高压输电设施巡检多旋翼无人机挂载相机的选用方法

郑　欣，杨迎春，宋飞宇，孙　通

(1.云南电网有限责任公司电力科学研究院，云南昆明650200；2.天津航天中为数据系统科技有限公司，天津300301)



高压输电设施巡检多旋翼无人机挂载相机的选用方法

郑欣1，杨迎春1，宋飞宇2，孙通2

(1.云南电网有限责任公司电力科学研究院，云南昆明650200；2.天津航天中为数据系统科技有限公司，天津300301)

摘要：高压输电设施的无人机巡检作业需要拍摄满足一定分辨率要求的航拍图片。特定分辨率要求的任务下，为无人机匹配最合适的相机需要对相机型号、焦距、拍摄距离等参数进行匹配实验。提出一种在地面即可完成的实验和相应的实验结果分析方法，对目标图样进行不同条件下的拍摄后发现与原有光学计算公式的不符之处，提出了有关最小分辨率尺寸的经验公式。通过分析山东、四川等地的实地基塔拍摄照片对拍摄结果进行了验证，为后续不同分辨率要求的工作中选相机提供了依据。

关键词：输电设施；巡检作业；最小可分辨尺寸；像素点尺寸

0引言

在电网的电能输送作业中，高压输电线路发挥着重要的作用，对其进行的定期维护检修工作质量直接影响到电能输送工作能否顺利进行。近年来，众多电网企业引进多旋翼等无人机进行协助电力巡检，相比之前的人工维护不仅大大提高了检修效率，同时也保证了检修工作人员的安全，降低了检修人员的劳动强度和巡检作业的成本[1]。据统计，在巡线费用方面，无人机比载人飞机节约近50%[2]。

无人机上通常会挂载可见光或红外灯相机以协助完成图样的拍摄[3]。之后相关人员会对航拍图像中异常的部分进行必要的去噪、去模糊等图像分析处理，发现潜在隐患或问题后便可及时对相应线路部位进行修复处理工作[4，5]。因此，所拍摄图像中线路结构的清晰性是保证巡检人员工作顺利进行的重要因素。

影响相机拍摄清晰度的因素有很多，包括拍摄距离、传感器尺寸、镜头焦距、分辨率等。一般拍摄距离越近、传感器尺寸与分辨率的比值越小、焦距越大，拍摄的图像则越清晰。电网电压过高时，会对近距离无人机拍摄作业有干扰，且远距离的户外高压输电线路巡检对无人机飞行的安全性要求非常高，因此为避免无人机对输电线路的安全威胁保证拍摄作业安全顺利地进行，拍摄距离应处于最小距离之外[6，7]。然而镜头焦距越大，镜头越重，变焦距范围越大，自身质量也越重。在无人机载重能力一定、拍摄距离有最小限制等限制条件的情况下，如何选择最合适的相机便成了急需解决的问题。

本文对市面上典型相机在不同拍摄距离、不同镜头焦距条件下进行了实验及分析，通过对多种相机的拍摄实验，发现原有光学计算公式的不符之处，提出经验公式并进行实验验证。为后续不同分辨率要求的工作中选择合适相机提供了依据。

1相机分辨率测试实验

1.1 实验目的

在电力巡线过程中，巡线人员需要多旋翼无人机系统观察基塔、绝缘子、金具、销钉等。为方便工作人员快速、安全、高质量的完成巡线任务，需要相机在允许的最近距离，选用较小焦距的镜头拍摄更清晰的画面。本次实验目的是通过实际拍摄对比，为在电力巡线不同要求的工作选取最适用的传感器，对市面上的典型可见光传感器进行一系列的理论计算和实验测试，为今后旋翼无人机任务载荷的选取提供依据。

根据常规电网航拍的工作需求将拍摄距离分为15 m，20 m，25 m三档。将拍摄的焦距分为24 mm，35 mm，50 mm三档，相机选用微单、单反。测试内容主要包括测量相机镜头不同组合的重量，并测试3种焦距镜头、不同拍摄距离下相机对被拍摄图样的分辨能力。

本次测试主要为微单和单反相机，分别搭配24 mm，35 mm，50 mm镜头，晴天时在15 m，20 m和25 m距离上，测试合适光照情况下指定图样的分辨率。同时采用光照度计测试被拍摄物体位置的光照度大小。

图1为实验拍摄目标图样，该目标中连续设置了不同宽度的条纹，间隙由1 mm递增至21 mm。图样分为左右两半部分，分别对应奇数、偶数尺寸黑格。首先利用不同相机在不同的焦距和拍摄距离下对其进行拍摄，然后通过计算机进行分析总结拍摄效果。

