一種用于橋梁隧道自動巡檢旋翼無人機系統(tǒng)及導航方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種用于橋梁隧道等區(qū)域自動巡檢的旋翼無人機，是利用GPS與二維 激光雷達實現(xiàn)旋翼無人機在GPS信號易缺失的橋梁隧道等區(qū)域的自主飛行控制進而完成 自動巡檢作業(yè)，具體涉及一種用于橋梁隧道自動巡檢旋翼無人機系統(tǒng)及導航方法。
【背景技術】
[0002] 我國是一個多山的國家，為了提高公路、鐵路運輸?shù)慕?jīng)濟時速，在山地等區(qū)域建設 公路通常會采取橋梁、隧道的形式。截止到2013年末，我國橋梁隧道等已經(jīng)超過73萬座，總 長度居世界第一，我國也成為世界上隧道和地下工程最多、最復雜、發(fā)展最快的國家。然而 隨著交通運輸業(yè)的快速發(fā)展，尤其是超限（超重、超高、超寬、超長）車輛的激增，嚴重威脅 到橋梁與隧道的安全，隨之而來的坍塌事故近年來時有發(fā)生，造成人民財產(chǎn)和生命的嚴重 損失，目前，我國很大一部分橋梁與隧道已經(jīng)進入"老齡"期，巡檢與養(yǎng)護工作也成為當前交 通發(fā)展急需解決的問題。當前橋梁常見病害分別有以下幾個方面：不同部位出現(xiàn)裂縫；混 凝土強度不均勻；混凝土滲水；露鋼筋及銹蝕；梁的拱度過大、過?。A應力過大、過小）； 預應力孔道壓漿不飽滿，鋼絲銹蝕；梁體凍裂等。如不及時檢測和發(fā)現(xiàn)將會帶來嚴重后果。 我國針對橋梁隧道的病害修復和行定期的保養(yǎng)耗資巨大，"十一五"期間，中國公路養(yǎng)護費 共使用8011億元，平均每年達1600億元，但是效果卻不甚理想。各路橋養(yǎng)護公司還是使用 常規(guī)手段對路橋進行巡檢。對于山區(qū)橋梁來說，由于其跨度大、公里長、交通流量大，運用橋 檢車進行橋梁隧道檢測的時候需要封路，對人員的交通出行帶來諸多不便，嚴重影響了交 通通行秩序，且橋檢車價格昂貴，操作復雜。對于平原地區(qū)的大跨江、跨河橋梁進行常規(guī)檢 測的時候需要封航，且相關的路面還需要封路進行交通疏導；此外，橋檢車作業(yè)范圍有限， 對斜拉索橋，懸索主塔結構、索體結構等不能進行有效的巡檢。在路橋巡檢的實際工作過程 中，巡檢工作量大，具有較大的隨意性，巡檢過程不可控，工作環(huán)境惡劣危險系數(shù)大等現(xiàn)象。 總體上，目前的巡檢技術相對比較落后，利用新技術研發(fā)一種快速、高效的檢測手段日益成 為路橋檢測的迫切需要。
[0003] 旋翼無人機是近年來快速發(fā)展起來的一種小型無人駕駛無人機，旋翼無人機具有 普通的無人機無法比擬的優(yōu)點，主要體現(xiàn)在其結構緊湊、體積小，噪聲小，熱輻射小以及超 強的機動性，可以在狹小的空間內(nèi)垂直起降，自由穿梭，并且可以長時間懸停監(jiān)視，旋翼無 人機也由原來的軍事應用慢慢發(fā)展到民用，廣泛應用到電影業(yè)、農(nóng)業(yè)、工業(yè)、遙感航拍等領 域。其中無人機作為航空攝影和對地觀測的遙感平臺為應對橋梁隧道的巡檢提供了一種全 新的解決方案，無人機以其獨特的自身飛行優(yōu)勢以高低空視角結合，能夠到達任何位置進 行攝像與拍攝，能夠方便、快速、準確、有效進行高分辨率空間數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸。且其低 成本、高效率、靈活機動、可適應各種惡劣環(huán)境。同時，相對于地面平臺來講，空中平臺具有 更好的機動性和視角優(yōu)勢。將無人機應用了橋梁巡檢和應急搶險可以最大程度地將人從環(huán) 境中解放出來，減少了工作人員的勞動強度，縮短了作業(yè)時間，可以大大提高了工作效率。
