一种高压输电线路巡检的无人机自动收放装置专利检索-明显错误国际申请第I章专利合作条约专利权专利检索查询-专利查询网

一种高压输电线路巡检的无人机自动收放装置

阅读：416发布：2021-05-19

专利汇可以提供一种高压输电线路巡检的无人机自动收放装置专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种高压输电线路巡检的无人机自动收放装置，属于无人机应用及电力检测技术领域。无人机自动收放装置由可自动开闭的翻板式封闭箱体、可自动升降的中心停机坪、安装在所述中心停机坪上和所述翻板式封闭箱体上的双向推杆式夹持固定机构以及地面控制系统四个部分组成。采用GPS和视觉互补定位的方法并提出了一种双图形快速识别定位算法来完成无人机的自主降落，保证无人机较准确的降落在由可升降停机坪和翻板式仓门组成的降落平台上。本发明为输电线路的无人化、智能化巡检作业，特别是在输电线路巡检中无人机的自主放飞、自动定位降落以及自动充电提出了一种实际、有效的解决方案，可应用于地面运载机器人、汽车或者地面基站。，下面是一种高压输电线路巡检的无人机自动收放装置专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种高压输电线路巡检的无人机自动收放装置，其特征在于：该装置由可自动开闭
的翻板式封闭箱体、可自动升降的中心停机坪、安装在中心停机坪上和翻板式封闭箱体上
的双向推杆式夹持固定机构以及地面控制系统四个部分组成；
可自动开闭的翻板式封闭箱体由无人机收纳仓、翻板式仓门和仓门运动单元构成，仓
门运动单元连接无人机收纳仓和翻板式仓门，并且能够带动翻板式仓门开闭；
可自动升降的中心停机坪由升降运动单元、中心升降平台以及喷涂在中心升降平台上
的无人机视觉定位识别标志构成，升降运动单元驱动中心升降平台上升或下降；
双向推杆式夹持固定机构由A组双向推杆夹持固定单元、A组双向推杆夹持固定延长单
元和B组双向推杆夹持固定单元构成，A组双向推杆夹持固定单元和B组双向推杆夹持固定
单元安装在中心升降平台上，A组双向推杆夹持固定延长单元安装在翻板式仓门上，A组双
向推杆夹持固定单元和A组双向推杆夹持固定延长单元配合动作；
地面控制系统由运动控制单元、充电控制单元和通信单元构成，运动控制单元用于对
无人机收放装置上的电机及其他运动单元进行控制，充电控制单元用于对无人机的电池进
行接触式快速充电，通信单元用于与无人机进行状态数据和控制命令的传输。
2.根据权利要求1的一种高压输电线路巡检的无人机自动收放装置，其特征在于：
可自动开闭的翻板式封闭箱体由无人机收纳仓、翻板式仓门和仓门运动单元构成；无
人机收纳仓是顶部开口的正方体箱体结构，翻板式仓门由第一翻板式仓门和第二翻板式仓
门组成，翻板式仓门分别与无人机收纳仓竖直壁顶端铰链连接并能够自动开闭，从而形成
封闭式的无人机收纳箱。
3.根据权利要求2的一种高压输电线路巡检的无人机自动收放装置，其特征在于：仓门
运动单元由第一仓门运动驱动电机、第一仓门运动连杆、第一仓门运动滑槽、第二仓门运动驱动电机、第二仓门运动连杆和第二仓门运动滑槽构成；第一仓门运动驱动电机和第二仓
门运动驱动电机安装在无人机收纳仓的竖直仓壁外侧并呈对称分布；第一仓门运动连杆和
第二仓门运动连杆均为直角形状，第一仓门运动连杆一端与第一仓门运动驱动电机的电机
轴连接，第一仓门运动连杆另一端安装在第一仓门运动滑槽内；第二仓门运动连杆一端与
第二仓门运动驱动电机的电机轴连接，第二仓门运动连杆另一端安装在第二仓门运动滑槽
内；
第一仓门运动滑槽和第二仓门运动滑槽安装在翻板式仓门外侧；运动驱动电机带动运
动连杆一端作旋转运动，运动连杆另一端在运动滑槽内作滑动运动，从而带动翻板式仓门
打开或关闭。
4.根据权利要求1的一种高压输电线路巡检的无人机自动收放装置，其特征在于：升降
运动单元由升降驱动电机、丝杠、运动丝杠螺母构成；升降驱动电机安装在无人机收纳仓内侧底面，丝杠通过联轴器与升降驱动电机连接，运动丝杠螺母安装在中心升降平台上；升降驱动电机通过丝杠带动运动丝杠螺母和中心升降平台作上升或下降运动；无人机视觉定位
识别标志采用易于识别的单色图形，喷涂在中心升降平台上，为无人机的自主降落提供引
导标识。
5.根据权利要求1的一种高压输电线路巡检的无人机自动收放装置，其特征在于：定义
沿第一推杆、第二推杆运动方向为Y轴方向并且沿第二推杆远离中心的运动方向为Y轴正方
向；沿第三推杆、第四推杆运动方向为X轴方向并且沿第三推杆远离中心的运动方向为X轴
正方向；中心升降平台的中心点为原点；
A组双向推杆夹持固定单元由第一双出轴步进电机、第二双出轴步进电机、第一双出轴
步进电机丝杠、第二双出轴步进电机丝杠、第一推杆、第二推杆和第一双向推杆连接件构
成；
第一双出轴步进电机丝杠包括第一双出轴步进电机丝杠A和第一双出轴步进电机丝杠
B，第一双出轴步进电机丝杠A和第一双出轴步进电机丝杠B分别通过联轴器安装在第一双
出轴步进电机两端，并且在第一双出轴步进电机丝杠A的远电机端设有凸起，在第一双出轴步进电机丝杠B的远电机端设有凹槽；
第二双出轴步进电机丝杠包括第二双出轴步进电机丝杠A和第二双出轴步进电机丝杠
B，第二双出轴步进电机丝杠A和第二双出轴步进电机丝杠B分别通过联轴器安装在第二双
出轴步进电机两端，并且在第二双出轴步进电机丝杠A的远电机端设有凹槽，在第二双出轴步进电机丝杠B的远电机端设有凸起；
第一推杆通过两个安装在两端的连接件与第一双出轴步进电机丝杠A和第二双出轴步
进电机丝杠A轴连接；第二推杆通过另外两个安装在两端的连接件与第一双出轴步进电机
丝杠B和第二双出轴步进电机丝杠B轴连接；连接件一端与第一推杆或第二推杆固定连接，
另一端开有螺纹孔并与丝杠轴连接；第一双出轴步进电机和第二双出轴步进电机固定安装
在中心升降平台下方并且其轴线方向与推杆垂直，第一推杆和第二推杆安装在中心升降平
台上方，连接件穿过中心升降平台与推杆连接；第一双出轴步进电机和第二双出轴步进电
机同步转动，带动第一双出轴步进电机丝杠和第二双出轴步进电机丝杠同时旋转，通过连
接件带动第一推杆和第二推杆同时从中心升降平台两端向中心移动或从中心向两端移动，
并且当运动到两推杆间距离等于无人机起落架宽度时停止，从而实现对无人机Y方向的位
置调整并进行固定；
A组双向推杆夹持固定延长单元由第一双出轴步进电机延长丝杠A、第一双出轴步进电
机延长丝杠B、第二双出轴步进电机延长丝杠A、第二双出轴步进电机延长丝杠B和轴承座构成；第一双出轴步进电机延长丝杠A和第二双出轴步进电机延长丝杠A通过轴承座安装在第
一翻板式仓门外侧，并且在第一双出轴步进电机延长丝杠A的远轴承座端设有凹槽，在第二双出轴步进电机延长丝杠A的远轴承座端设有凸起；当第一翻板式仓门打开至与中心升降
平台水平位置时，第一双出轴步进电机延长丝杠A与第一双出轴步进电机丝杠A处于同一轴
线方向并且第一双出轴步进电机延长丝杠A的凹槽与第一双出轴步进电机丝杠A的凸起完
全锲合，第二双出轴步进电机延长丝杠A与第二双出轴步进电机丝杠A处于同一轴线方向并
且第二双出轴步进电机延长丝杠A的凸起与第二双出轴步进电丝杠A的凹槽完全锲合；同样
的，第一双出轴步进电机延长丝杠B和第二双出轴步进电机延长丝杠B通过轴承座安装在第
二翻板式仓门外侧，并且在第一双出轴步进电机延长丝杠B的远轴承座端设有凸起，在第二双出轴步进电机延长丝杠B的远轴承座端设有凹槽；当第二翻板式仓门打开至与中心升降
平台水平位置时，第一双出轴步进电机延长丝杠B与第一双出轴步进电机丝杠B处于同一轴
线方向并且第一双出轴步进电机延长丝杠B的凸起与第一双出轴步进电机丝杠B的凹槽完
全锲合，第二双出轴步进电机延长丝杠B与第二双出轴步进电机丝杠B处于同一轴线方向并
且第二双出轴步进电机延长丝杠B的凹槽与第二双出轴步进电丝杠B的凸起完全锲合；当第
一双出轴步进电机转动时，第一双出轴步进电机延长丝杠A与第一双出轴步进电机丝杠A同
步旋转，第一双出轴步进电机延长丝杠B与第一双出轴步进电机丝杠B同步旋转；当第二双
出轴步进电机转动时，第二双出轴步进电机延长丝杠A与第二双出轴步进电机丝杠A同步旋
转，第二双出轴步进电机延长丝杠B与第二双出轴步进电机丝杠B同步旋转；从而使得第一
推杆和第二推杆的运动范围由中心升降平台分别向两端延伸到第一翻板式仓门和第二翻
板式仓门，扩大了无人机的降落范围，使无人机能够在由中心升降平台、第一翻板式仓门和第二翻板式仓门组成的无人机起落平台上降落，而不仅仅限于中心升降平台；
B组双向推杆夹持固定单元由第三双出轴步进电机、第四双出轴步进电机、第三双出轴
步进电机丝杠、第四双出轴步进电机丝杠、第三推杆、第四推杆和第二双向推杆连接件构
成；第三双出轴步进电机丝杠包括第三双出轴步进电机丝杠A和第三双出轴步进电机丝杠
B，分别通过联轴器安装在第三双出轴步进电机两端，并且在第三双出轴步进电机丝杠A和
第三双出轴步进电机丝杠B的远电机端安装有轴承座；同样的，第四双出轴步进电机丝杠包括第四双出轴步进电机丝杠A和第四双出轴步进电机丝杠B，分别通过联轴器安装在第四双
出轴步进电机两端，并且在第四双出轴步进电机丝杠A和第四双出轴步进电机丝杠B的远电
机端安装有轴承座；连接件一端与推杆固定连接，另一端开有螺纹孔并与丝杠轴连接；第三推杆通过两个安装在两端的连接件与第三双出轴步进电机丝杠A和第四双出轴步进电机丝
杠A轴连接；第四推杆通过两个安装在两端的连接件与第三双出轴步进电机丝杠B和第四双
出轴步进电机丝杠B轴连接；第三双出轴步进电机和第四双出轴步进电机固定安装在中心
升降平台下方并且其轴线方向与推杆垂直，第三推杆和第四推杆安装在中心升降平台上
方，连接件穿过中心升降平台与推杆连接；第三双出轴步进电机和第四双出轴步进电机的
轴线方向与第一双出轴步进电机和第二双出轴步进电机的轴线方向垂直；第三双出轴步进
电机和第四双出轴步进电机同步转动，带动第三双出轴步进电机丝杠和第四双出轴步进电
机丝杠同时旋转，通过连接件带动第三推杆和第四推杆同时从中心升降平台两端向中心移
动或从中心向两端移动，并且当运动到两推杆间距离等于无人机起落架宽度时停止，从而
实现对无人机X方向的位置调整并对其进行固定。
6.根据权利要求1的一种高压输电线路巡检的无人机自动收放装置，其特征在于：地面
控制系统由运动控制单元、充电控制单元和通信单元构成；运动控制单元用于控制无人机
收放装置上的第一仓门运动驱动电机、第二仓门运动驱动电机、升降驱动电机、第一双出轴步进电机、第二双出轴步进电机、第三双出轴步进电机、第四双出轴步进电机及其他运动单元；充电控制单元用于对无人机进行电池在位接触式快速充电，充电控制单元的输出端正
极分别与第一推杆、第三推杆上的充电金属接触片连接，充电控制单元的输出端负极分别
