高壓輸電設施巡檢多旋翼無人機掛載相機的選用方法

鄭　欣，楊迎春，宋飛宇，孫　通

(1.云南電網有限責任公司電力科學研究院，云南昆明650200；2.天津航天中為數據系統科技有限公司，天津300301)

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高壓輸電設施巡檢多旋翼無人機掛載相機的選用方法

鄭欣1，楊迎春1，宋飛宇2，孫通2

(1.云南電網有限責任公司電力科學研究院，云南昆明650200；2.天津航天中為數據系統科技有限公司，天津300301)

摘要：高壓輸電設施的無人機巡檢作業需要拍攝滿足一定分辨率要求的航拍圖片。特定分辨率要求的任務下，為無人機匹配最合適的相機需要對相機型號、焦距、拍攝距離等參數進行匹配實驗。提出一種在地面即可完成的實驗和相應的實驗結果分析方法，對目標圖樣進行不同條件下的拍攝后發現與原有光學計算公式的不符之處，提出了有關最小分辨率尺寸的經驗公式。通過分析山東、四川等地的實地基塔拍攝照片對拍攝結果進行了驗證，為后續不同分辨率要求的工作中選相機提供了依據。

關鍵詞：輸電設施；巡檢作業；最小可分辨尺寸；像素點尺寸

0引言

在電網的電能輸送作業中，高壓輸電線路發揮著重要的作用，對其進行的定期維護檢修工作質量直接影響到電能輸送工作能否順利進行。近年來，眾多電網企業引進多旋翼等無人機進行協助電力巡檢，相比之前的人工維護不僅大大提高了檢修效率，同時也保證了檢修工作人員的安全，降低了檢修人員的勞動強度和巡檢作業的成本[1]。據統計，在巡線費用方面，無人機比載人飛機節約近50%[2]。

無人機上通常會掛載可見光或紅外燈相機以協助完成圖樣的拍攝[3]。之后相關人員會對航拍圖像中異常的部分進行必要的去噪、去模糊等圖像分析處理，發現潛在隱患或問題后便可及時對相應線路部位進行修復處理工作[4，5]。因此，所拍攝圖像中線路結構的清晰性是保證巡檢人員工作順利進行的重要因素。

影響相機拍攝清晰度的因素有很多，包括拍攝距離、傳感器尺寸、鏡頭焦距、分辨率等。一般拍攝距離越近、傳感器尺寸與分辨率的比值越小、焦距越大，拍攝的圖像則越清晰。電網電壓過高時，會對近距離無人機拍攝作業有干擾，且遠距離的戶外高壓輸電線路巡檢對無人機飛行的安全性要求非常高，因此為避免無人機對輸電線路的安全威脅保證拍攝作業安全順利地進行，拍攝距離應處于最小距離之外[6，7]。然而鏡頭焦距越大，鏡頭越重，變焦距范圍越大，自身質量也越重。在無人機載重能力一定、拍攝距離有最小限制等限制條件的情況下，如何選擇最合適的相機便成了急需解決的問題。

本文對市面上典型相機在不同拍攝距離、不同鏡頭焦距條件下進行了實驗及分析，通過對多種相機的拍攝實驗，發現原有光學計算公式的不符之處，提出經驗公式并進行實驗驗證。為后續不同分辨率要求的工作中選擇合適相機提供了依據。

1相機分辨率測試實驗

1.1 實驗目的

在電力巡線過程中，巡線人員需要多旋翼無人機系統觀察基塔、絕緣子、金具、銷釘等。為方便工作人員快速、安全、高質量的完成巡線任務，需要相機在允許的最近距離，選用較小焦距的鏡頭拍攝更清晰的畫面。本次實驗目的是通過實際拍攝對比，為在電力巡線不同要求的工作選取最適用的傳感器，對市面上的典型可見光傳感器進行一系列的理論計算和實驗測試，為今后旋翼無人機任務載荷的選取提供依據。

根據常規電網航拍的工作需求將拍攝距離分為15 m，20 m，25 m三檔。將拍攝的焦距分為24 mm，35 mm，50 mm三檔，相機選用微單、單反。測試內容主要包括測量相機鏡頭不同組合的重量，并測試3種焦距鏡頭、不同拍攝距離下相機對被拍攝圖樣的分辨能力。

本次測試主要為微單和單反相機，分別搭配24 mm，35 mm，50 mm鏡頭，晴天時在15 m，20 m和25 m距離上，測試合適光照情況下指定圖樣的分辨率。同時采用光照度計測試被拍攝物體位置的光照度大小。