图1　拍摄目标图样

测试设备分别为SonyN5-T，SonyN7，Sony α6000，Sony α7，Canon EOS70D，Canon EOS60D作为分辨率测试设备。同时选用24 mm，35 mm，50 mm镜头。

1.2理论计算

在线路中，销钉一般为10～12 mm，宽度一般在3～5 mm，看到销钉时相机需要分辨10～12 mm的物体，看清销钉状态时相机需要分辨销钉的宽度，即分辨3～5 mm物体。

线缆中，单根线缆直径一般在3～4 mm，如果要分清线路单根的状态，那么相机必须分辨相邻线缆间距1～2 mm才能看清每根线缆的状态，如图2所示。

图2　供电线路示意图

传感器成像原理如图3所示。

图3　相机成像原理图

相机成像计算公式如下所示：

(1)

以最小分辨尺寸为因变量可改为式(2)形式：

(2)

式中：f为焦距；p为像素点尺寸；D为拍摄距离；L拍摄物体尺寸。

对于3/4画幅的相机说，其ccd传感器尺寸为23.4，15.6，对与全画幅的传感器来说，其ccd传感器尺寸为35.8，23.9，根据不同分辨率可以计算像素点尺寸p。p即为传感器宽边尺寸与宽边分辨率的比值，或者按照长边计算。计算各六款相机的p值如表1所示。

表1　相机p值

1.3实施步骤

测试时，首先将被拍摄目标图样粘贴到可调节角度的硬纸板上，如图4所示。然后选取50 m×50 m的场地，摆放测试图样，最后在场地标记好拍摄距离。

图4　目标图样粘贴方式

将相机安装内存卡和电池后分别称重，将各个镜头分别称重记录。由于Canon EOS70D镜头接口与Sony不同，因此，用购买时配备的18～135 mm变焦镜头配合拍照。

将各相机统一调整为AV模式(光圈优先模式)，ISO设置为800，光圈F设为8.0，以便分析结果时隔离不做观察的参数。

调整光照度计的方向，将光照度计的计数调整约为50×103lx。将目标图样摆放到同种光照角度。

选择六款相机中的任意一款，分别安装24 mm，35 mm，50 mm焦距镜头于15 m，20 m，25 m处拍摄照片。每款相机共拍摄9张有效照片。

将其余五款相机分别进行拍照，其中变焦镜头将镜头焦距分别调至24 mm，35 mm, 50 mm焦距进行拍摄。

整理实验数据，并进行对比分析。

2分析实验数据

由于拍摄结果数量较多，这里选取典型照片举例说明。以50 mm焦距15 m和25 m拍摄距离的照片举例，如图5所示。

图5　三款相机50 mm焦距15 m拍摄对比

本次实验将所能看清的且由一个以上像素点表示的尺寸看做该相机在特定拍摄距离特定焦距下所能分辨的最小尺寸，与更小尺寸粘连的除外。按照要求分辨以上图5可知，三款相机均可最小分辨右边最上方的尺寸，通过对比理论拍摄图样可知该尺寸为2 mm。

因此，在50 mm焦距15 m拍摄距离时，三款相机的最小分辨尺寸均为2 mm。同样的方法分辨50 mm焦距25 m拍摄距离时三款相机的图样，如图6所示。

图6　三款相机50 mm焦距25 m拍摄对比

由图6分析可知，三款相机的最小分辨尺寸均为4 mm。据此，将六款相机3种拍摄距离、3种拍摄焦距下的拍摄结果的最小分辨尺寸归纳到表，相机型号按照p值从小到大排列，如表2、表3 和表4所示。

表2　六款相机2 mm焦距时最小可识别尺寸

表3　六款相机35mm焦距时最小可识别尺寸

表4　六款相机50 mm焦距时最小可识别尺寸

由表2～4可看到，虽然p值越小、焦距越大对应的最小分辨尺寸便越小，与公式(2)中类似，但实际实验数值并不符，尤其以p值较大的α7相机和三款相配合24焦距时，差距越明显。前三款相机和后两款相机的实测数值分别相同。加能60D虽与后三款24 mm和50 mm焦距相同，35 mm焦距与前三款相同，为特殊情况。

将p值分为小于0.41的小p值和大于0.43的大p值，将表2～4中实测值绘制成图，如图7、图8和图9所示。

图7　24 mm焦距下不同范围p值的最小分辨尺寸

图8　35 mm焦距下不同范围p值的最小分辨尺寸

图9　50 mm焦距下不同范围p值的最小分辨尺寸

由图可知，拍摄距离与最小识别尺寸为线性关系，得出以上所有曲线均符合如式(3)所示：

L=0.2D+b

(3)