与第二推杆、第四推杆上的充电金属接触片连接，当无人机降落并进行固定保护后，通过第一推杆和第二推杆或者第三推杆和第四推杆与无人机电池形成回路，从而对无人机进行快
速充电；通信单元用于与无人机进行状态数据和控制命令的传输。
7.根据权利要求1的一种高压输电线路巡检的无人机自动收放装置，其特征在于：
充电金属接触点沿y轴方向对称安装在无人机起落架的下端，且共有四个充电金属接
触点，可以与推杆上安装的充电金属接触片可靠接触；
步骤1：准备放飞，解除对无人机保护；首先由充电控制单元检测无人机电池电量是否
达到起飞阈值，如果无人机电池电量低于起飞阈值，继续对无人机进行充电；如果无人机电池电量达到起飞阈值，则由运动控制单元控制第一仓门运动驱动电机和第二仓门运动驱动
电机转动，带动第一仓门运动连杆和第二仓门运动连杆分别向两侧旋转，从而带动第一翻
板式仓门和第二翻板式仓门打开至水平状态；然后控制四个升降驱动电机同步旋转，从而
带动中心升降平台上升并与翻板式仓门处于同一水平面；如果此时正在对无人机进行充
电，首先由充电控制单元切断充电电路，结束充电，否则由运动控制单元控制第一推杆、第二推杆、第三推杆和第四推杆同时向远离无人机方向移动，从而解除对无人机的固定，待四个推杆全部运动到远离无人机最大位置时，由通信单元向无人机发出可以起飞指令，等待
无人机应答；
步骤2：无人机自动放飞；当无人机接收到由通信单元发出的可以起飞指令后，向地面
控制单元发送准备起飞应答信号，并对无人机上的设备和传感器进行自检，待自检成功后
自动起飞，实现无人机的自动放飞；无人机安全放飞后由运动控制单元控制四个推杆同时
向中心移动回到初始位置，中心停机坪下降，翻板式仓门关闭；
步骤3：无人机自主定位降落；当无人机完成空中作业或因电池电量不足需要回收降落
时，首先由无人机向地面控制单元发出请求降落指令，地面控制单元接收到降落请求后由
运动控制单元控制打开翻板式仓门，升起中心停机坪，控制四个推杆运动到远离无人机最
大位置处，然后由通信单元向无人机发送当前位置信息(xground，yground)和可以降落指令，无人机接收到相应指令后首先根据无人机当前位置(xUAV，yUAV)和地面控制单元位置(xground，yground)之间的偏差ΔS飞行到起落平台附近，然后通过双图形快速识别定位算法降落到由中心升降平台、第一翻板式仓门和第二翻板式仓门组成的无人机起落平台上，完成无人机
的自动降落；
步骤4：对无人机进行固定保护并自动充电；当无人机安全降落在上述无人机起落平台
上后，首先由无人机向地面控制单元发出着陆成功信号，地面控制单元接收到着陆成功信
号后由运动控制单元控制第一推杆、第二推杆、第三推杆和第四推杆同时向中心位置方向
移动，当第一推杆、第二推杆之间的距离和第三推杆、第四推杆之间的距离等于无人机起落架的宽度时停止运动，从而实现对无人机位置的调整和固定保护；然后由运动控制单元控
制四个升降驱动电机同步反向旋转，从而带动中心升降平台下降并回到初始位置，控制第
一仓门运动驱动电机和第二仓门运动驱动电机转动，带动第一仓门运动连杆和第二仓门运
动连杆分别向中心旋转，从而带动第一翻板式仓门和第二翻板式仓门关闭并回到初始位
置，从而实现对无人机的收纳；最后，由充电控制单元检测无人机电池电量，如果无人机电池电量达到充电阈值，则由充电控制单元接通充电电路对无人机进行接触式快速充电，否
则，不对无人机进行充电；
无人机放飞程序流程中，首先检测无人机电池电量是否达到起飞阈值TOthreshold，如果
电池电量小于起飞阈值TOthreshold，则产生电池电量过低信号，无人机放飞失败，如果此时未对电池进行充电，接通充电电路进行充电；否则，如果电池电量大于起飞阈值TOthreshold，由运动控制单元控制驱动电机打开翻板式仓门、升起中心停机坪，构成无人机起落平台，如果此时正在充电，则断开充电电路，控制推杆解除对无人机的固定保护，完成无人机的放飞；
无人机回收降落程序流程中，首先等待接收无人机发出的请求降落指令，如果接收到
请求降落指令，由运动控制单元控制驱动电机打开翻板式仓门、升起中心停机坪、推杆运动到远离无人机最大位置，构成无人机起落平台；然后向由地面控制单元向无人机发送当前
位置坐标和降落指令，无人机通过视觉定位着陆成功后，通过推杆对无人机进行位置调整
和固定保护，并对无人机进行收纳，完成无人机的自主回收降落，如果此时电池电量达到充电阈值，接通充电电路进行充电。
8.根据权利要求1的一种高压输电线路巡检的无人机自动收放装置，其特征在于：为完
成无人机的安全着陆，设计一个用于无人机降落的视觉定位标志，该视觉定位识别标志由
一个圆环和一个正方形组成，圆环间和正方形内部用黑色填充，从而形成清晰的黑白相间
的图形，并且小圆环的半径为R1，大圆环的半径为R2，正方形边长为l，R1/R2＝γ；
圆环图形具有很好的中心对称性，可以快速找到标志中心点，为了避免与地面轮廓发
生误识别而产生不可预测的错误，在圆环中心位置嵌入一个黑色实心正方形色块，从而保
证视觉识别算法的可靠性和无人机自主降落的准确性，同时，正方形色块具有明显的数学
特征，具有四个直角，四条边对边平行，邻边垂直，可以较容易的识别出来并快速确定其中心点；
视觉定位算法的主要原理是系统同时对上述识别标志中的两个图形进行处理，同步对
两个图形进行特征提取和中心点确定，确定圆环中心点R′(xcir，ycir)和正方形中心点Q′(xrec，yrec)后再根据两个图形中心点的偏差判断是否为有效识别，如果为有效识别，则将两个图形的中心点按概率合并为识别标志中心点S(xsign，ysign)，再将合并后的标志中心点S(xsign，ysign)与图片中心点P(xpic，ypic)比较，进而对无人机位置进行调整和控制下降，最终实现无人机的较精确降落；
无人机视觉定位着陆的具体步骤：
S1：当无人机完成巡检任务或电池电量低于飞行阈值时，无人机向地面控制单元发送
请求降落指令，然后等待地面控制单元发出的可以降落指令和地面控制单元位置信息，如
果接收到可以降落指令，对无人机位置进行调整，准备降落；如果没有接收到降落指令并且等待接收的次数小于设定的最大等待次数waitnumair，继续等待，否则，重新向地面控制单元发送请求降落指令；
S2：如果无人机接收到可以降落指令和地面控制单元当前的位置信息(xground，yground)，首先根据无人机当前的位置坐标(xUAV，yUAV)和地面控制单元的位置坐标(xground，yground)之间的偏差ΔS飞行到起落平台附近上方并进行旋停，准备进行视觉定位降落，其中
S3：开启视觉定位系统，采集视频图像及无人机高度信息hUAV，然后对图像进行一次预
处理，即将RGB彩色图像转为灰度图像；根据图片大小确定图片中心点坐标值P(xpic，ypic)，并将该坐标值作为圆环中心点坐标Rn(xcir，ycir)和正方形中心点坐标Qm(xrec，yrec)的初始值，分别对圆环图形和正方形图形进行识别；
圆环图形识别过程：对一次预处理后的灰度图像进行进一步的预处理：首先对图像进
行均值滤波去除噪声；然后进行边缘检测和二值化处理，对得到的二值化图像进行轮廓检
测，即从二值化图像的有效点集中找出所有可闭合的轮廓对象；之后，对可闭合的轮廓对象进行数值拟合，具体来说，就是对构成每一个闭合轮廓的所有点集采用椭圆方程进行最小
二乘拟合，尽可能使对象点集与椭圆方程上的点重合，均方误差最小；最终确定出椭圆方程的参数，获得椭圆中心坐标，从而找到两个半径之比为γ的同心圆，完成圆环标志的识别并记录圆环中心点坐标Rn(xcir，ycir)，继续采集图像得到100个连续的圆环中心点坐标并取平均值得到圆环的平均中心坐标R′(xcir，ycir)；
正方形识别过程：对一次预处理后的灰度图像进行进一步的预处理：采用中值滤波方
法对灰度图像进行滤波，去除椒盐噪声，保留角点信息；采用Harris角点检测算法对中值滤波后的灰度图像进行处理，提取正方形标志的角点，但是，经过Harris算法得到的并非4个角点，而是4个角点群，因此，实际采用的是一种邻域角点滤波方法，即对某个Harris角点的εr邻域内的所有角点计算几何中心后得到一个单角点位置；实现公式如下：
其中，Harris(x，y)表示为最终获得的Harris单角点，Harris_Corners(i)表示为
Harris角点检测获得的角点群，T2为邻域角点滤波方法所选取的模板尺寸；
经过角点检测得到正方形标志的4个角点后，对4个角点的位置信息进行判定，确定是
否为正方形，具体判定方法如下：
1)通过获得的4个角点位置坐标可得到6段距离，分别为双对角线和四个边长，假设边
长为l，对角线为h，且l＜h；
2)根据几何特征只需判定是否正确，若正确，
则判定成功，标志为正方形；否则判定为失败，返回S3，重新采集图像；
如果判定成功，记录正方形中心点坐标Qm(xrec，yrec)，继续采集图像得到100个连续的正方形中心点坐标并取平均值得到正方形的平均中心坐标Q′(xrec，yrec)；
S4：计算上述圆环平均中心坐标R′(xcir，ycir)和正方形平均中心坐标Q′(xrec，yrec)之间的距离确定是否为有效识别，如果
DisCirRec≤εDistance，则为有效识别，进行下一步的计算，否则为无效识别，返回S3，重新采集图像；
S5：如果为有效识别，按概率合并圆环平均中心坐标R′(xcir，ycir)和正方形平均中心坐标Q′(xrec，yrec)，得到识别标志中心坐标S(xsign，ysign)，即S＝αR′+βQ′＝(αxcir+βxrec，αycir+βyrec)；因为无人机视觉定位摄像头安装在无人机的底部中心位置，所以摄像头中心点与无人机中心点重合，而视频图像中心点反映摄像头中心点的位置情况，因此通过识别标志中
心点与图片中心点的像素偏差计算得到无人机与定位识别标志的真实偏差；计算识别标志
中心坐标S(xsign，ysign)和图片中心点坐标P(xpic，ypic)之间的距离
如果Distance≤εSPdis，说明无人机中心位置与识别标志
中心位置的偏差在允许范围内，不需要调整无人机水平位置，进而判断无人机高度hUAV是否小于最大着陆高度Hmax，如果hUAV≤Hmax，则着陆成功，关闭视觉定位系统，完成无人机自主回收，如果hUAV＞Hmax，则无人机下降一段高度hD，返回S3，继续采集视频图像进行定位降落，直到着陆成功；否则，如果Distance＞εsPdis，说明无人机中心位置与识别标志中心位置的偏差超出允许的范围，需要对无人机的水平位置进行调整，之后返回S3继续采集视频图像进行
定位降落，直到着陆成功；
为方便计算，规定图像左上角为坐标原点O，竖直向下为x轴方向，水平向右为y轴方向：
无人机水平位置调整的位移μ和角度θ计算方法如下：
其中，f为摄像头焦距。