圖1為實驗拍攝目標圖樣，該目標中連續設置了不同寬度的條紋，間隙由1 mm遞增至21 mm。圖樣分為左右兩半部分，分別對應奇數、偶數尺寸黑格。首先利用不同相機在不同的焦距和拍攝距離下對其進行拍攝，然后通過計算機進行分析總結拍攝效果。

圖1　拍攝目標圖樣

測試設備分別為SonyN5-T，SonyN7，Sony α6000，Sony α7，Canon EOS70D，Canon EOS60D作為分辨率測試設備。同時選用24 mm，35 mm，50 mm鏡頭。

1.2理論計算

在線路中，銷釘一般為10～12 mm，寬度一般在3～5 mm，看到銷釘時相機需要分辨10～12 mm的物體，看清銷釘狀態時相機需要分辨銷釘的寬度，即分辨3～5 mm物體。

線纜中，單根線纜直徑一般在3～4 mm，如果要分清線路單根的狀態，那么相機必須分辨相鄰線纜間距1～2 mm才能看清每根線纜的狀態，如圖2所示。

圖2　供電線路示意圖

傳感器成像原理如圖3所示。

圖3　相機成像原理圖

相機成像計算公式如下所示：

(1)

以最小分辨尺寸為因變量可改為式(2)形式：

(2)

式中：f為焦距；p為像素點尺寸；D為拍攝距離；L拍攝物體尺寸。

對于3/4畫幅的相機說，其ccd傳感器尺寸為23.4，15.6，對與全畫幅的傳感器來說，其ccd傳感器尺寸為35.8，23.9，根據不同分辨率可以計算像素點尺寸p。p即為傳感器寬邊尺寸與寬邊分辨率的比值，或者按照長邊計算。計算各六款相機的p值如表1所示。

表1　相機p值

1.3實施步驟

測試時，首先將被拍攝目標圖樣粘貼到可調節角度的硬紙板上，如圖4所示。然后選取50 m×50 m的場地，擺放測試圖樣，最后在場地標記好拍攝距離。

圖4　目標圖樣粘貼方式

將相機安裝內存卡和電池后分別稱重，將各個鏡頭分別稱重記錄。由于Canon EOS70D鏡頭接口與Sony不同，因此，用購買時配備的18～135 mm變焦鏡頭配合拍照。

將各相機統一調整為AV模式(光圈優先模式)，ISO設置為800，光圈F設為8.0，以便分析結果時隔離不做觀察的參數。

調整光照度計的方向，將光照度計的計數調整約為50×103lx。將目標圖樣擺放到同種光照角度。

選擇六款相機中的任意一款，分別安裝24 mm，35 mm，50 mm焦距鏡頭于15 m，20 m，25 m處拍攝照片。每款相機共拍攝9張有效照片。

將其余五款相機分別進行拍照，其中變焦鏡頭將鏡頭焦距分別調至24 mm，35 mm, 50 mm焦距進行拍攝。

整理實驗數據，并進行對比分析。

2分析實驗數據

由于拍攝結果數量較多，這里選取典型照片舉例說明。以50 mm焦距15 m和25 m拍攝距離的照片舉例，如圖5所示。

圖5　三款相機50 mm焦距15 m拍攝對比

本次實驗將所能看清的且由一個以上像素點表示的尺寸看做該相機在特定拍攝距離特定焦距下所能分辨的最小尺寸，與更小尺寸粘連的除外。按照要求分辨以上圖5可知，三款相機均可最小分辨右邊最上方的尺寸，通過對比理論拍攝圖樣可知該尺寸為2 mm。

因此，在50 mm焦距15 m拍攝距離時，三款相機的最小分辨尺寸均為2 mm。同樣的方法分辨50 mm焦距25 m拍攝距離時三款相機的圖樣，如圖6所示。

圖6　三款相機50 mm焦距25 m拍攝對比

由圖6分析可知，三款相機的最小分辨尺寸均為4 mm。據此，將六款相機3種拍攝距離、3種拍攝焦距下的拍攝結果的最小分辨尺寸歸納到表，相機型號按照p值從小到大排列，如表2、表3 和表4所示。

表2　六款相機2 mm焦距時最小可識別尺寸

表3　六款相機35mm焦距時最小可識別尺寸

表4　六款相機50 mm焦距時最小可識別尺寸

由表2～4可看到，雖然p值越小、焦距越大對應的最小分辨尺寸便越小，與公式(2)中類似，但實際實驗數值并不符，尤其以p值較大的α7相機和三款相配合24焦距時，差距越明顯。前三款相機和后兩款相機的實測數值分別相同。加能60D雖與后三款24 mm和50 mm焦距相同，35 mm焦距與前三款相同，為特殊情況。

