大开眼界！基于视觉的两栖机器人如何实现电力巡检？

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本文内容为Prometheus开发者PK之“ 技术文章创作 ”投稿作品，该开发者将获得阿木实验室300元现金奖励！
研究背景

高压输电线路分布广泛，对保证我们的生产生活起着关键作用。但其长期暴露在户外，会出现断股，杂物覆盖等问题。因此，日常巡检和维护对保证输电线路正常运行至关重要。
如下图所示，两栖机器人可以在电力线上以爬行的方式进行精细化巡检，在遇到障碍时，可以飞行越过障碍。采用两栖机器人进行电力线巡检，可以大大提高巡检效率。



两栖机器人巡检示意图

但是，由于很难判断电力线与机器人的相对位置，且遥控器调节精度有限，对于飞手来说，将两栖机器人手动降落至电力线上非常困难。因此，笔者以阿木实验室的P600无人机为平台，设计了可以自动落线的两栖机器人。
首先，给大家展示一下我们通过P600无人机实现的自主落线&行走效果：

P600无人机实现自主落线&行走
https://www.zhihu.com/video/1563850530052599808
系统设计

该两栖机器人以P600无人机为基础平台，搭载ZED双目相机，阿木实验室电台和NX板载计算机，实现了自主感知、导航。
为使无人机能够稳定的落在电力线上，并在电力线上行走，我们设计了行走机构和引导机构，如下图所示。



两栖机器人实物图

我们在无人机中轴线上安装了两个带凹槽的行走轮，凹槽直径与常见输电线路地线直径相同，可以锁紧电力线，防止侧翻。行走轮后轮采用舵机驱动，可以通过NX机载电脑控制，前轮作为从动轮。喇叭状的引导机构可以增大落线容许误差，当电力线在引导机构内部时，随无人机下落，电力线与引导机构内壁接触，最终进入行走轮凹槽。
另外，我们更改了P600无人机的电源，将原来10000mAh高压锂电池更换为两个6S锂电池，并将其与其他负载均匀放在引导机构两侧，以保证无人机在电力线上的平衡。
产品使用
系统结构如下图所示。飞手可以通过遥控器切换无人机飞行模式。当处于自动模式时，无人机通过由双目相机和板载计算机NX组成的视觉系统自主导航。板载计算机可以检测并计算电力线的位置，并通过Mavros协议向低级控制器PX4发送速度控制指令，同时接受无人机状态作为反馈。飞手可通过地面站监控无人机飞行状态、实时图像等，以保证巡检质量。



系统结构

成果展示

1）电力线检测与跟踪
为实现准确的电力线位置估计，我们提出了一种多尺度电力线检测方法，如下图所示。这种方法可以在复杂背景下检测多尺度电力线，并通过双目视觉技术计算电力线与无人机的相对位置。



电力线检测效果

2）两栖机器人落线与行走
为验证两栖机器人的巡检效果，我们在不同高度放置了三根平行的电力线以模拟真实输电线路，并在地面放置了倾斜的线模拟其他方向的线状物体。
起飞无人机到离地5m左右位置，切换至自动模式。下图展示了自主降落过程中相机图像。首先，平行电力线被检测并赋予唯一标识；无人机自动选择1号电力线作为目标电力线，自转与1号电力线线对齐；然后，无人机左移并下降接近目标线，在线上方0.5m左右高处悬停并修正，最后匀速降落到电力线上。



自主落线流程



自主落线轨迹




经验总结

本次开发历时近一年时间，整个流程可以总结为：无人机选型-机械结构改造-硬件电路改造-软件设计-现场实验。首先面临的问题是无人机选型，市面上的开源无人机有很多种，但是足够稳定且有强大售后的并不多，在经过多方调研之后，我们选择了阿木实验室的P600科研无人机。经过我们测试，P600无人机在户外飞行稳定，悬停精度很高，在稳定性方面过关。另一方面，P600无人机接口丰富，可扩展性强，非常适合二次开发。最重要的是，对于刚入手无人机的科研小白来说，在购买P600无人机后，可以获得阿木实验室强大的售后技术支持。自2021年7月购买P600无人机至今，从无人机入门使用，到硬件电路改装、mavros接口协议使用、软件设计、现场实验的整个过程中，我们遇到了非常多的问题，阿木实验室给予了我们充分的指导，陪伴我们一同完成了整个项目。
机器人现场实验总会遇到很多调试问题，选择一个稳定的平台，得到技术大佬的指导，可以为开发节省非常多的时间。最后，向阿木实验室对本项目的支持表示感谢！
笔者：李志硕 中国科学院自动化研究所