说明书全文

一种高压输电线路巡检的无人机自动收放装置

技术领域

[0001] 本发明涉及一种高压输电线路巡检的无人机自动收放装置，属于无人机应用及电力检测技术领域。

背景技术

[0002] 随着我国综合国力的不断提高以及经济、技术的大力发展，我国对于常规能源(例如电能)的需求仍然很旺盛。但是，根据我国目前的电能供求形式，用电需求大的城市和地区往往并不适合就近建设电厂，这就要求生产电能的各个电厂必须将电能通过各级变电站和输电线路传输到不同的城市和地区，这种远距离的电能传输就给事故的发生埋下了隐患。而且由于输电线路所处环境是野外露天场所，容易受到各种因素影响发生断股、磨损、腐蚀等损伤，如果不能及时的进行修复，一旦发生事故，就会造成极大的经济损失。这就需要及时发现输电线路的隐患和缺陷，并进行修复，防患于未然，因此，为保证正常的输电、供电，必须对输电线路进行定期的巡检。

[0003] 目前，国内电力行业对于输电线路的巡检工作仍普遍采用人工巡检的方式，由巡检人员在地面沿线逐塔(输电铁塔)巡检，这种巡检方式的主要问题是巡检效率低、可靠性差、存在一定的危险性、费用较高，并且随机性较大，容易出现漏检、错检等问题。

[0004] 四旋翼无人机具有成本低廉、远程遥控、构造简单、可垂直起降、机动性能好、环境适应能力强等优点，并且可以携带各种各样的设备完成相应的任务，具有广阔的应用前景。将无人机应用于输电线路的巡检中，不仅可以提高巡检效率、节约成本，而且也可以节省人力，提高巡检的可靠性。虽然目前在电力行业中已经在使用无人机进行输电线路巡检，但是都无法摆脱人员的操作，特别是无人机的运载、放飞和回收降落的过程无法实现自动化，很大程度限制了巡检效率的提高。因此，如何实现无人机放飞和回收降落过程的自动化、智能化，并且为无人机的运载提供位置空间和固定保护是需要解决的首要问题。

