學(xué)校名稱

長沙理工大學(xué)

學(xué)生姓名

學(xué)  號

專      業(yè)

性 別

入 學(xué) 年 份

施雯

201557050201

電子信息工程

女

2015年

傅婷芳

201357050107

電子信息工程

女

2013年

蔣歡

201357050106

電子信息工程

女

2013年

指導(dǎo)教師

陳立福

職稱

講師

項(xiàng)目所屬

一級學(xué)科

電子信息

項(xiàng)目科類(理科/文科)

理科

學(xué)生曾經(jīng)參與科研的情況

施雯  2015年長沙理工大學(xué)“互聯(lián)網(wǎng)＋”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)院級優(yōu)勝獎，第十屆“電苑杯”電子設(shè)計(jì)大賽優(yōu)勝獎，第十一屆“物電杯”電子設(shè)計(jì)大賽二等獎，2016年電氣與信息工程科技立項(xiàng)一項(xiàng)。

傅婷芳 第十屆“電苑杯”電子設(shè)計(jì)大賽三等獎

蔣歡   第十屆“電苑杯”電子設(shè)計(jì)大賽三等獎

指導(dǎo)教師承擔(dān)科研課題情況

主持科研項(xiàng)目

主要從事遙感圖像處理與解譯方面的研究，以及機(jī)器人應(yīng)用方面的研究。

（1）北京無線電測量研究所合作項(xiàng)目“三基線系統(tǒng)高精度配準(zhǔn)和高精度魯棒的相位解纏算法研究”；（結(jié)題）

（2）電力系統(tǒng)安全運(yùn)行與控制湖南省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金“InSAR系統(tǒng)中高保真相位保持及高精度初始相位偏置實(shí)時估計(jì)研究”；（結(jié)題）

（3）國家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目“基于機(jī)載雙天線InSAR系統(tǒng)高精度三維地形實(shí)時獲取算法”；（結(jié)題，項(xiàng)目號：41201468）

（4）民政部項(xiàng)目“高分辨率SAR圖像道路與水體提取算法與軟件研究”。(結(jié)題)

（5）長沙理工大學(xué)博士啟動項(xiàng)目“基于機(jī)載雙天線系統(tǒng)的實(shí)時干涉處理算法研究”（結(jié)題）

參與科研項(xiàng)目

（1）國家重大工程“孔徑合成式被動毫米波輻射成像系統(tǒng)”的研究，參與了系統(tǒng)成像仿真軟件的編寫，對系統(tǒng)通過誤差的分析與校正進(jìn)行了研究；（結(jié)題）

國家863 計(jì)劃“高效能航空遙感SAR 應(yīng)用系統(tǒng)”(項(xiàng)目號:2007AA120302),負(fù)責(zé)實(shí)時干涉處理研究；（結(jié)題）

（2）國家973計(jì)劃(項(xiàng)目號:2009CB724003)，負(fù)責(zé)干涉運(yùn)動補(bǔ)償算法研究；（結(jié)題）

（3）中國科學(xué)院電子學(xué)研究所知識創(chuàng)新基金項(xiàng)目“InSAR實(shí)施干涉快視處理算法研究”；（結(jié)題, 排名第二）

（4）國家科技支撐計(jì)劃“應(yīng)急實(shí)時災(zāi)區(qū)數(shù)據(jù)快速獲取與處理技術(shù)研究”中第四子課題“多源遙感影像災(zāi)情背景特征參數(shù)獲取技術(shù)”（項(xiàng)目號：2008BAK49B02）的研究；（結(jié)題，排名第三）

（5） 湖南省自然科學(xué)基金項(xiàng)目“醫(yī)藥大輸液微小異物目標(biāo)視覺檢測識別方法研究”；（結(jié)題, 項(xiàng)目號：13JJ4058，排名第二）