[0004] 目前旋翼無人機的導航主要依靠GPS與人工控制，這種方式雖然能夠在一定程度 上緩解現(xiàn)階段橋梁隧道巡檢任務的困難，但是在橋梁隧道等區(qū)域GPS信號經(jīng)常會被遮蔽導 致依賴GPS工作的器件不能發(fā)揮效用而導致旋翼無人機不能定位機體的位置甚至發(fā)生事 故。并且旋翼無人機的控制需要人工遙控，操作人員需要能夠熟練操作旋翼無人機已完成 各類檢測任務，對操作人員的素質(zhì)要求很高。同時橋梁隧道區(qū)域環(huán)境比較復雜，縱深比較 大，旋翼無人機遙控信號容易受到干擾甚至屏蔽，受遠程遙控的旋翼無人機一旦失去控制 信號很有可能會發(fā)生比較嚴重的事故。目前我國依靠激光雷達對旋翼無人機的自主導航研 宄還處于起步階段，因此設計研宄一套基于GPS與二維激光雷達自主導航的橋梁隧道巡檢 無人機將會產(chǎn)生重大的現(xiàn)實意義與經(jīng)濟價值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的上述技術問題主要是通過下述技術方案得以解決的：
[0006] 一種用于橋梁隧道自動巡檢旋翼無人機系統(tǒng)，其特征在于，包括機架、設置在機架 四周的機體防護罩，機架上四個角分別設有一個包括螺旋槳的驅(qū)動組件；機架底部固定有 固定式起落架，固定式起落架內(nèi)設有增穩(wěn)云臺、無線圖傳與通信模塊以及高清相機；電池盒 固定在固定式起落架和機架底部之間；機架上設有頂U模塊以及機載處理器，頂U模塊上固 定有激光雷達以及固定在激光雷達上方的GPS模塊；激光雷達兩側(cè)分別通過L行固定桿固 定有一個下反射直角棱鏡和上反射直角棱鏡；所述驅(qū)動組件、GPS模塊、MU模塊、無線圖傳 與通信模塊、激光雷達以及SOS模塊均與機載處理器連接，所述高清相機與無線圖傳與通 信模塊連接。
[0007] -種用于橋梁隧道自動巡檢旋翼無人機自主導航方法，其特征在于，根據(jù)當前所 處位置有GPS信號與無GPS信號進行選擇執(zhí)行以下操作步驟：
[0008] 選擇步驟1，有GPS信號時；預先在巡檢區(qū)域的起止點獲取GPS坐標Ps與Pe，結合 目標區(qū)域的寬度信息，形成具有一定面積的可飛區(qū)，使得四旋翼無人機在可飛區(qū)內(nèi)由Ps點 向Pe點飛行；根據(jù)先驗知識，在可飛區(qū)內(nèi)設置若干個需要監(jiān)測的關鍵點，根據(jù)最優(yōu)路徑算 法得到一條最短路徑使得四旋翼無人機檢測完所有已設置的關鍵點；在飛行過程中當激光 雷達檢測到障礙物時，提前預判障礙物是否在四旋翼無人機的飛行路線上，若障礙物與最 短路徑存在交叉，則使用蔽障策略繞過障礙物，同時回歸原來的航線；到達預設關鍵點后對 關鍵點區(qū)域進行全面的拍攝；
[0009] 選擇步驟2,無GPS信號時；在相對密閉狹小的空間中，GPS信號將會被遮蔽，此時 將完全依靠激光雷達與MU進行導航；具體是建立一個以工作起始點為原點的世界坐標系 Gcoor，同時建立以四旋翼無人機中心為原點的機體坐標系Bcoor;其中，
[0010] 坐標一：建立一個以工作起始點為原點的世界坐標系Gcoor方法如下：
[0011] 在工作起始點，水平擺放四旋翼無人機，將此時的四旋翼無人機機體坐標系Bcoor作為四旋翼無人機工作的世界坐標系Gcoor;
[0012] 坐標二：建立以四旋翼無人機中心為原點的機體坐標系Bcoor方法如下：以四旋 翼無人機的幾何中心為原點，在四旋翼無人機平面內(nèi)，以四旋翼無人機約定正面一方的朝 向定義為x軸正向，以四旋翼無人機左面朝向定義為y軸正向；垂直于四旋翼無人機平面向 上的方向定義z軸正向；為了方便計算，將IMU輸出的三軸加速度中的x方向定義為無人機 機體坐標系的x軸。