[0005] 架空输电线路是电能传输的主要方式，由输电线路故障而引发停电，会给人民生活、工业企业和国家造成巨大的经济损失。这就需要及时发现输电线路的隐患和缺陷，并进行修复，防患于未然，必须对输电线路进行定期的巡检。然而，传统的人工巡检方式存在着巡检效率低、可靠性差、成本高等诸多不足。为解决这一问题，虽然一些电力企业已经在使用四旋翼无人机代替人工走线进行航拍巡检，避免了人工走线的危险性，但是，无人机的运载、起降和操控始终无法摆脱人工的参与，并且由于无人机存在续航能力有限的缺陷，虽然这种人员干预的无人机线路巡检方式在一定程度上降低了人工巡检的危险性，但对于提高巡检效率和节省人力并没有显著改善。因此，本发明设计了一种适用于高压输电线路巡检，可以实现无人机自主放飞和回收降落，并对无人机提供固定保护和自动充电续航的收放装置，将该装置安装在地面运载机器人、汽车上或者地面基站，就可以实现对输电线路的高效、可靠的巡检。

[0006] 针对无人机自主放飞、回收和充电续航的问题，目前已经有一些应用于车载式的无人机收发和充电技术。但现有技术基本都是采用无人机直接定位降落(如采用GPS和/或惯性导航)并配合限位槽进行，无人机定位精度较差，存在一定的偏差，对无人机准确降落在限位槽中的控制要求较高，只适应于无人机位姿偏差较小的情况，如果由于风力、干扰出现较大的偏差，存在发生降落失败摔毁无人机的可能；并且大多采用电磁吸附方式辅助降落，不仅消耗电能较大而且需要无人机搭载较重的被动吸附装置，增加了无人机的负载，对无人机的灵活性和续航能力产生影响，而电磁吸附装置所产生的磁场可能会对无人机的运行产生电磁干扰；此外，现有技术欠缺对无人机防尘、抗风以及应对恶劣天气的考虑，并不能直接应用于架空输电线路巡检较恶劣的野外工作环境。对于无人机的自动充电技术，目前多采用卸载电池单独充电的方式，或采用无线充电，卸载电池的充电方式不仅增加了机械结构的复杂性而且对于控制的精度要求较高，而无线充电方式效率较低，会对电能产生浪费，都不适用于输电线路的野外工作环境。经文献检索，专利公告号为106864751，专利号为201710157854.4，名称为基于图像处理的无人机飞行降落系统及方法。该发明包括无人机和无人机起落站。无人机起落站由载物台、辅助无人机降落的精确定位及固定装置、云台、竖直向上的摄像头、计算机和第一无线数据传输模块构成。该发明所述无人机降落过程为：摄像头采集无人机图片并由计算机进行处理、得到无人机的位置信息、产生控制命令并由第一无线数据传输模块发送给无人机，最终完成降落。相对于上述电磁吸附的降落方式，该发明可以较好的解决无人机的自主降落和负载问题，但同样采用限位槽的降落固定方式，存在降落失败的风险，而且并未考虑应对沙尘、大风等恶劣天气对无人机的保护，因此，现有发明不能满足无人机对架空输电线路巡检的野外工作环境的要求。

[0007] 综上，现有技术以及专利中提及的无人机降落回收技术均不能解决架空输电线路巡检中对无人机的放飞、回收和充电续航问题。综合现有的相关发明和技术，根据输电线路巡检的工作环境和工作情况，本发明从机械设计到控制算法都采用新的设计思路，以达到适用于架空输电线路巡检的实际工况，实现无人机的自主放飞、回收和充电续航，从而实现无人机对输电线路的巡检。

[0008] 虽然上述已有的无人机回收与自动充电技术在相应的应用领域得到一定的应用，在一定程度上实现了无人机的自主回收和自动充电，但是如果直接应用于输电线路巡检还存在一些问题。

[0009] (1)无法解决野外输电线路巡检时风力、风速等干扰对无人机降落的影响；

[0010] 现有的无人机回收降落技术只适用于良好天气状况下无人机的自主回收，并且多采用无人机直接定位降落并配合限位槽的方式完成，对无人机准确降落在限位槽中的控制要求较高、抗干扰能力较差且存在一定的偏差，存在降落失败坠毁的危险，只适用于无人机位姿偏差较小的情况，而由于输电线路巡检是野外作业，工作环境相关恶劣，存在较多干扰因素，无人机降落过程中会存在相对较大的偏差，因此，现有的无人机回收降落技术并不适用于野外大干扰的工况，不能直接应用在输电线路巡检中无人机的自主回收。

[0011] (2)如何完成对无人机自动快速的充电并对无人机进行固定保护；

[0012] 由于本发明所述无人机需要进行输电线路巡检，需要较长时间的飞行，但由于无人机自身续航能力有限，因此，需要地面运载机器人或汽车对其进行运载并可以自动快速充电，以保证无人机的连续作业。现有无人机自动充电技术包括卸载电池单独充电方式和无线充电方式两种。卸载电池不仅需要复杂的机械结构，控制难度较大，而且耗时较多；无线充电方式虽控制简单，但是充电效率较低，充电时间较长，会对电能产生浪费，因此，现有无人机自动充电技术均不能满足本发明所述无人机的充电要求。此外，野外作业时如遇到沙尘、雷暴等恶劣天气必须要对无人机进行保护。

[0013] (3)传统定位降落方法精度低、偏差大；

[0014] 本发明涉及到旋翼无人机自主降落的控制，且控制精度有较高的要求。目前，无人机自主降落主要采用传统的惯性导航和卫星导航定位方法，而传统的定位方法误差较大，都已超出本发明所设计的无人机起落平台的最大降落范围，因此并不能很好地满足本发明对于降落精度的要求。

[0015] 针对上述存在的问题，本发明根据输电线路巡检作业的实际工作情况以及无人机自主降落、自动充电工作环境的特殊性，通过械械和控制手段，实现野外工况下无人机的自主放飞、回收降落和自动充电，并完成对输电线路的巡检。在本发明中采用无人机视觉定位降落算法和推杆式夹持固定机构，从硬件和软件上保证无人机可以精准的降落固定在预设中心位置。具体解决方法如下：

[0016] 对于现有发明无法解决野外输电线路巡检时风力、风速等干扰对无人机降落影响的问题：现有的相关发明和技术只适用于良好天气状况，无人机位姿偏差较小的情况下对无人机的自主回收，对于输电线路巡检这样的野外作业环境，不仅存在较多的外界干扰因素，而且无人机降落过程中会存在相对较大的偏差。为解决这一问题，本发明从硬件机械结构上和软件控制算法上采用全新的设计，机械结构上采用两组双向推杆式夹持固定机构对降落后无人机的位置进行调整并固定无人机；控制算法上采用双图形快速识别定位算法，不仅可以满足无人机定位降落过程中对于实时性的要求，而且可以保证图形识别的可靠性，不会出现误识别。

[0017] 如何完成无人机自动快速的充电并对无人机进行固定保护的问题：由于输电线路巡检是野外作业，需要无人机长时间、远距离的飞行，但受到无人机自身续航能力的限制，需要地面运载机器人或汽车对其进行运载并可以自动快速充电，以保证无人机的连续作业。现有无人机自动充电技术包括卸载电池单独充电方式和电池在位无线充电方式两种。卸载电池不仅需要复杂的机械结构，控制难度较大，而且耗时较多；无线充电方式虽控制简单，但是充电效率较低，充电时间较长，会对电能产生浪费。本发明采用无人机电池在位有线接触式充电方式对无人机进行快速充电，分别在无人机下方的起落架上和上述推杆式夹持固定机构上安装有充电金属接触点和充电金属接触片，并配合无人机上搭载的充电防反接保护电路实现无人机的充电续航、连续作业。此外，本发明考虑到野外作业时会遇到沙尘、雷暴等恶劣天气，必须对无人机进行保护，本发明采用可自动开闭的翻板式封闭箱体结构和可自动升降的中心停机坪，当无人机降落并对其进行固定后，中心停机坪可自动下降至封闭式箱体底部并关闭翻板式仓门，从而保证无人机可以躲避恶劣天气。

[0018] 传统定位降落方法精度低、偏差大：为了满足本发明对无人机自主降落精度的要求，解决传统的惯性导航和卫星导航定位方法精度低、偏差大的问题，本发明采用双图形快速识别定位算法来完成无人机的自主降落，保证无人机可以较准确的降落在由上述可升降停机坪和上述翻板式仓门组成的降落平台上。

发明内容

[0019] 本发明是基于机械传动技术、自动控制理论以及机器视觉、多传感器融合技术的一种适用于输电线路巡检的无人机自动收放装置。主要解决了如下问题：

[0020] 1、由于架空线路长期暴露在大自然中运行，要受到各方面外来因素的干扰和大自然千变万化的影响，特别是我国中西部地区，多变的气候环境会对输电线路的工况产生影响。然而，传统的人工巡检方式对巡检人员的要求较高，随着巡检时间的增加，线路巡检的结果会受到巡检人员的疲劳、经验和技术等客观因素的影响，并且巡检效率较低。本发明设计了一种适用于野外架空输电线路实际工况，可以完成无人机的自动放飞和回收降落，并对无人机进行固定保护和运载，实现有人干预或无人干预的情况下无人机都能对输电线路的进行巡检；