（6） 國家自然科學(xué)基金“醫(yī)藥大輸液微小異物視覺檢測與識別方法研究”；（項(xiàng)目號：61401046, 排名第二）

（7）湖南省教育廳優(yōu)秀青年項(xiàng)目：液體藥品中可見異物視覺檢測與識別方法研究（結(jié)題，排名第三）

（8）湖南省研究生科研創(chuàng)新項(xiàng)目（CX2015B363）：基于高分辨率SAR圖像水體提取算法研究（結(jié)題，指導(dǎo)老師）

（9） 指導(dǎo)校級大學(xué)生科技立項(xiàng)2項(xiàng)和大學(xué)生創(chuàng)新1項(xiàng)并結(jié)題。

項(xiàng)目研究和實(shí)驗(yàn)的目的、內(nèi)容和要解決的主要問題

研究目的：

隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的大力發(fā)展，對電力能源的需求和依賴在不斷地增加。因此，對于供電安全性、可靠性及高效性等問題，我國電力行業(yè)也越來越關(guān)注。但由于架空輸電線路覆蓋區(qū)域廣，穿越區(qū)域地形復(fù)雜，自然環(huán)境惡劣，對輸電線路運(yùn)維水平要求越來越高。為了掌握線路的運(yùn)行狀況，并及時排除線路故障或隱患，每年都要投入大量人力、物力進(jìn)行線路巡檢。而科技的不斷發(fā)展進(jìn)步，讓我們從傳統(tǒng)的地面人工巡視逐步發(fā)展到直升機(jī)、無人機(jī)巡視。

無人機(jī)具有非常智能化的技術(shù)特點(diǎn)。隨著無人機(jī)在視覺跟蹤、飛行姿態(tài)控制、無線通訊網(wǎng)絡(luò)、視覺探測、續(xù)航能力等方面技術(shù)的進(jìn)一步完善和發(fā)展，將會在電網(wǎng)企業(yè)輸電線路運(yùn)維中廣泛應(yīng)用。它在提高輸電線路的巡檢效率，準(zhǔn)確診斷設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，降低日常巡檢安全風(fēng)險和運(yùn)維成本方面具有較大的優(yōu)勢和發(fā)展前景。

研究內(nèi)容：

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一種小型四軸飛行器電力線路紅外巡檢系統(tǒng)，其內(nèi)容包括：四軸飛行器平臺，顯控臺和數(shù)據(jù)鏈路模塊。

四軸飛行器平臺是電力巡檢數(shù)據(jù)采集獲取的主要平臺。平臺上搭載的數(shù)字光學(xué)相機(jī)主要用于獲取桿塔、電力線、電力線走廊的光學(xué)影像，對銷釘缺失、絕緣子爆裂、導(dǎo)地線斷股、金具銹蝕缺失等缺陷、隱患進(jìn)行診斷。而熱紅外成像儀則用于獲取金具、電力線、絕緣子發(fā)熱等情況。

顯控臺是地面數(shù)據(jù)處理平臺。主要用于無人機(jī)在飛行過程中飛行姿態(tài)和位置的監(jiān)測與控制，獲取無人機(jī)平臺傳輸過來的數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理。

數(shù)據(jù)鏈路模塊是整個系統(tǒng)的子系統(tǒng)之間通信的主要平臺，負(fù)責(zé)無人機(jī)平臺與顯控臺之間的通信工作。要保證將無人機(jī)的實(shí)時位姿同步傳輸至顯控臺，以便及時作出調(diào)整，避免在飛行過程中發(fā)生碰撞造成不必要的損失

主要問題：

現(xiàn)在利用四軸飛行器巡檢電力電路面臨很多技術(shù)難題，主要包括以下幾點(diǎn)：

一、續(xù)航能力較差。一般飛行時間為20～30min。當(dāng)前國內(nèi)的無人機(jī)，普遍存在續(xù)航能力不足的問題，如果需要無人機(jī)在較長線段進(jìn)行任務(wù)，以當(dāng)下的無人機(jī)續(xù)航能力，無疑是一個難點(diǎn)。如果強(qiáng)制性進(jìn)行時間較長的任務(wù)，可能連返航都是問題。

