为：

其中，λ＝ω/ωn为频率比，为系统固有频率，ξ＝c/2mωn为阻尼比。

步骤103、对步骤102中得到的系统振幅放大系数表达式进行数学分析，根据振幅放大系数与各参数的函数关系，以系统振幅放大系数最新为目标，得到阻尼减振球1.3的弹性系数与阻尼系数。

根据式(3)绘制的不同阻尼比条件下的系统幅频特性曲线如图7所示。由图7可知，当频率比λ＝1时，放大系数较大，说明此时电力廊道数据采集装置振幅较大，即发生了共振现象。时，β≤1，说明此时电力廊道数据采集装置振幅a小于无人机振幅au，减振阻尼球才起到抑制振动的作用，且阻尼比ξ越小，振幅放大系数越小，振动抑制作用就越好。结合系统振动的暂态过程，可将振动控制系统参数设置为λ＝4，ξ＝0.1，进而可求得阻尼减振球1.3的弹性系数k与阻尼系数c的值。

根据设计的电力廊道数据采集装置的任务要求及上述分析结果，设置系统参数如表1所示。

表1系统仿真参数

根据表1中的参数对电力廊道数据采集装置的受迫振动系统进行仿真，得到的无人机振动曲线及基于无人机搭载的电力廊道数据采集装置振动曲线如图8所示，其中vibrationofuav代表无人机的振动曲线，vibrationofmp代表基于无人机搭载的电力廊道数据采集装置的振动曲线。根据仿真结果可知，在无人机做振幅为10mm的等幅简谐运动的条件下，电力廊道数据采集装置的振幅在阻尼的作用下，逐渐稳定为一幅值不变的简谐振动，稳定后的振动幅值约为0.85mm，远远小于无人机的振幅，很好地实现了系统的振动控制，验证了前述参数设计方法的的合理性。

作为进一步的改进，本申请实施例所提供的基于无人机搭载的电力廊道数据采集装置还包括网络接口3.3和数据接口3.5；网络接口3.3和数据接口3.5固定设置于支撑组件上，网络接口3.3和数据接口3.5与主控制器3.10通信连接。

具体来说，网络接口3.3与数据接口3.5均固定设置于后端盖2.3上，从而方便与数据线进行连接，通过连接网络接口3.3和数据接口3.5，可将激光雷达3.1、惯性导航器3.9、数码相机3.8、组合导航接收器3.12等数据采集部件的数据有线传输至数据处理器中进行处理。

作为进一步的改进，本申请实施例所提供的基于无人机搭载的电力廊道数据采集装置还包括数据传输天线3.7；

数据传输天线3.7固定设置于支撑组件上，且与主控制器3.10通信连接。

具体来说，数据传输天线3.7固定设置于后端盖2.3上，通过数据传输天线3.7可实现将激光雷达3.1、惯性导航器3.9、数码相机3.8、组合导航接收器3.12等数据采集部件的数据无线传输至中央处理器进行处理，因此，本申请结合了网络接口3.3和数据采集接口的有线传输方式以及数据传输天线3.7的无线传输方式，可使数据传输更具稳定性。

本申请实施例还提供了一种无人机，该无人机的下端固定设置有上述实施例中的基于无人机搭载的电力廊道数据采集装置。

本申请实施例所提供的无人机可对从而可大范围全方位地对电力廊道进行检测，达到了可对电力廊道进行大范围全方位地进行检测，提高检测的精准度的技术效果，解决了现有的数据采集系统主要使用单一的光学数码影像对电力廊道进行拍照检测，对于大范围的检测仅采用光学数码影像进行拍照检测十分受限，导致难以进行全面地检测以及检测结果不精准的技术问题

以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。