[0021] 2、旋翼无人机在运行过程中由于旋翼的高速旋转会产生强烈的气流，经过地面的反射会产生地面效应，特别是在无人机降落过程中，这种地面效应会对无人机的降落精度产生影响，而且输电线路巡检是野外作业，工作环境较为恶劣，存在大风等干扰因素，也会对无人机的降落精度产生影响，因此，不论是自主降落还是遥控降落都会使无人机的降落位置出现偏差，不能准确地降落在预设的中心位置。本发明设计了一种双向推杆夹持固定机构对无人机降落后的位置进行调整，在无人机降落在起落平台上之后，通过推杆使其被动移动到预设中心位置，解决无人机无法实现精准降落的问题；

[0022] 3、由于无人机要放置在地面运载机器人或汽车上运载，并对其进行移动充电，地面机器人或汽车运行产生的抖动会对无人机的机械结构和稳定性产生影响，因些，直接将无人机降落后放置在起落平台上无法对其进行固定保护并实施充电。本发明采用上述双向推杆夹持固定机构对无人机进行固定保护，并在推杆和无人机支架对应位置处安装接触式充电金属片，配合无人机上搭载的防反接充电保护电路对无人机进行充电续航，解决无人机固定保护和充电续航的问题；

[0023] 4、本发明涉及到旋翼无人机自主降落的控制，且控制精度有较高的要求，传统惯性导航和卫星导航的误差都已超出本发明所设计的无人机起落平台的最大降落范围，不能满足本发明对于降落精度的要求。本发明采用基于图像识别的视觉定位算法实现无人机的自主降落，解决无人机降落精度不理想的问题。

[0024] 首先，上述提到的现有发明，并未提及对于无人机防尘、抗风等应对恶劣天气情况的保护，采用地面摄像头和限位槽的结构实现无人机自主降落，对于无人机的控制要求较高，要求无人机的位姿偏差较小，而架空输电线路巡检属于野外作业，风力、风向等外界因素会对无人机的降落产生较大的干扰，并不能保证无人机可以准确的降落到限位槽内。因此，本发明采用可封闭的箱式结构应对野外复杂的天气情况和工作环境，针对本发明所述野外环境无人机降落过程中外界干扰较大，不能实现一步精准降落的问题，本发明设计了视觉定位降落方法和推杆式夹持调节机构来保证无人机精确降落到预设中心位置。其次，针对无人机自主充电续航问题，本发明设计了有线接触式电池在位充电方式，在无人机下方的起落架上和上述推杆式夹持固定机构上分别安装有充电金属接触点和充电金属接触片，当无人机降落并由上述推杆式夹持固定机构固定后，上述充电金属接触点和充电金属接触片已经可靠接触，如果需要对无人机进行充电，只需接通充电电路即可实现对无人机的快速充电，从而实现对无人机的充电续航。最后，针对图像处理算法计算量大的问题，并为了保证视觉定位算法的可靠性，避免因定位识别标识太简单而发生误识别，本发明设计了基于图形判别的双图形快速识别定位算法，从而实现了对降落标识的可靠识别和较准确的定位降落。

[0025] 为了实现对无人机的自主放飞、回收降落和自动充电保护，最终实现无人机对输电线路的自动巡检，本发明采用的技术方案主要包括无人机自动收放装置、双图形快速识别定位算法两个部分。

[0026] 无人机自动收放装置由可自动开闭的翻板式封闭箱体、可自动升降的中心停机坪、安装在所述中心停机坪上和所述翻板式封闭箱体上的双向推杆式夹持固定机构以及地面控制系统四个部分组成。

[0027] 可自动开闭的翻板式封闭箱体由无人机收纳仓、翻板式仓门和仓门运动单元构成，仓门运动单元连接无人机收纳仓和翻板式仓门，并且能够带动翻板式仓门开闭。

[0028] 可自动升降的中心停机坪由升降运动单元、中心升降平台以及喷涂在所述中心升降平台上的无人机视觉定位识别标志构成，升降运动单元驱动中心升降平台上升或下降。

[0029] 双向推杆式夹持固定机构由A组双向推杆夹持固定单元、A组双向推杆夹持固定延长单元和B组双向推杆夹持固定单元构成，所述A组双向推杆夹持固定单元和所述B组双向推杆夹持固定单元安装在中心升降平台上，所述A组双向推杆夹持固定延长单元安装在翻板式仓门上，所述A组双向推杆夹持固定单元和所述A组双向推杆夹持固定延长单元配合动作。

[0030] 地面控制系统由运动控制单元、充电控制单元和通信单元构成，运动控制单元用于对无人机收放装置上的电机及其他运动单元进行控制，充电控制单元用于对无人机的电池进行接触式快速充电，通信单元用于与无人机进行状态数据和控制命令的传输。

[0031] 可自动开闭的翻板式封闭箱体由无人机收纳仓、翻板式仓门和仓门运动单元构成。无人机收纳仓是顶部开口的正方体箱体结构，翻板式仓门由第一翻板式仓门和第二翻板式仓门组成，所述翻板式仓门分别与无人机收纳仓竖直壁顶端铰链连接并能够自动开闭，从而形成封闭式的无人机收纳箱。

[0032] 仓门运动单元由第一仓门运动驱动电机、第一仓门运动连杆、第一仓门运动滑槽、第二仓门运动驱动电机、第二仓门运动连杆和第二仓门运动滑槽构成；第一仓门运动驱动电机和第二仓门运动驱动电机安装在所述无人机收纳仓的竖直仓壁外侧并呈对称分布；第一仓门运动连杆和第二仓门运动连杆均为直角形状，第一仓门运动连杆一端与第一仓门运动驱动电机的电机轴连接，第一仓门运动连杆另一端安装在第一仓门运动滑槽内；第二仓门运动连杆一端与第二仓门运动驱动电机的电机轴连接，第二仓门运动连杆另一端安装在第二仓门运动滑槽内；

[0033] 第一仓门运动滑槽和第二仓门运动滑槽安装在翻板式仓门外侧；运动驱动电机带动运动连杆一端作旋转运动，运动连杆另一端在运动滑槽内作滑动运动，从而带动所述翻板式仓门打开或关闭。

[0034] 升降运动单元由升降驱动电机、丝杠、运动丝杠螺母构成；升降驱动电机安装在所述无人机收纳仓内侧底面，丝杠通过联轴器与升降驱动电机连接，运动丝杠螺母安装在所述中心升降平台上；升降驱动电机通过丝杠带动运动丝杠螺母和中心升降平台作上升或下降运动；无人机视觉定位识别标志采用易于识别的单色图形，喷涂在所述中心升降平台上，为无人机的自主降落提供引导标识。

[0035] 为了方便叙述，定义沿第一推杆、第二推杆(包含在所述A组双向推杆夹持固定单元中)运动方向为Y轴方向并且沿第二推杆远离中心的运动方向为Y轴正方向；沿第三推杆、第四推杆(包含在所述B组双向推杆夹持固定单元中)运动方向为X轴方向并且沿第三推杆远离中心的运动方向为X轴正方向；中心升降平台的中心点为原点。

[0036] A组双向推杆夹持固定单元由第一双出轴步进电机、第二双出轴步进电机、第一双出轴步进电机丝杠、第二双出轴步进电机丝杠、第一推杆、第二推杆和第一双向推杆连接件构成。

[0037] 所述第一双出轴步进电机丝杠包括第一双出轴步进电机丝杠A和第一双出轴步进电机丝杠B，第一双出轴步进电机丝杠A和第一双出轴步进电机丝杠B分别通过联轴器安装在第一双出轴步进电机两端，并且在第一双出轴步进电机丝杠A的远电机端设有凸起，在第一双出轴步进电机丝杠B的远电机端设有凹槽。

[0038] 所述第二双出轴步进电机丝杠包括第二双出轴步进电机丝杠A和第二双出轴步进电机丝杠B，第二双出轴步进电机丝杠A和第二双出轴步进电机丝杠B分别通过联轴器安装在第二双出轴步进电机两端，并且在第二双出轴步进电机丝杠A的远电机端设有凹槽，在第二双出轴步进电机丝杠B的远电机端设有凸起。

[0039] 所述第一推杆通过两个安装在两端的连接件与所述第一双出轴步进电机丝杠A和第二双出轴步进电机丝杠A轴连接；所述第二推杆通过另外两个安装在两端的连接件与所述第一双出轴步进电机丝杠B和第二双出轴步进电机丝杠B轴连接；连接件一端与第一推杆或第二推杆固定连接，另一端开有螺纹孔并与所述丝杠轴连接；所述第一双出轴步进电机和第二双出轴步进电机固定安装在所述中心升降平台下方并且其轴线方向与所述推杆垂直，所述第一推杆和第二推杆安装在所述中心升降平台上方，所述连接件穿过中心升降平台与所述推杆连接；所述第一双出轴步进电机和第二双出轴步进电机同步转动，带动所述第一双出轴步进电机丝杠和第二双出轴步进电机丝杠同时旋转，通过连接件带动所述第一推杆和第二推杆同时从中心升降平台两端向中心移动或从中心向两端移动，并且当运动到两推杆间距离等于无人机起落架宽度时停止，从而实现对无人机Y方向的位置调整并进行固定。