式中：L为最小分辨尺寸；D为拍摄距离。D与L成线性关系，斜率0.2代表ΔL/ΔD=0.2。b的取值与p和D均有关系，将不同相机、不同焦距下b值汇总如表5。

表5　不同相机、不同焦距下b取值

因此，已知一款相机的传感器尺寸和最大像素计算出p值，确定好拍摄距离便可知大致的b值，将b值与拍摄距离D代入公式(1)，即可得到该款相机在一定距离上所能分辨的最小尺寸。

3实际拍摄效果

2015年11月下旬天津航天中为公司利用Q690系列四旋翼分别于山东泰安、济宁地区邹川线和云南省锦苏线进行了部分输电线路的巡检。本次巡检时挂载的相机为索尼NEX-5T，针对问题为一般输电线路常见的鸟巢、螺钉螺母丢失、螺母松动、绝缘子状态等典型故障。由于拍摄时需与线路、基塔保持安全距离，拍摄时四旋翼无人机与被拍摄目标保持大概15～25 m的距离。

四川锦苏线833号与834号基塔拍摄情况如图10所示。

图10　四川锦苏线巡检拍摄图

图10为距离被拍摄物15～25 m范围拍摄图片的局部放大部分，焦距约为50 mm。图中可清晰看出螺栓和螺母的状态，无缺失和松动情况。

山东泰安、济宁地区邹川线基塔拍摄情况如图11所示。

图11　山东邹川线巡检拍摄图

由图11可发现的问题如下：

(1)225号基塔中绝缘子钢帽有被故障电流烧伤的痕迹，复合绝缘子有部分变形。

(2)225号，247号基塔拍摄当天较阴，光照不足，导致该基塔细节部分不如其余基塔清楚。

(3)276号基塔虽然当天天气晴朗，但由于为逆光拍摄，螺栓螺母等细节显示不如234号和235号侧光拍摄的基塔清楚。

(4)234号和235号基塔防鸟刺中间的螺母上可看到开口销，而247号基塔相同位置的螺母上没有开口销。

由以上问题可看出，相同相机、相同距离和焦距下，不同光线强度和光照角度对拍摄结果的影响也不可忽视，因此对基塔等电网设施进行拍摄时尽量选在天气晴朗时，并选择侧光角度进行拍摄效果更好。

索尼NEX-5T在15～25 m的拍摄距离以50 mm焦距对基塔进行拍摄，可以分辨最小尺寸为直径2.5～3.5 mm左右开口销和防鸟刺。通过实验得到的索尼NEX-5T相机50 mm焦距最小和识别的尺寸为3 mm，基本符合实际拍摄情况。

4结论

(1)对六款相机进行了不同拍摄距离不同焦距的分辨力实验，将结果汇总并与理论公式进行对比后发现实际结果比理论计算结果更好。对实际拍摄结果进行汇总并拟合公式，给出不同范围p值的不同公式。由于图样为黑白格，实地拍摄时背景较复杂，对比度较低，因此后续可对被拍摄图样的背景或者尺寸格进行不同灰阶的修改，得到不同对比度对实验结果的影响。

(2)对山东和四川实地拍摄作业结果中典型图样进行分析验证了图样拍摄拟合结果的有效性。同时得到不同光线强度和光照角度对拍摄结果有影响的结论，其中晴天侧光拍摄较好。后续可对各种不同光照度、不同光照角度的情况进行实验拍摄和分析，找到拍摄的最好光照条件。

参考文献:

[1]刘建友.基于航拍图像的绝缘子状态检测[D].保定：华北电力大学，2010.

[2]CHEN C, CHEN B M, LEE T H. Special issue on development of autonomous unmanned aerial vehicles[J]. Mechatronics， 2011， 21(5)：763-764.

[3]刘高，武利会，张虎.输电线路直升机智能巡检关键技术研究[J].三峡大学学报(自然科学版)，2014，36(2)：46-49，62.

[4]赵振兵，金思新，刘亚春.基于NSCT的航拍绝缘子图像边缘提取方法[J].仪器仪表学报，2012，33(9)：2045-2052.

[5]魏文力.航拍输电线路图像处理及故障定位方法[D].保定：华北电力大学，2014.

[6]李栋，林靖宇，高鹏宇，等.无人机输电线路巡检中安全距离测量方法[J]. 广西大学学报(自然科学版),2016(2): 73-79.

[7]王柯，彭向阳，陈锐民，等.无人机电力线路巡视平台选型[J]. 电力科学与工程，2014，30(6)：46-53.

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。

作者简介：郑欣(1988-)，男，高级工程师，主要从事电厂、电网重要部件失效分析工作，E-mail: ssbn2000@sina.com。

中图分类号:TB85;V279

文献标识码:A

DOI:10.3969/j.issn.1672-0792.2016.06.013