二、無人機(jī)在巡檢作業(yè)區(qū)域多為低空領(lǐng)域，低空領(lǐng)域復(fù)雜多變，存在電力桿塔、線路、樹木、建筑物等障礙，加上無人機(jī)續(xù)航時間較短，所以無人機(jī)巡檢路徑的選擇與優(yōu)化對電網(wǎng)安全運(yùn)行以及巡檢效率的提高都有著重要作用。

三、針對電網(wǎng)使用的無人機(jī)吊艙功能單一，主要配置高清攝像裝置，突出了外觀檢查，缺乏對輸電線路設(shè)備運(yùn)行實(shí)時數(shù)據(jù)多功能檢測的裝置和手段，降低了無人機(jī)使用的綜合效率。如可以設(shè)計(jì)專門對輸電線路檢測的吊艙，將高清圖像與紅外和紫外探測技術(shù)等檢測裝置結(jié)合，同時掌握輸電線路被檢測設(shè)備的溫度、污穢狀況等運(yùn)行指標(biāo)，準(zhǔn)確判斷缺陷，及時消除缺陷和隱患，能進(jìn)一步提高輸電線路運(yùn)行的可靠性。

四、復(fù)雜自然背景下目標(biāo)圖像的提取與識別。航拍巡檢采集的圖像存在不同程度的退化現(xiàn)象，即在成像過程中出現(xiàn)了崎變、模糊、失真或噪聲混入，造成了圖像質(zhì)量的下降。造成圖像退化的原因很多，主要包括：光學(xué)系統(tǒng)的像差、衍射、帶寬有限等造成的圖像失真；太陽福射、云層遮擋、大氣端流的擾動效應(yīng)等造成的遙感圖像失真；成像器件的拍攝姿態(tài)、光電轉(zhuǎn)換器件的非線性等引起的圖像幾何失真等；其中，運(yùn)動模糊和各種噪聲的影響尤為嚴(yán)重。另外，四季更替使輸電走廊的自然環(huán)境和地貌不斷變化，采集圖像的背景會隨環(huán)境的變化變得非常復(fù)雜，對比度降低，且干擾増多，同時其他自然地貌與人工建筑也使圖像背景的復(fù)雜轄度進(jìn)一步加深。

五、基于大數(shù)據(jù)的信息處理問題。無人機(jī)巡檢后產(chǎn)生海量影像數(shù)據(jù)，對于數(shù)據(jù)的處理目前存在較大難度。主要表現(xiàn)在一方面巡檢影像的整理需較長時間，特別是外委部分送達(dá)后需要消耗較多的時間進(jìn)行整理。另一方面，基于大數(shù)據(jù)的信息處理技術(shù)和智能化程度還比較低，就存在識別效率較低和識別準(zhǔn)確率低，在目前人員現(xiàn)狀條件下，對于海量數(shù)據(jù)的處理效率極為低下，同時無人機(jī)作業(yè)人員中具備豐富線路運(yùn)維經(jīng)驗(yàn)的人員較少，特別是外委單位人員中基本不具備電氣知識，造成缺陷識別準(zhǔn)確度較低。

國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展動態(tài)

一、國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

浙江紹興電力局研發(fā)的無人直升機(jī)智能巡檢技術(shù)，經(jīng)一年多的開發(fā)研究及一個多月的試驗(yàn)飛行調(diào)試后宣告成功。該項(xiàng)目中高度集成的無人直升機(jī)巡線機(jī)載系統(tǒng)、直升機(jī)巡線過程中對象自動捕捉和跟蹤技術(shù)、電力線路線路缺陷實(shí)時/離線識別和診斷技術(shù)、利用圖像測量電力線路與交跨物距離技術(shù)等屬國內(nèi)外首創(chuàng)；項(xiàng)目自主研發(fā)了由機(jī)載、地面控制和指揮、數(shù)據(jù)后處理及分析等子系統(tǒng)組成的電力線路無人直升機(jī)巡檢系統(tǒng)，是直升機(jī)巡檢技術(shù)的集成與創(chuàng)新。運(yùn)用該系統(tǒng)，將大幅度提高電力線路直升機(jī)巡線效率和質(zhì)量，降低直升機(jī)巡線成本，具有顯著的經(jīng)濟(jì)、社會效益和推廣應(yīng)用價值。