[0040] A组双向推杆夹持固定延长单元由第一双出轴步进电机延长丝杠A、第一双出轴步进电机延长丝杠B、第二双出轴步进电机延长丝杠A、第二双出轴步进电机延长丝杠B和轴承座构成；所述第一双出轴步进电机延长丝杠A和第二双出轴步进电机延长丝杠A通过轴承座安装在所述第一翻板式仓门外侧，并且在第一双出轴步进电机延长丝杠A的远轴承座端设有凹槽，在第二双出轴步进电机延长丝杠A的远轴承座端设有凸起；当所述第一翻板式仓门打开至与中心升降平台水平位置时，所述第一双出轴步进电机延长丝杠A与所述第一双出轴步进电机丝杠A处于同一轴线方向并且第一双出轴步进电机延长丝杠A的凹槽与第一双出轴步进电机丝杠A的凸起完全锲合，所述第二双出轴步进电机延长丝杠A与所述第二双出轴步进电机丝杠A处于同一轴线方向并且第二双出轴步进电机延长丝杠A的凸起与第二双出轴步进电丝杠A的凹槽完全锲合；同样的，所述第一双出轴步进电机延长丝杠B和第二双出轴步进电机延长丝杠B通过轴承座安装在所述第二翻板式仓门外侧，并且在第一双出轴步进电机延长丝杠B的远轴承座端设有凸起，在第二双出轴步进电机延长丝杠B的远轴承座端设有凹槽；当所述第二翻板式仓门打开至与中心升降平台水平位置时，所述第一双出轴步进电机延长丝杠B与所述第一双出轴步进电机丝杠B处于同一轴线方向并且第一双出轴步进电机延长丝杠B的凸起与第一双出轴步进电机丝杠B的凹槽完全锲合，所述第二双出轴步进电机延长丝杠B与所述第二双出轴步进电机丝杠B处于同一轴线方向并且第二双出轴步进电机延长丝杠B的凹槽与第二双出轴步进电丝杠B的凸起完全锲合；当第一双出轴步进电机转动时，第一双出轴步进电机延长丝杠A与第一双出轴步进电机丝杠A同步旋转，第一双出轴步进电机延长丝杠B与第一双出轴步进电机丝杠B同步旋转；当第二双出轴步进电机转动时，第二双出轴步进电机延长丝杠A与第二双出轴步进电机丝杠A同步旋转，第二双出轴步进电机延长丝杠B与第二双出轴步进电机丝杠B同步旋转；从而使得第一推杆和第二推杆的运动范围由中心升降平台分别向两端延伸到第一翻板式仓门和第二翻板式仓门，扩大了无人机的降落范围，使无人机能够在由中心升降平台、第一翻板式仓门和第二翻板式仓门组成的无人机起落平台上降落，而不仅仅限于中心升降平台。

[0041] B组双向推杆夹持固定单元由第三双出轴步进电机、第四双出轴步进电机、第三双出轴步进电机丝杠、第四双出轴步进电机丝杠、第三推杆、第四推杆和第二双向推杆连接件构成；所述第三双出轴步进电机丝杠包括第三双出轴步进电机丝杠A和第三双出轴步进电机丝杠B，分别通过联轴器安装在第三双出轴步进电机两端，并且在第三双出轴步进电机丝杠A和第三双出轴步进电机丝杠B的远电机端安装有轴承座(轴承座未在图中示出)；同样的，所述第四双出轴步进电机丝杠包括第四双出轴步进电机丝杠A和第四双出轴步进电机丝杠B，分别通过联轴器安装在第四双出轴步进电机两端，并且在第四双出轴步进电机丝杠A和第四双出轴步进电机丝杠B的远电机端安装有轴承座(轴承座未在图中示出)；所述连接件一端与所述推杆固定连接，另一端开有螺纹孔并与所述丝杠轴连接；所述第三推杆通过两个安装在两端的连接件与所述第三双出轴步进电机丝杠A和第四双出轴步进电机丝杠A轴连接；所述第四推杆通过两个安装在两端的连接件与所述第三双出轴步进电机丝杠B和第四双出轴步进电机丝杠B轴连接；所述第三双出轴步进电机和第四双出轴步进电机固定安装在所述中心升降平台下方并且其轴线方向与所述推杆垂直，所述第三推杆和第四推杆安装在所述中心升降平台上方，所述连接件穿过中心升降平台与所述推杆连接；所述第三双出轴步进电机和第四双出轴步进电机的轴线方向与所述第一双出轴步进电机和第二双出轴步进电机的轴线方向垂直；所述第三双出轴步进电机和第四双出轴步进电机同步转动，带动所述第三双出轴步进电机丝杠和第四双出轴步进电机丝杠同时旋转，通过连接件带动所述第三推杆和第四推杆同时从所述中心升降平台两端向中心移动或从中心向两端移动，并且当运动到两推杆间距离等于无人机起落架宽度时停止，从而实现对无人机X方向的位置调整并对其进行固定。

[0042] 本发明中，所述中心升降平台、第一翻板式仓门和第二翻板式仓门均在相应位置处开槽，使得所述连接件可以在槽中无摩擦运动；所述A组双向推杆连接件要高于所述B组双向推杆连接件，从而保证所述第一推杆和第二推杆高于所述第三推杆和第四推杆；在所述第一推杆、第二推杆、第三推杆和第四推杆上装有半圆形充电金属接触片并且与所述推杆完全贴合，从而可以与无人机起落架上安装的充电金属接触点可靠接触，实现对无人机的电池在位快速充电。

[0043] 地面控制系统由运动控制单元、充电控制单元和通信单元构成。运动控制单元用于控制所述无人机收放装置上的第一仓门运动驱动电机、第二仓门运动驱动电机、升降驱动电机、第一双出轴步进电机、第二双出轴步进电机、第三双出轴步进电机、第四双出轴步进电机及其他运动单元；充电控制单元用于对无人机进行电池在位接触式快速充电，充电控制单元的输出端正极分别与第一推杆、第三推杆上的充电金属接触片连接，充电控制单元的输出端负极分别与第二推杆、第四推杆上的充电金属接触片连接，当无人机降落并进行固定保护后，通过第一推杆和第二推杆或者第三推杆和第四推杆与无人机电池形成回路，从而对无人机进行快速充电；通信单元用于与无人机进行状态数据和控制命令的传输。

[0044] 本发明的工作流程主要包括无人机放飞、无人机回收降落两个过程。当放飞无人机时，由所述控制单元控制翻板式仓门打开至水平状态，之后控制可升降中心停机坪上升并与翻板式仓门处于同一水平面，推杆式夹持固定机构解除对无人机的固定(如果此时正在进行充电，先由控制单元切断充电电路)，待所述四个推杆全部运动到远离无人机最大位置时，由通信单元向无人机发出可以起飞指令实现无人机的自动放飞，无人机安全放飞后由控制单元控制四个推杆回到初始位置，中心停机坪下降，翻板式仓门关闭；当无人机回收降落时，首先由无人机向控制单元发出请求降落指令，控制单元收到降落请求后同样打开翻板式仓门，升起中心停机坪，控制四个推杆运动到远离无人机最大位置处，然后控制单元向无人机发送当前位置信息和可以降落指令，无人机通过双图形快速识别定位算法降落到由中心升降平台、第一翻板式仓门和第二翻板式仓门组成的无人机起落平台上，四个推杆同时向中心运动对无人机的位置进行调整并对其进行固定保护，如果需要充电，由控制单元接通充电电路，中心停机坪下降，翻板式仓门关闭，完成降落。附图说明