將p值分為小于0.41的小p值和大于0.43的大p值，將表2～4中實測值繪制成圖，如圖7、圖8和圖9所示。

圖7　24 mm焦距下不同范圍p值的最小分辨尺寸

圖8　35 mm焦距下不同范圍p值的最小分辨尺寸

圖9　50 mm焦距下不同范圍p值的最小分辨尺寸

由圖可知，拍攝距離與最小識別尺寸為線性關系，得出以上所有曲線均符合如式(3)所示：

L=0.2D+b

(3)

式中：L為最小分辨尺寸；D為拍攝距離。D與L成線性關系，斜率0.2代表ΔL/ΔD=0.2。b的取值與p和D均有關系，將不同相機、不同焦距下b值匯總如表5。

表5　不同相機、不同焦距下b取值

因此，已知一款相機的傳感器尺寸和最大像素計算出p值，確定好拍攝距離便可知大致的b值，將b值與拍攝距離D代入公式(1)，即可得到該款相機在一定距離上所能分辨的最小尺寸。

3實際拍攝效果

2015年11月下旬天津航天中為公司利用Q690系列四旋翼分別于山東泰安、濟寧地區鄒川線和云南省錦蘇線進行了部分輸電線路的巡檢。本次巡檢時掛載的相機為索尼NEX-5T，針對問題為一般輸電線路常見的鳥巢、螺釘螺母丟失、螺母松動、絕緣子狀態等典型故障。由于拍攝時需與線路、基塔保持安全距離，拍攝時四旋翼無人機與被拍攝目標保持大概15～25 m的距離。

四川錦蘇線833號與834號基塔拍攝情況如圖10所示。

圖10　四川錦蘇線巡檢拍攝圖

圖10為距離被拍攝物15～25 m范圍拍攝圖片的局部放大部分，焦距約為50 mm。圖中可清晰看出螺栓和螺母的狀態，無缺失和松動情況。

山東泰安、濟寧地區鄒川線基塔拍攝情況如圖11所示。

圖11　山東鄒川線巡檢拍攝圖

由圖11可發現的問題如下：

(1)225號基塔中絕緣子鋼帽有被故障電流燒傷的痕跡，復合絕緣子有部分變形。

(2)225號，247號基塔拍攝當天較陰，光照不足，導致該基塔細節部分不如其余基塔清楚。

(3)276號基塔雖然當天天氣晴朗，但由于為逆光拍攝，螺栓螺母等細節顯示不如234號和235號側光拍攝的基塔清楚。

(4)234號和235號基塔防鳥刺中間的螺母上可看到開口銷，而247號基塔相同位置的螺母上沒有開口銷。

由以上問題可看出，相同相機、相同距離和焦距下，不同光線強度和光照角度對拍攝結果的影響也不可忽視，因此對基塔等電網設施進行拍攝時盡量選在天氣晴朗時，并選擇側光角度進行拍攝效果更好。

索尼NEX-5T在15～25 m的拍攝距離以50 mm焦距對基塔進行拍攝，可以分辨最小尺寸為直徑2.5～3.5 mm左右開口銷和防鳥刺。通過實驗得到的索尼NEX-5T相機50 mm焦距最小和識別的尺寸為3 mm，基本符合實際拍攝情況。

4結論

(1)對六款相機進行了不同拍攝距離不同焦距的分辨力實驗，將結果匯總并與理論公式進行對比后發現實際結果比理論計算結果更好。對實際拍攝結果進行匯總并擬合公式，給出不同范圍p值的不同公式。由于圖樣為黑白格，實地拍攝時背景較復雜，對比度較低，因此后續可對被拍攝圖樣的背景或者尺寸格進行不同灰階的修改，得到不同對比度對實驗結果的影響。

(2)對山東和四川實地拍攝作業結果中典型圖樣進行分析驗證了圖樣拍攝擬合結果的有效性。同時得到不同光線強度和光照角度對拍攝結果有影響的結論，其中晴天側光拍攝較好。后續可對各種不同光照度、不同光照角度的情況進行實驗拍攝和分析，找到拍攝的最好光照條件。

參考文獻:

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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。

作者簡介：鄭欣(1988-)，男，高級工程師，主要從事電廠、電網重要部件失效分析工作，E-mail: ssbn2000@sina.com。

中圖分類號:TB85;V279

文獻標識碼:A

DOI:10.3969/j.issn.1672-0792.2016.06.013