   在冬天導(dǎo)線遭受嚴(yán)重覆冰的狀況下，位于湖南省的電力科學(xué)研究院采用四旋翼無人機(jī)對其進(jìn)行了巡線實(shí)驗(yàn)。經(jīng)過實(shí)踐表明采用四旋翼無人機(jī)巡線存在許多不足之處。例如無防雪、防碰性能，抗風(fēng)性能也不明顯等。課題組成員對此提出了一些改進(jìn)方法。

冀北電力無人機(jī)空中巡線千余公里，對電力線路本體缺陷、通道隱患進(jìn)行快速巡查，它不受災(zāi)害天氣限制，做到實(shí)施準(zhǔn)確、高效獲取第一手資料。在四川電力巡檢西昌分部，無人機(jī)巡線 10 分鐘就完成人工巡線需整天的工作任務(wù)?，F(xiàn)在，全國各地陸續(xù)啟用無人機(jī)進(jìn)行巡線。

二、國外發(fā)展現(xiàn)狀

日本關(guān)西電力公司和千葉大學(xué)一起開發(fā)出一套可以進(jìn)行巡線的無人直升機(jī)系統(tǒng)。此系統(tǒng)具有故障自動查找及三維圖像監(jiān)測技術(shù)功能。其中故障自動檢測分系統(tǒng)可以自動檢查出導(dǎo)線斷股、焊接裂縫及雷擊引起局部熱點(diǎn)等主要缺陷，且其數(shù)據(jù)庫還在不斷的更新過程中。相關(guān)人員還通過對電力線路走廊視頻三維圖像的構(gòu)建以識別電力線下面的建筑物及草木。在系統(tǒng)中儲存三維圖像和對應(yīng)的GPS坐標(biāo)，用以測量電力線與其下面建筑物及草木的距離。根據(jù)實(shí)驗(yàn)表明：無人直升機(jī)的巡線費(fèi)用是載人飛機(jī)的一半?，F(xiàn)在，有關(guān)專家學(xué)者正在探究無人機(jī)巡線時與電力線的最佳角度及距離。

 西班牙馬德里理工大學(xué)的Campoy、Mejias等研究員開展了無人機(jī)導(dǎo)航方面的突破。它是一種計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)，現(xiàn)已開發(fā)完成。此系統(tǒng)在使用圖像數(shù)據(jù)處理算法與跟蹤技術(shù)的同時借助于GPS，起到無人機(jī)在電力線巡檢時導(dǎo)航作用。該系統(tǒng)可以自動給出無人機(jī)的相對位置與速度。在電力線巡線測試的過程中，導(dǎo)航系統(tǒng)憑借計(jì)算機(jī)視覺準(zhǔn)確無誤的完成了電力線巡檢工作。除此之外，相關(guān)人員還對無人機(jī)可靠著陸的算法進(jìn)行了研究。無人機(jī)飛行的過程中經(jīng)常會遇到與地面站失去聯(lián)系或電池及燃料使用完的情況。這時，無人機(jī)可自動確定與電力線路、桿塔及障礙物的方位關(guān)系，有效的避開障礙物安全著落。該算法在模擬試驗(yàn)中表現(xiàn)的非常完美。

   澳大利亞 GSIRO 通信技術(shù)中心的成員已經(jīng)開發(fā)出具有完美自行尋路、探測和避障功能的小型 T21 型電力線巡線無人直升機(jī)。微型燃?xì)廨啓C(jī)提供其動力是最大的特點(diǎn)。平衡底座的增設(shè)使得機(jī)體震動程度有效降低是最大的優(yōu)勢。激光測距儀的裝設(shè)，使得電力線與其下面的建筑物和草木之間的距離得到準(zhǔn)確的測量。新型T21 無人直升機(jī)以其嬌小的機(jī)身、先進(jìn)的性能及齊全的功能成為當(dāng)今無人機(jī)用于巡線的發(fā)展趨勢。