[0045] 图1a为无人机收放装置仓门关闭状态三维图1。

[0046] 图1b为无人机收放装置仓门关闭状态三维图2。

[0047] 图2无人机起降平台俯视图及坐标轴定义示意图。

[0048] 图3为无人机起降平台上视图。

[0049] 图4为无人机起降平台正视图。

[0050] 图5为无人机收放装置整体示意图。

[0051] 图6为无人机改装示意图。

[0052] 图7为本发明的系统整体结构框图。

[0053] 图8为本发明的无人机放飞程序流程图。

[0054] 图9为本发明的无人机回收降落程序流程图。

[0055] 图10为无人机视觉定位标志。

[0056] 图11为图像坐标定义示意图。

[0057] 图12为本发明双图形快速识别定位算法流程图。

[0058] 图13为无人机收放装置应用于输电线路巡检机器人的示意图。

[0059] 图中：1、可自动开闭的翻板式封闭箱体；101、无人机收纳仓；102、第一翻板式仓门；103、第二翻板式仓门；104、第一仓门运动驱动电机；105、第一仓门运动连杆；106、第一仓门运动滑槽；107、第二仓门运动驱动电机；108、第二仓门运动连杆；109、第二仓门运动滑槽；110、铰链；2、可升降中心停机坪：201、中心升降平台；202、升降驱动电机；203、丝杆；204、运动丝杠螺母；205、无人机视觉定位标志；3、双向推杆夹持固定机构：301、第一双出轴步进电机；302、第一双出轴步进电机丝杠A；303、第一双出轴步进电机丝杠B；304、第一双出轴步进电机延长丝杠A；305、第一双出轴步进电机延长丝杠B；306、第二双出轴步进电机；
307、第二双出轴步进电机丝杠A；308、第二双出轴步进电机丝杠B；309、第二双出轴步进电机延长丝杠A；310、第二双出轴步进电机延长丝杠B；311、第三双出轴步进电机；312、第三双出轴步进电机丝杠A；313、第三双出轴步进电机丝杠B；314、第四双出轴步进电机；315、第四双出轴步进电机丝杠A；316、第四双出轴步进电机丝杠B；317、第一推杆；318、第二推杆；
319、第三推杆；320、第四推杆；321、第一推杆连接件；322、第二推杆连接件；323、轴承座；4、控制单元；5、无人机；501、GPS；502、无人机视觉定位摄像头；503、充电金属接触点。

具体实施方式

[0060] 本发明所述充电金属接触点沿y轴方向对称安装在无人机起落架的下端，且共有四个充电金属接触点，可以与所述推杆上安装的充电金属接触片可靠接触。

[0061] 步骤1：准备放飞，解除对无人机保护。首先由充电控制单元检测无人机电池电量是否达到起飞阈值，如果无人机电池电量低于起飞阈值，继续对无人机进行充电；如果无人机电池电量达到起飞阈值，则由所述运动控制单元控制第一仓门运动驱动电机和第二仓门运动驱动电机转动，带动第一仓门运动连杆和第二仓门运动连杆分别向两侧旋转，从而带动第一翻板式仓门和第二翻板式仓门打开至水平状态；然后控制四个升降驱动电机同步旋转，从而带动中心升降平台上升并与翻板式仓门处于同一水平面；如果此时正在对无人机进行充电，首先由充电控制单元切断充电电路，结束充电，否则由运动控制单元控制第一推杆、第二推杆、第三推杆和第四推杆同时向远离无人机方向移动，从而解除对无人机的固定，待所述四个推杆全部运动到远离无人机最大位置时，由通信单元向无人机发出可以起飞指令，等待无人机应答。

[0062] 步骤2：无人机自动放飞。当无人机接收到由通信单元发出的可以起飞指令后，向地面控制单元发送准备起飞应答信号，并对无人机上的设备和传感器进行自检，待自检成功后自动起飞，实现无人机的自动放飞。无人机安全放飞后由运动控制单元控制四个推杆同时向中心移动回到初始位置，中心停机坪下降，翻板式仓门关闭。

[0063] 步骤3：无人机自主定位降落。当无人机完成空中作业或因电池电量不足需要回收降落时，首先由无人机向地面控制单元发出请求降落指令，地面控制单元接收到降落请求后由运动控制单元控制打开翻板式仓门，升起中心停机坪，控制四个推杆运动到远离无人机最大位置处，然后由通信单元向无人机发送当前位置信息(xground，yground)和可以降落指令，无人机接收到相应指令后首先根据无人机当前位置(xUAV，yUAV)和地面控制单元位置(xground，yground)之间的偏差ΔS飞行到起落平台附近，然后通过双图形快速识别定位算法降落到由中心升降平台、第一翻板式仓门和第二翻板式仓门组成的无人机起落平台上，完成无人机的自动降落。

[0064] 步骤4：对无人机进行固定保护并自动充电。当无人机安全降落在上述无人机起落平台上后，首先由无人机向地面控制单元发出着陆成功信号，地面控制单元接收到着陆成功信号后由运动控制单元控制第一推杆、第二推杆、第三推杆和第四推杆同时向中心位置方向移动，当第一推杆、第二推杆之间的距离和第三推杆、第四推杆之间的距离等于无人机起落架的宽度时停止运动，从而实现对无人机位置的调整和固定保护；然后由运动控制单元控制四个升降驱动电机同步反向旋转，从而带动中心升降平台下降并回到初始位置，控制第一仓门运动驱动电机和第二仓门运动驱动电机转动，带动第一仓门运动连杆和第二仓门运动连杆分别向中心旋转，从而带动第一翻板式仓门和第二翻板式仓门关闭并回到初始位置，从而实现对无人机的收纳；最后，由充电控制单元检测无人机电池电量，如果无人机电池电量达到充电阈值，则由充电控制单元接通充电电路对无人机进行接触式快速充电，否则，不对无人机进行充电。

[0065] 本发明的系统整体结构图如下图7所示。

[0066] 图7所示系统整体结构图中，GPS用于获取无人机的位置信息并传输给无人机控制单元；摄像头用于采集视觉定位过程中的视频图像并传输给无人机控制单元进行视觉定位降落；充电金属接触点和充电金属接触片用于接通无人机电池和充电电路，防反接电路实现对电池的保护，防止电路接返将电池损坏，充电控制单元完成电池电量的采集、充电电路通断的控制和充电过程的控制；通信系统实现地面控制单元与无人机之间的信息传输；运动控制单元完成对各运动驱动电机的控制，从而实现翻板式仓门的开闭、中心停机坪的升降以及推杆式调节固定机构的运动。

[0067] 本发明控制过程流程图如图8所示。

[0068] 图8所示无人机放飞程序流程图中，首先检测无人机电池电量是否达到起飞阈值TOthreshold，如果电池电量小于起飞阈值TOthreshold，则产生电池电量过低信号，无人机放飞失败，如果此时未对电池进行充电，接通充电电路进行充电；否则，如果电池电量大于起飞阈值TOthreshold，由运动控制单元控制驱动电机打开翻板式仓门、升起中心停机坪，构成无人机起落平台，如果此时正在充电，则断开充电电路，控制推杆解除对无人机的固定保护，完成无人机的放飞。

[0069] 图9所示无人机回收降落程序流程图中，首先等待接收无人机发出的请求降落指令，如果接收到请求降落指令，由运动控制单元控制驱动电机打开翻板式仓门、升起中心停机坪、推杆运动到远离无人机最大位置，构成无人机起落平台；然后向由地面控制单元向无人机发送当前位置坐标和降落指令，无人机通过视觉定位着陆成功后，通过推杆对无人机进行位置调整和固定保护，并对无人机进行收纳，完成无人机的自主回收降落，如果此时电池电量达到充电阈值，接通充电电路进行充电。

[0070] (2)多进程双图形快速识别定位算法

[0071] 由于涉及到无人机的回收降落，需要无人机具有较准确的定位能力且对无人机的控制精度有较高要求，如果只采用传统的卫星定位方法，存在较大的定位偏差，不能满足本发明对定位精度的预期要求。因此，本发明采用视觉定位方法，提出了一种基于图形识别的快速定位算法，即多进程双图形快速识别定位算法。

[0072] 1)多进程双图形快速识别定位算法原理；

[0073] 传统的GPS定位方法在综合至少4颗卫星的位置信息后，可以实现无人机的定位，但是存在较大的位置偏差，而且其信号的强弱会受到环境的影响，更适用于对定位精度要求不高的系统。因些，本发明采用GPS和视觉互补定位的方法并提出了一种双图形快速识别定位算法。在无人机回收降落过程中，首先通过GPS定位导航控制无人机飞行到起落平台上方的附近位置，再启动视觉定位算法实现精确定位降落，完成无人机的回收。

[0074] 为完成无人机的安全着陆，设计一个用于无人机降落的视觉定位标志，该视觉定位识别标志由一个圆环和一个正方形组成，圆环间和正方形内部用黑色填充，从而形成清晰的黑白相间的图形，并且小圆环的半径为R1，大圆环的半径为R2，正方形边长为l，R1/R2＝γ。

[0075] 圆环图形具有很好的中心对称性，可以快速找到标志中心点，为了避免与地面轮廓发生误识别而产生不可预测的错误，在圆环中心位置嵌入一个黑色实心正方形色块，从而保证视觉识别算法的可靠性和无人机自主降落的准确性，同时，正方形色块具有明显的数学特征，具有四个直角，四条边对边平行，邻边垂直，可以较容易的识别出来并快速确定其中心点。

[0076] 本发明所述视觉定位算法的主要原理是系统同时对上述识别标志中的两个图形进行处理，同步对两个图形进行特征提取和中心点确定，确定圆环中心点R′(xcir，ycir)和正方形中心点Q′(xrec，yrec)后再根据两个图形中心点的偏差判断是否为有效识别，如果为有效识别，则将两个图形的中心点按概率合并为识别标志中心点S(xsign，ysign)，再将合并后的标志中心点S(xsign，ysign)与图片中心点P(xpic，ypic)比较，进而对无人机位置进行调整和控制下降，最终实现无人机的较精确降落。

