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一種小型四軸飛行器電力線路紅外巡檢系統
2019年06月04日 22:55         所屬學院: []          點擊:


附件5

湖南省大學生研究性學習和創新性實驗計劃

項  目  申  報 

 

項目名稱: 

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學校名稱

長沙理工大學

學生姓名

學  號

專      業

性 別

入 學 年 份

施雯

201557050201

電子信息工程

2015年

傅婷芳

201357050107

電子信息工程

2013年

蔣歡

201357050106

電子信息工程

2013年

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

指導教師

陳立福

職稱

講師

項目所屬

一級學科

電子信息

項目科類(理科/文科)

理科

學生曾經參與科研的情況

施雯  2015年長沙理工大學互聯網+大學生創新創業院級優勝獎,第十屆電苑杯電子設計大賽優勝獎,第十一屆“物電杯”電子設計大賽二等獎,2016年電氣與信息工程科技立項一項。

傅婷芳 第十屆電苑杯電子設計大賽三等

蔣歡   第十屆電苑杯電子設計大賽三等

指導教師承擔科研課題情況

主持科研項目

主要從事遙感圖像處理與解譯方面的研究,以及機器人應用方面的研究。

1)北京無線電測量研究所合作項目三基線系統高精度配準和高精度魯棒的相位解纏算法研究;(結題)

2)電力系統安全運行與控制湖南省高校重點實驗室開放基金“InSAR系統中高保真相位保持及高精度初始相位偏置實時估計研究;(結題)

3)國家自然科學基金青年項目基于機載雙天線InSAR系統高精度三維地形實時獲取算法;(結題,項目號:41201468

4)民政部項目高分辨率SAR圖像道路與水體提取算法與軟件研究(結題)

5)長沙理工大學博士啟動項目基于機載雙天線系統的實時干涉處理算法研究(結題)

參與科研項目

1)國家重大工程孔徑合成式被動毫米波輻射成像系統的研究,參與了系統成像仿真軟件的編寫,對系統通過誤差的分析與校正進行了研究;(結題)

國家863 計劃高效能航空遙感SAR 應用系統”(項目號:2007AA120302),負責實時干涉處理研究;(結題)

2)國家973計劃(項目號:2009CB724003),負責干涉運動補償算法研究;(結題)

3)中國科學院電子學研究所知識創新基金項目“InSAR實施干涉快視處理算法研究;(結題, 排名第二)

4)國家科技支撐計劃應急實時災區數據快速獲取與處理技術研究中第四子課題多源遙感影像災情背景特征參數獲取技術(項目號:2008BAK49B02)的研究;(結題,排名第三)

5) 湖南省自然科學基金項目醫藥大輸液微小異物目標視覺檢測識別方法研究;(結題, 項目號:13JJ4058,排名第二)

6) 國家自然科學基金醫藥大輸液微小異物視覺檢測與識別方法研究;(項目號:61401046, 排名第二)

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

8)湖南省研究生科研創新項目(CX2015B363):基于高分辨率SAR圖像水體提取算法研究(結題,指導老師)

9) 指導校級大學生科技立項2項和大學生創新1項并結題。

 

項目研究和實驗的目的、內容和要解決的主要問題

研究目的

隨著我國經濟建設的大力發展,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,我國電力行業也越來越關注。由于架空輸電線路覆蓋區域廣,穿越區域地形復雜,自然環境惡劣,對輸電線路運維水平要求越來越高。為了掌握線路的運行狀況,并及時排除線路故障或隱患,每年都要投入大量人力、物力進行線路巡檢。科技的不斷發展進步,讓我們從傳統的地面人工巡視逐步發展到直升機、無人機巡視。

無人機具有非常智能化的技術特點。隨著無人機在視覺跟蹤、飛行姿態控制、無線通訊網絡、視覺探測、續航能力等方面技術的進一步完善和發展,將會在電網企業輸電線路運維中廣泛應用。它在提高輸電線路的巡檢效率準確診斷設備運行狀態,降低日常巡檢安全風險和運維成本方面具有較大的優勢和發展前景。

研究內容

本項目設計并實現一種小型四軸飛行器電力線路紅外巡檢系統,其內容包括:四軸飛行器平臺,顯控臺和數據鏈路模塊。

四軸飛行器平臺是電力巡檢數據采集獲取的主要平臺。平臺上搭載的數字光學相機主要用于獲取桿塔、電力線、電力線走廊的光學影像,對銷釘缺失、絕緣子爆裂、導地線斷股、金具銹蝕缺失等缺陷、隱患進行診斷。而熱紅外成像儀則用于獲取金具、電力線、絕緣子發熱等情況。

