基于成品无人机的云台改造研究

张维佳 黄小卫 吴 聪 蔡 驰 陈奕钪

（中国南方电网有限责任公司超高压输电公司广州局海口分局，海南海口570100）

0 引言

无人机在电力行业的应用，已经有几年的历史，虽然近几年来无人机的发展非常迅速，性能也在不断提升，但其仍然存在一定的技术短板。目前市面上大部分的无人机都是消费级的，一般搭载的是不可变焦或者低倍变焦的可见光摄像机。在电力行业进行设备无人机巡检时，如果要获得高清的细节图片，就需要非常靠近设备，对操作人员的技术水平要求较高，而且也存在一定的安全风险。

本文对成品无人机云台进行了改造，目标是既保留成品无人机的便携性和稳定性，同时又增加云台定制化功能，扩大成品无人机的应用范围。

1 硬件选择

1.1 成品无人机

经过近些年的发展，各生产企业单位在应用无人机的选型上有了质的变化。从一开始的专用飞机专用定制，到目前的成品飞机直接应用，无人机的需求渐渐明确，尤其是成品无人机具备的便携性和稳定性以及其出色的性价比，让更多企业选择应用成品无人机。目前国内市场以大疆精灵系列（图1）和悟系列应用最为广泛，但上述两款机型云台搭载的基本都是不可变焦的可见光载荷，在特定作业中无法满足作业人员需求。本文的研究便基于大疆系列无人机进行改造。

图1 大疆精灵系列无人机

1.2 云台及载荷

为能够成功搭载上述无人机，结合本局生产实际需要，选择高倍变焦仪设备对变电设备实现巡检，可见光高倍变焦系统能够对需巡检的特定部位进行可控式细节放大拍摄，操作极其简单方便，可在空中任意角度、方位远距离地对变电设备细节部件进行高清拍摄记录，并将空中影像、数据实时传输至地面终端。

根据生产需要，特别选择微型三轴机械+电子稳定系统和无线影像传输系统挂载应用，要求如下：

（1）云台的支架固定接口选用可调节式，方便在不同成品机型中应用；

（2）摄像头接口接图传发射器；

（3）一体化设计，内置10倍变焦高清摄像头。

1.3 图传

图传作用是将无人机在空中拍摄的画面实时传输至飞手手中的显示设备上，使得飞手在远距离飞行时能判断无人机状态并获得相机的拍摄画面，方便取景，现有的图传主要有模拟和数字两种，其组成主要包括发射端、接收端和显示端三部分。

1.3.1 模拟图传

早期的图传设备都采用的是模拟制式，它的特点是只要图传发射端和接收端工作在一个频段上，就可以收到画面。优点是价格低廉；可以同时接收多个视频信号，模拟图传的发射端相当于广播，只要接收端的频率和发射端一致，就可以接收到视频信号，方便多人观看。缺点是发射、接收和天线的产品质量良莠不齐；容易受到同频信号干扰；接线、安装、调试较为复杂，需要一定经验；视频带宽小，画质较差，通常分辨率在640×480，影响拍摄时的感观。

1.3.2 数字图传

现在厂商所开发的无人机套机通常都搭载了专用的数字图传，它是通过2.4 GHz或5.8 GHz的数字信号进行视频传输。优点是使用方便，通常只需在遥控器上安装手机、平板电脑作为显示器即可；中高端产品的图像传输质量较高，分辨率可达720P甚至1 080P。缺点是中高端产品价格昂贵；限于厂商实力和研发成本，不同的数字图传对手机、平板作为显示器的兼容性还不够稳定。

本研究是基于成品无人机进行改造的，考虑资金成本和技术难度，本研究将使用模拟图传。

2 系统搭建

本研究拟将一套定制化微型可变焦云台搭载至成品无人机中，其相对传统的人力近距离巡检方式，能有效降低工作风险，人员在地面远距离范围作业更加安全，同时也能大大减少巡检成本与时间，在山区及其他难以到达的位置，无人机可以代替成本昂贵、笨重的吊车或其他大型辅助设备进行巡检。

在实际运用中，无人机飞行操作与微型可见光高倍变焦仪巡检系统将独立运行设计，由两名工作人员分别操作无人机的飞行与微型可见光高倍变焦，使得整个巡检操控流程更简单便捷，无人机操作员只需按相应要求，将无人机起飞至需要的高度方位后，无人机即可在此高度方位自动悬停飞行，此时由另外一名操作员对微型可见光高倍变焦巡检系统进行操作，对需要巡检的设备部件自由摄取影像。

2.1 设备清单

（1）大疆精灵4无人机系统一套；（2）微型三轴云台一套；（3）10倍光学变焦集成载荷一套；（4）5.8 GHz遥控器一台；（5）模拟信号显示器一台。

2.2 系统拓扑图

因为目前无人机市场上暂时没有专用的改造方案，本研究是通过各种设备的理论及参数研究，进行了一系列的整合、试验，最终实现成品无人机的云台改造。系统拓扑图如图2所示。

图2 系统拓扑图

3 结语

由于精灵系列无人机所搭载云台的可见光载荷不具备变焦功能，为能拍清楚设备照片，操控人员不得不将无人机尽量飞近设备，从而导致了多次无人机因碰撞和强电磁环境干扰而坠机的事故，每次造成1 000～3 000元的损失。本项目为突破大疆系列无人机的系统封锁和云台无变焦的限制，拟研究一套可兼容精灵无人机的可变焦式云台，使无人机不必飞近设备即可拍摄清晰照片，既能保证运行设备安全，同时还能极大地降低坠机风险，节约维修成本。

本文详细列出了成品无人机云台改造的搭建方案，并且现场实验也非常成功。本系统的应用能够提高无人机作业的高效性、准确性、便捷性、实用性。