[0077] 本发明所述无人机视觉定位着陆的具体步骤：

[0078] S1：当无人机完成巡检任务或电池电量低于飞行阈值时，无人机向地面控制单元发送请求降落指令，然后等待地面控制单元发出的可以降落指令和地面控制单元位置信息，如果接收到可以降落指令，对无人机位置进行调整，准备降落；如果没有接收到降落指令并且等待接收的次数小于设定的最大等待次数waitnumair，继续等待，否则，重新向地面控制单元发送请求降落指令。

[0079] S2：如果无人机接收到可以降落指令和地面控制单元当前的位置信息xground，yground)，首先根据无人机当前的位置坐标(xUAV，yUAV)和地面控制单元的位置坐标(xground，yground)之间的偏差ΔS飞行到起落平台附近上方并进行旋停，准备进行视觉定位降落，其中[0080] S3：开启视觉定位系统，采集视频图像及无人机高度信息hUAV，然后对图像进行一次预处理，即将RGB彩色图像转为灰度图像；根据图片大小确定图片中心点坐标值P(xpic，ypic)，并将该坐标值作为圆环中心点坐标Rn(xcir，ycir)和正方形中心点坐标Qm(xrec，yrec)的初始值，分别对圆环图形和正方形图形进行识别。

[0081] 圆环图形识别过程：对一次预处理后的灰度图像进行进一步的预处理：首先对图像进行均值滤波去除噪声；然后进行边缘检测和二值化处理，对得到的二值化图像进行轮廓检测，即从二值化图像的有效点集中找出所有可闭合的轮廓对象。之后，对可闭合的轮廓对象进行数值拟合，具体来说，就是对构成每一个闭合轮廓的所有点集采用椭圆方程进行最小二乘拟合，尽可能使对象点集与椭圆方程上的点重合，均方误差最小。最终确定出椭圆方程的参数，获得椭圆中心坐标，从而找到两个半径之比为γ的同心圆，完成圆环标志的识别并记录圆环中心点坐标Rn(xcir，ycir)，继续采集图像得到100个连续的圆环中心点坐标并取平均值得到圆环的平均中心坐标R′(xcir，ycir)。

[0082] 正方形识别过程：对一次预处理后的灰度图像进行进一步的预处理：采用中值滤波方法对灰度图像进行滤波，去除椒盐噪声，保留角点信息。采用Harris角点检测算法对中值滤波后的灰度图像进行处理，提取正方形标志的角点，但是，经过Harris算法得到的并非4个角点，而是4个角点群，因此，实际采用的是一种邻域角点滤波方法，即对某个Harris角点的εr邻域内的所有角点计算几何中心后得到一个单角点位置。实现公式如下：

[0083]

[0084] 其中，Harris(x，y)表示为最终获得的Harris单角点，Harris_Corners(i)表示为Harris角点检测获得的角点群，T2为邻域角点滤波方法所选取的模板尺寸。

[0085] 经过角点检测得到正方形标志的4个角点后，对4个角点的位置信息进行判定，确定是否为正方形，具体判定方法如下：

[0086] 1)通过获得的4个角点位置坐标可得到6段距离，分别为双对角线和四个边长，假设边长为l，对角线为h，且l＜h；

[0087] 2)根据几何特征只需判定是否正确，若正确，则判定成功，标志为正方形；否则判定为失败，返回S3，重新采集图像。

[0088] 如果判定成功，记录正方形中心点坐标Qm(xrec，yrec)，继续采集图像得到100个连续的正方形中心点坐标并取平均值得到正方形的平均中心坐标Q′(xrec，yrec)。

[0089] S4：计算上述圆环平均中心坐标R′(xcir，ycir)和正方形平均中心坐标Q′(xrec，yrec)之间的距离确定是否为有效识别，如果DisCirRec≤εDistance，则为有效识别，进行下一步的计算，否则为无效识别，返回S3，重新采集图像。

[0090] S5：如果为有效识别，按概率合并圆环平均中心坐标R′(xcir，ycir)和正方形平均中心坐标Q′(xrec，yrec)，得到识别标志中心坐标S(xsign，ysign)，即S＝αR′+βQ′＝(αxcir+βxrec，αycix+βyrec)。因为无人机视觉定位摄像头安装在无人机的底部中心位置，所以摄像头中心点与无人机中心点重合，而视频图像中心点反映摄像头中心点的位置情况，因此通过识别标志中心点与图片中心点的像素偏差计算得到无人机与定位识别标志的真实偏差。计算识别标志中心坐标S(xsign，ysign)和图片中心点坐标P(xgic，ypic)之间的距离如果Distance≤εSPdis，说明无人机中心位置与识别标志
中心位置的偏差在允许范围内，不需要调整无人机水平位置，进而判断无人机高度hUAV是否小于最大着陆高度Hmax，如果hUAV≤Hmax，则着陆成功，关闭视觉定位系统，完成无人机自主回收，如果hUAV＞Hmax，则无人机下降一段高度hD，返回S3，继续采集视频图像进行定位降落，直到着陆成功；否则，如果Distance＞εSPdis，说明无人机中心位置与识别标志中心位置的偏差超出允许的范围，需要对无人机的水平位置进行调整，之后返回S3继续采集视频图像进行定位降落，直到着陆成功。

[0091] 为方便计算，规定图像左上角为坐标原点O，竖直向下为x轴方向，水平向右为y轴方向：

[0092] 无人机水平位置调整的位移μ和角度θ计算方法如下：

[0093]

[0094] 其中，f为摄像头焦距。

[0095] 2)本发明所述视觉定位算法流程图；

[0096] 本发明为输电线路的无人化、智能化巡检作业，特别是在输电线路巡检中无人机的自主放飞、自动定位降落以及自动充电提出了一种实际、有效的解决方案，本发明可应用于地面运载机器人、汽车或者地面基站，如图13所示为本发明应用于输电线路巡检机器人的示意图。

[0097] 本发明的独创性主要体现在双向推杆式的夹持固定机构、接触式自动充电方式以及基于图形判别的多图形快速识别定位算法。

[0098] 1)双向推杆式的夹持固定机构

[0099] 本发明设计了一种由第一双向推杆夹持固定单元、第一双向推杆夹持固定延长单元和第二双向推杆夹持固定单元构成的双向推杆式夹持固定机构，所述第一双向推杆夹持固定单元和所述第二双向推杆夹持固定单元安装在上述中心升降平台上，所述第一双向推杆夹持固定延长单元安装在上述翻板式仓门上，所述第一双向推杆夹持固定单元和所述第一双向推杆夹持固定延长单元配合动作，通过双出轴步进电机带动推杆实现对无人机位置的调整和固定保护。虽然本发明给出了推杆式夹持固定机构的具体实现方法，但本发明欲保护点并不仅限于本发明中所提出的机械结构，乏采用推杆式与本发明所述原理类似的机械结构都在本发明的欲保护范围。

[0100] 2)接触式自动充电方式

[0101] 现有无人机自动充电技术包括卸载电池单独充电方式和电池在位无线充电方式两种。卸载电池不仅需要复杂的机械结构，控制难度较大，而且耗时较多；无线充电方式虽控制简单，但是充电效率较低，充电时间较长，会对电能产生浪费。为解决上述充电方式的不足，本发明采用无人机电池在位有线接触式充电方式对无人机进行快速充电，分别在无人机下方的起落架上和推杆式夹持固定机构上安装有充电金属接触点和充电金属接触片，并配合无人机上搭载的充电防反接保护电路实现无人机的充电续航、连续作业。

[0102] 3)基于图形判别的多图形快速识定位算法

[0103] 为了满足本发明对无人机自主降落精度的要求，解决传统的惯性导航和卫星导航定位方法精度低、偏差大的问题，本发明采用GPS和视觉互补定位的方法并提出了一种双图形快速识别定位算法来完成无人机的自主降落，保证无人机可以较准确的降落在由可升降停机坪和翻板式仓门组成的降落平台上。在无人机回收降落过程中，首先通过GPS定位导航控制无人机飞行到起落平台上方的附近位置，再启动视觉定位算法实现精确定位降落，完成无人机的回收。其中，为实现双图形快速识别算法的可靠运行，本发明设计了一个用于无人机降落的视觉定位标志，该视觉定位识别标志由一个圆环和一个正方形组成，但本发明欲保护点并不限于由圆环和正方形组成的识别标志，任何符合本发明所述有较好几何数学特征的简单的图形组合而成的识别标志都在本发明的欲保护范围之内。

[0104] 本发明在附图中给出了本发明所述无人机收放装置较优的具体实施例，但是其实现方式并不限于本发明所描述的实施例，只要不脱离权利要求的范围，可进行各种变形或变更，可以根据相同原理以不同的方式实现。本发明包括在权利要求的范围内的各种变形和变更，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

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