顯控臺是地面數據處理平臺。主要用于無人機在飛行過程中飛行姿態和位置的監測與控制,獲取無人機平臺傳輸過來的數據并進行處理。

數據鏈路模塊是整個系統的子系統之間通信的主要平臺,負責無人機平臺與顯控臺之間的通信工作。要保證將無人機的實時位姿同步傳輸至顯控臺,以便及時作出調整,避免在飛行過程中發生碰撞造成不必要的損失

主要問題

現在利用四軸飛行器巡檢電力電路面臨很多技術難題,主要包括以下幾點:

一、續航能力較差。一般飛行時間為20~30min。當前國內的無人機,普遍存在續航能力不足的問題,如果需要無人機在較長線段進行任務,以當下的無人機續航能力,無疑是一個難點。如果強制性進行時間較長的任務,可能連返航都是問題。

二、無人機在巡檢作業區域多為低空領域,低空領域復雜多變,存在電力桿塔、線路、樹木、建筑物等障礙,加上無人機續航時間較短,所以無人機巡檢路徑的選擇與優化對電網安全運行以及巡檢效率的提高都有著重要作用。

三、針對電網使用的無人機吊艙功能單一,主要配置高清攝像裝置,突出了外觀檢查,缺乏對輸電線路設備運行實時數據多功能檢測的裝置和手段,降低了無人機使用的綜合效率。如可以設計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等檢測裝置結合,同時掌握輸電線路被檢測設備的溫度、污穢狀況等運行指標,準確判斷缺陷,及時消除缺陷和隱患,進一步提高輸電線路運行的可靠性。

四、復雜自然背景下目標圖像的提取與識別。航拍巡檢采集的圖像存在不同程度的退化現象,即在成像過程中出現了崎變、模糊、失真或噪聲混入,造成了圖像質量的下降。造成圖像退化的原因很多,主要包括:光學系統的像差、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等造成的遙感圖像失真;成像器件的拍攝姿態、光電轉換器件的非線性等引起的圖像幾何失真等;其中,運動模糊和各種噪聲的影響尤為嚴重。另外,四季更替使輸電走廊的自然環境和地貌不斷變化,采集圖像的背景會隨環境的變化變得非常復雜,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雜轄度進一步加深。

五、基于大數據的信息處理問題。無人機巡檢后產生海量影像數據,對于數據的處理目前存在較大難度。主要表現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后需要消耗較多的時間進行整理。另一方面,基于大數據的信息處理技術和智能化程度還比較低,就存在識別效率較低和識別準確率低,在目前人員現狀條件下,對于海量數據的處理效率極為低下,同時無人機作業人員中具備豐富線路運維經驗的人員較少,特別是外委單位人員中基本不具備電氣知識,造成缺陷識別準確度較低。

國內外研究現狀和發展動態

一、國內發展現狀

浙江紹興電力局研發的無人直升機智能巡檢技術,經一年多的開發研究及一個多月的試驗飛行調試后宣告成功。該項目中高度集成的無人直升機巡線機載系統、直升機巡線過程中對象自動捕捉和跟蹤技術、電力線路線路缺陷實時/離線識別和診斷技術、利用圖像測量電力線路與交跨物距離技術等屬國內外首創;項目自主研發了由機載、地面控制和指揮、數據后處理及分析等子系統組成的電力線路無人直升機巡檢系統,是直升機巡檢技術的集成與創新。運用該系統,將大幅度提高電力線路直升機巡線效率和質量,降低直升機巡線成本,具有顯著的經濟、社會效益和推廣應用價值。

   在冬天導線遭受嚴重覆冰的狀況下,位于湖南省的電力科學研究院采用四旋翼無人機對其進行了巡線實驗。經過實踐表明采用四旋翼無人機巡線存在許多不足之處。例如無防雪、防碰性能,抗風性能也不明顯等。課題組成員對此提出了一些改進方法。

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

二、國外發展現狀

日本關西電力公司和千葉大學一起開發出一套可以進行巡線的無人直升機系統。此系統具有故障自動查找及三維圖像監測技術功能。其中故障自動檢測分系統可以自動檢查出導線斷股、焊接裂縫及雷擊引起局部熱點等主要缺陷,且其數據庫還在不斷的更新過程中。相關人員還通過對電力線路走廊視頻三維圖像的構建以識別電力線下面的建筑物及草木。在系統中儲存三維圖像和對應的GPS坐標,用以測量電力線與其下面建筑物及草木的距離。根據實驗表明:無人直升機的巡線費用是載人飛機的一半。現在,有關專家學者正在探究無人機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的Campoy、Mejias等研究員開展了無人機導航方面的突破。它是一種計算機視覺技術,現已開發完成。此系統在使用圖像數據處理算法與跟蹤技術的同時借助于GPS,起到無人機在電力線巡檢時導航作用。該系統可以自動給出無人機的相對位置與速度。在電力線巡線測試的過程中,導航系統憑借計算機視覺準確無誤的完成了電力線巡檢工作。除此之外,相關人員還對無人機可靠著陸的算法進行了研究。無人機飛行的過程中經常會遇到與地面站失去聯系或電池及燃料使用完的情況。這時,無人機可自動確定與電力線路、桿塔及障礙物的方位關系,有效的避開障礙物安全著落。該算法在模擬試驗中表現的非常完美。

