基于成品無人機的云臺改造研究

張維佳 黃小衛 吳 聰 蔡 馳 陳奕鈧

（中國南方電網有限責任公司超高壓輸電公司廣州局海口分局，海南海口570100）

0 引言

無人機在電力行業的應用，已經有幾年的歷史，雖然近幾年來無人機的發展非常迅速，性能也在不斷提升，但其仍然存在一定的技術短板。目前市面上大部分的無人機都是消費級的，一般搭載的是不可變焦或者低倍變焦的可見光攝像機。在電力行業進行設備無人機巡檢時，如果要獲得高清的細節圖片，就需要非常靠近設備，對操作人員的技術水平要求較高，而且也存在一定的安全風險。

本文對成品無人機云臺進行了改造，目標是既保留成品無人機的便攜性和穩定性，同時又增加云臺定制化功能，擴大成品無人機的應用范圍。

1 硬件選擇

1.1 成品無人機

經過近些年的發展，各生產企業單位在應用無人機的選型上有了質的變化。從一開始的專用飛機專用定制，到目前的成品飛機直接應用，無人機的需求漸漸明確，尤其是成品無人機具備的便攜性和穩定性以及其出色的性價比，讓更多企業選擇應用成品無人機。目前國內市場以大疆精靈系列（圖1）和悟系列應用最為廣泛，但上述兩款機型云臺搭載的基本都是不可變焦的可見光載荷，在特定作業中無法滿足作業人員需求。本文的研究便基于大疆系列無人機進行改造。

圖1 大疆精靈系列無人機

1.2 云臺及載荷

為能夠成功搭載上述無人機，結合本局生產實際需要，選擇高倍變焦儀設備對變電設備實現巡檢，可見光高倍變焦系統能夠對需巡檢的特定部位進行可控式細節放大拍攝，操作極其簡單方便，可在空中任意角度、方位遠距離地對變電設備細節部件進行高清拍攝記錄，并將空中影像、數據實時傳輸至地面終端。

根據生產需要，特別選擇微型三軸機械+電子穩定系統和無線影像傳輸系統掛載應用，要求如下：

（1）云臺的支架固定接口選用可調節式，方便在不同成品機型中應用；

（2）攝像頭接口接圖傳發射器；

（3）一體化設計，內置10倍變焦高清攝像頭。

1.3 圖傳

圖傳作用是將無人機在空中拍攝的畫面實時傳輸至飛手手中的顯示設備上，使得飛手在遠距離飛行時能判斷無人機狀態并獲得相機的拍攝畫面，方便取景，現有的圖傳主要有模擬和數字兩種，其組成主要包括發射端、接收端和顯示端三部分。

1.3.1 模擬圖傳

早期的圖傳設備都采用的是模擬制式，它的特點是只要圖傳發射端和接收端工作在一個頻段上，就可以收到畫面。優點是價格低廉；可以同時接收多個視頻信號，模擬圖傳的發射端相當于廣播，只要接收端的頻率和發射端一致，就可以接收到視頻信號，方便多人觀看。缺點是發射、接收和天線的產品質量良莠不齊；容易受到同頻信號干擾；接線、安裝、調試較為復雜，需要一定經驗；視頻帶寬小，畫質較差，通常分辨率在640×480，影響拍攝時的感觀。

1.3.2 數字圖傳

現在廠商所開發的無人機套機通常都搭載了專用的數字圖傳，它是通過2.4 GHz或5.8 GHz的數字信號進行視頻傳輸。優點是使用方便，通常只需在遙控器上安裝手機、平板電腦作為顯示器即可；中高端產品的圖像傳輸質量較高，分辨率可達720P甚至1 080P。缺點是中高端產品價格昂貴；限于廠商實力和研發成本，不同的數字圖傳對手機、平板作為顯示器的兼容性還不夠穩定。

本研究是基于成品無人機進行改造的，考慮資金成本和技術難度，本研究將使用模擬圖傳。

2 系統搭建

本研究擬將一套定制化微型可變焦云臺搭載至成品無人機中，其相對傳統的人力近距離巡檢方式，能有效降低工作風險，人員在地面遠距離范圍作業更加安全，同時也能大大減少巡檢成本與時間，在山區及其他難以到達的位置，無人機可以代替成本昂貴、笨重的吊車或其他大型輔助設備進行巡檢。

在實際運用中，無人機飛行操作與微型可見光高倍變焦儀巡檢系統將獨立運行設計，由兩名工作人員分別操作無人機的飛行與微型可見光高倍變焦，使得整個巡檢操控流程更簡單便捷，無人機操作員只需按相應要求，將無人機起飛至需要的高度方位后，無人機即可在此高度方位自動懸停飛行，此時由另外一名操作員對微型可見光高倍變焦巡檢系統進行操作，對需要巡檢的設備部件自由攝取影像。

2.1 設備清單

（1）大疆精靈4無人機系統一套；（2）微型三軸云臺一套；（3）10倍光學變焦集成載荷一套；（4）5.8 GHz遙控器一臺；（5）模擬信號顯示器一臺。

2.2 系統拓撲圖

因為目前無人機市場上暫時沒有專用的改造方案，本研究是通過各種設備的理論及參數研究，進行了一系列的整合、試驗，最終實現成品無人機的云臺改造。系統拓撲圖如圖2所示。

圖2 系統拓撲圖

3 結語

由于精靈系列無人機所搭載云臺的可見光載荷不具備變焦功能，為能拍清楚設備照片，操控人員不得不將無人機盡量飛近設備，從而導致了多次無人機因碰撞和強電磁環境干擾而墜機的事故，每次造成1 000～3 000元的損失。本項目為突破大疆系列無人機的系統封鎖和云臺無變焦的限制，擬研究一套可兼容精靈無人機的可變焦式云臺，使無人機不必飛近設備即可拍攝清晰照片，既能保證運行設備安全，同時還能極大地降低墜機風險，節約維修成本。

本文詳細列出了成品無人機云臺改造的搭建方案，并且現場實驗也非常成功。本系統的應用能夠提高無人機作業的高效性、準確性、便捷性、實用性。