[0013] 本發(fā)明主要包括三個方面的內(nèi)容：1、適用于橋梁隧道區(qū)域自動巡檢的旋翼無人機 機體的設計；2、基于GPS與激光雷達的旋翼無人機自主導航策略的設計；3、旋翼無人機航 拍影像的處理。
[0014] 本發(fā)明以四旋翼無人機為例進行說明，當四旋翼無人機處于相對開闊、GPS信號正 常的區(qū)域時將按照既定的GPS路線進行飛行，此時激光雷達因為掃描距離的限制將不能發(fā) 揮導航的作用，僅僅用來進行動態(tài)蔽障；當四旋翼無人機處于相對封閉狹小的空間時，GPS 信號將會缺失，此時將依靠激光雷達對周圍的場景進行掃描匹配以完成同步定位與構圖作 業(yè)，為了減輕重量與電量消耗，四旋翼無人機的高度信息也由激光雷達提供。由于機載控制 器運算速度與規(guī)模的限制，對四旋翼無人機拍攝的影像處理將在地面控制中心進行，主要 完成圖像的正射矯正、勻色、裁邊、拼接與目標識別，最終完成對橋梁隧道中關鍵目標信息 的高精度提取與變化檢測。
[0015] 在上述的一種用于橋梁隧道自動巡檢旋翼無人機自主導航方法，將以機體坐標系 Bcoor采集的激光雷達的掃描數(shù)據(jù)通過變換矩陣投影到世界坐標系中Gcoor;用掃描匹配 的方式通過旋轉(zhuǎn)平移等操作使激光雷達當前幀與前一段時間內(nèi)的數(shù)據(jù)幀的集合達到最佳 匹配，從而得到四旋翼無人機當前的姿態(tài)相對于前一段時間改變，即掃描匹配后得到四旋 翼無人機的相對位移與行偏角；掃描匹配達到的數(shù)據(jù)與IMU的數(shù)據(jù)用基于擴展卡爾曼濾波 器數(shù)據(jù)融合濾波器進行數(shù)據(jù)融合處理得到高精度的位移估計與速度估計，同時保證了很高 的估計頻率達到實時估計四旋翼無人機位姿信息；
[0016] 然后通過SLAM將估計的位姿信息與激光雷達的掃描數(shù)據(jù)共同建立電子地圖； SLAM相對需要較大的運算量，在機載處理器上無法完成實時操作，因此只能提供給實時估 計四旋翼無人機位姿狀態(tài)的數(shù)據(jù)融合濾波器一個短延時補償；最后由路徑規(guī)劃模型規(guī)劃四 旋翼無人機的向前飛行的路線。
[0017] 相對于目前橋梁隧道的檢測方法與手段，本發(fā)明具有明顯的優(yōu)勢，體現(xiàn)在；1.本 發(fā)明所述的自動巡檢旋翼無人機具有機動靈活的特點，巡檢范圍能夠全覆蓋橋梁隧道區(qū) 域，無論在空曠區(qū)域還是在封閉區(qū)域都能進行快速巡檢；2.本發(fā)明所述的自動巡檢旋翼無 人機依靠自動避障系統(tǒng)，能夠有效躲避障礙物以及機動車輛，可以在不阻塞或者封閉交通 的情況下完成對橋梁隧道的巡檢任務3.本發(fā)明所述的自動巡檢旋翼無人機系統(tǒng)能夠?qū)⑿?翼無人機拍攝的現(xiàn)場畫面實時回傳到地面站，相關人員可以據(jù)此了解現(xiàn)場的道路交通狀 況，在發(fā)生交通事故或自然災害時可以對現(xiàn)場進行調(diào)度。并且能夠生成橋梁隧道的病害專 題圖供相關人員使用。
【附圖說明】
[0018] 圖1是本系統(tǒng)機體結構示意圖。
[0019] 圖2是本系統(tǒng)機體結構示意圖。
[0020] 圖3是本系統(tǒng)的工作流程圖。
[0021]圖4是本系統(tǒng)的蔽障策略流程圖。
[0022] 圖5是本系統(tǒng)的分層式控制示意圖。
[0023] 圖6是本系統(tǒng)的橋隧病害監(jiān)測圖的制作流程。
【具體實施方式】
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