   澳大利亞 GSIRO 通信技術中心的成員已經開發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。微型燃氣輪機提供其動力是最大的特點。平衡底座的增設使得機體震動程度有效降低是最大的優勢。激光測距儀的裝設,使得電力線與其下面的建筑物和草木之間的距離得到準確的測量。新型T21 無人直升機以其嬌小的機身、先進的性能及齊全的功能成為當今無人機用于巡線的發展趨勢。

 

本項目學生有關的研究積累和已取得的成績

項目組成員對《數字電子技術》,《模擬電子技術》,《單片機技術》,《EDA應用技術》,《數字信號處理技術》等知識掌握扎實,并具有相關實踐能力。曾參與電子測試技術實踐,電子CAD實習,單片機技能培訓,EDA課程設計,數字信號處理課程設計,電子設計競賽培訓和技術創新項目培訓等,具有較強的分析問題,解決問題的能力。項目組成員對無人機技術應用到電力巡檢方面均感興趣,因為現如今的無人機已經深入到各行各業中,作為國家重點的電力行業必然不能錯過這個潮流。因此,無人機技術是未來電子工程師的一大重點技術。并且,項目組成員有較強的動手實踐能力,對設計制作四軸飛行器均感興趣。而且指導老師與項目組成員也積極的朝無人機技術方面發展。

項目的創新點和特色

無人機巡檢輸電線路的關鍵技術要點和創新點主要包括以下幾個:①四旋翼無人機具有自主懸停、自主導航飛行的特點,可以進行輸電線路跳閘后的故障點查找,并在此基礎上,構建一個完整的輸電線路全過程立體式的巡檢系統。②四旋翼無人機的另一個功能就是可以對輸電線路起到防碰撞保護作用,用于輸電線路的巡視和檢測,同時,還可以對嚴重自然災害下的輸電線路起到保護作用,比如常見的大風、暴雨等。③地面實時監控技術和圖像處理技術在輸電線路巡檢中的應用。無人機所配備的攝像頭采集的信息可以在網絡信息技術的作用下及時傳輸到監控中心。④自主懸停和飛行控制系統具有自駕和手動兩種工作模式。在自主懸停的狀態下,無人機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行自主導航的飛行和巡檢。⑤遠距離熱測溫儀的使用,根據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,并將所測數據進行處理、記錄。

項目的技術路線及預期成果

技術路線:

(1)無人機巡檢系統框圖:

 

(2)如上圖所示整個無人機巡檢系統分為三個模塊:

?四軸飛行器平臺:是電力巡檢數據采集獲取的主要平臺,平臺上搭載的數字光學相機主要用于獲取桿塔、電力線、電力線走廊的光學影像,用于銷釘缺失,絕緣子爆裂,導地線斷股、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、絕緣子發熱等情況。無人機空間信息采集完整的工作平臺可分為五個部分,飛行系統部分、航電系統部分、任務設備系統部分、起降系統部分和地面保障系統五個部分。其框圖如下:

?顯控臺:是地面數據處理平臺,主要用于無人機在飛行過程中飛行狀態的監測與控制,獲取無人機平臺傳輸過來的數據進行處理并對無人機的實時狀態進行控制,主要是調整無人機飛行的姿態和位置。

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

?數據鏈路模塊:這個模塊是整個系統的子系統之間通信的主要平臺,負責無人機平臺與顯控臺之間的通信工作,要保證將無人機的實時位姿同步傳輸至顯控臺,以便及時作出調整,避免在飛行過程中發生碰撞造成不必要的損失。

 

 

預期成果:

(1)項目完成時間為期一年,預期在項目結題的前一個月完成項目的設計、制作和調試等工作,使無人機巡檢系統能夠對幾種常見的電網故障發出預警和處理。

(2)通過項目的設計與實現,能夠對當前的無人機技術有一定的了解,加深對無人機應用于電網的認識,以便日后對無人機技術進一步拓展。

(3)研究成果以系統實物的形式呈現。在項目結題前完成相應的系統軟硬件設計,完成系統實物的制作,撰寫總結報告。

年度目標和工作內容(分年度寫)

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

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

(3)2017年9月至2017年11月,研究做出顯控臺,對獲取的數據進行初步處理。

(4)2017年12月至20181月,完成三個子模塊之間的通信工作,并進行實際測試,做出調整。

(5)20182月至20183月,完成整個巡檢系統的測試,撰寫結題報告。

指導教師意見

研究內容難度合適,方案可行,有一定研究基礎,團隊合理,按計劃應該可以按時完成該項目。同意申請。

簽字:                   日期:

注:本表欄空不夠可另附紙


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