本項(xiàng)目學(xué)生有關(guān)的研究積累和已取得的成績

項(xiàng)目組成員對《數(shù)字電子技術(shù)》，《模擬電子技術(shù)》，《單片機(jī)技術(shù)》，《EDA應(yīng)用技術(shù)》，《數(shù)字信號處理技術(shù)》等知識掌握扎實(shí)，并具有相關(guān)實(shí)踐能力。曾參與電子測試技術(shù)實(shí)踐，電子CAD實(shí)習(xí)，單片機(jī)技能培訓(xùn)，EDA課程設(shè)計(jì)，數(shù)字信號處理課程設(shè)計(jì)，電子設(shè)計(jì)競賽培訓(xùn)和技術(shù)創(chuàng)新項(xiàng)目培訓(xùn)等，具有較強(qiáng)的分析問題，解決問題的能力。項(xiàng)目組成員對無人機(jī)技術(shù)應(yīng)用到電力巡檢方面均感興趣，因?yàn)楝F(xiàn)如今的無人機(jī)已經(jīng)深入到各行各業(yè)中，作為國家重點(diǎn)的電力行業(yè)必然不能錯過這個潮流。因此，無人機(jī)技術(shù)是未來電子工程師的一大重點(diǎn)技術(shù)。并且，項(xiàng)目組成員有較強(qiáng)的動手實(shí)踐能力，對設(shè)計(jì)制作四軸飛行器均感興趣。而且指導(dǎo)老師與項(xiàng)目組成員也積極的朝無人機(jī)技術(shù)方面發(fā)展。

項(xiàng)目的創(chuàng)新點(diǎn)和特色

無人機(jī)巡檢輸電線路的關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)和創(chuàng)新點(diǎn)主要包括以下幾個：①四旋翼無人機(jī)具有自主懸停、自主導(dǎo)航飛行的特點(diǎn)，可以進(jìn)行輸電線路跳閘后的故障點(diǎn)查找，并在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建一個完整的輸電線路全過程立體式的巡檢系統(tǒng)。②四旋翼無人機(jī)的另一個功能就是可以對輸電線路起到防碰撞保護(hù)作用，用于輸電線路的巡視和檢測，同時，還可以對嚴(yán)重自然災(zāi)害下的輸電線路起到保護(hù)作用，比如常見的大風(fēng)、暴雨等。③地面實(shí)時監(jiān)控技術(shù)和圖像處理技術(shù)在輸電線路巡檢中的應(yīng)用。無人機(jī)所配備的攝像頭采集的信息可以在網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的作用下及時傳輸?shù)奖O(jiān)控中心。④自主懸停和飛行控制系統(tǒng)具有自駕和手動兩種工作模式。在自主懸停的狀態(tài)下，無人機(jī)不僅可以通過地面站的高清錄像檢查線路，并保留手動模式，還可以按照既定的路線進(jìn)行自主導(dǎo)航的飛行和巡檢。⑤遠(yuǎn)距離熱測溫儀的使用，根據(jù)絕緣子的大小以及測溫儀的視場可以判斷出測溫距離為5—6米可以提高巡檢的安全性，通過遠(yuǎn)距離的紅外測溫可以檢測到絕緣子等的溫度異常，并將所測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、記錄。

項(xiàng)目的技術(shù)路線及預(yù)期成果

技術(shù)路線：

（1）無人機(jī)巡檢系統(tǒng)框圖：

（2）如上圖所示整個無人機(jī)巡檢系統(tǒng)分為三個模塊:

?四軸飛行器平臺:是電力巡檢數(shù)據(jù)采集獲取的主要平臺，平臺上搭載的數(shù)字光學(xué)相機(jī)主要用于獲取桿塔、電力線、電力線走廊的光學(xué)影像，用于銷釘缺失，絕緣子爆裂，導(dǎo)地線斷股、金具銹蝕缺失等缺陷、隱患的診斷。而熱測溫儀則用于獲取金具、電力線、絕緣子發(fā)熱等情況。無人機(jī)空間信息采集完整的工作平臺可分為五個部分，飛行系統(tǒng)部分、航電系統(tǒng)部分、任務(wù)設(shè)備系統(tǒng)部分、起降系統(tǒng)部分和地面保障系統(tǒng)五個部分。其框圖如下：

?顯控臺:是地面數(shù)據(jù)處理平臺,主要用于無人機(jī)在飛行過程中飛行狀態(tài)的監(jiān)測與控制，獲取無人機(jī)平臺傳輸過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并對無人機(jī)的實(shí)時狀態(tài)進(jìn)行控制，主要是調(diào)整無人機(jī)飛行的姿態(tài)和位置。

顯控臺提供與空中載具雙向通訊完整的人機(jī)溝通界面，包含飛行影像與資料的即時顯示，并具有各種飛行機(jī)酬載控制命令上傳。地理圖資系統(tǒng)整合GoogleEarth，可提供全球詳細(xì)衛(wèi)星地圖及地形地貌，且包含道路、橋梁、建筑物、河流、山區(qū)等各式地理資訊，可給予使用者完整的地理資訊以供任務(wù)規(guī)劃及圖資比對。顯控臺提供任務(wù)規(guī)劃(MissionPlan)、飛行控制(FlightControl)及任務(wù)歸詢(PlayBack)等3項(xiàng)涵蓋飛行前、中、后的操作功能。

?數(shù)據(jù)鏈路模塊：這個模塊是整個系統(tǒng)的子系統(tǒng)之間通信的主要平臺，負(fù)責(zé)無人機(jī)平臺與顯控臺之間的通信工作，要保證將無人機(jī)的實(shí)時位姿同步傳輸至顯控臺，以便及時作出調(diào)整，避免在飛行過程中發(fā)生碰撞造成不必要的損失。

預(yù)期成果：

（1）項(xiàng)目完成時間為期一年，預(yù)期在項(xiàng)目結(jié)題的前一個月完成項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、制作和調(diào)試等工作，使無人機(jī)巡檢系統(tǒng)能夠?qū)追N常見的電網(wǎng)故障發(fā)出預(yù)警和處理。

（2）通過項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，能夠?qū)Ξ?dāng)前的無人機(jī)技術(shù)有一定的了解，加深對無人機(jī)應(yīng)用于電網(wǎng)的認(rèn)識，以便日后對無人機(jī)技術(shù)進(jìn)一步拓展。

（3）研究成果以系統(tǒng)實(shí)物的形式呈現(xiàn)。在項(xiàng)目結(jié)題前完成相應(yīng)的系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)，完成系統(tǒng)實(shí)物的制作，撰寫總結(jié)報(bào)告。

年度目標(biāo)和工作內(nèi)容（分年度寫）

（1）2017年3月至2017年4月，組員分工查找資料，閱讀相關(guān)論文及期刊，對無人機(jī)技術(shù)在電力巡檢方面進(jìn)行了解。

（2）2017年5月至2017年8月，研究做出無人機(jī)平臺，并能成功的飛行采集數(shù)據(jù)。

（3）2017年9月至2017年11月，研究做出顯控臺，對獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理。

（4）2017年12月至2018年1月，完成三個子模塊之間的通信工作，并進(jìn)行實(shí)際測試，做出調(diào)整。

（5）2018年2月至2018年3月，完成整個巡檢系統(tǒng)的測試，撰寫結(jié)題報(bào)告。

指導(dǎo)教師意見

研究內(nèi)容難度合適，方案可行，有一定研究基礎(chǔ)，團(tuán)隊(duì)合理，按計(jì)劃應(yīng)該可以按時完成該項(xiàng)目。同意申請。

簽字：                   日期：