技術領域

本發(fā)明涉及一種用于管道機器人定位的無人機導航系統及方法。

背景技術：

為保障石油管道運輸安全，需要對石油管道進行定期的檢測和維修。管道清堵機器人是清理管道的主要設備，管道清堵機器人在高強度氣壓、水壓或油壓的推動下，在管道內行走，起到對石油管道的清理和探測作用。當管道清堵機器人在管道內清理時，時常跑飛或被堵卡住，需要地面上人員快速尋找管道清堵機器人的位置，以便進行挖掘、維修和清堵等工作。目前主要方法是管道機器人內部放置低頻電磁發(fā)射線圈，持續(xù)的發(fā)射極低頻電磁信號，管道外工作人員手持或采用車載螺線管天線沿管道行走，尋找、接收管道機器人內部發(fā)射的電磁信號，當采集到管道內電磁信號時即確定管道清堵機器人的位置。但手持或采用車載螺線管天線行走速度較慢，在長距離管道需要快速尋找清堵機器人的情況下，效率大大下降，同時遇到不同的地形障礙物時，行走困難。采用無人機搭載電磁螺線管天線和信號處理系統進行管道清堵機器人的追蹤定位是實現快速定位監(jiān)測的有效方法，采用無人機載天線進行監(jiān)測定位方法的首要核心任務是無人機要沿管道鋪設方向飛行。因此，用于管道清堵機器人定位的無人機的飛行路徑導航是實現管道清堵機器人追蹤定位的前提和保證，是首先需要解決的主要問題。

技術實現要素：

針對管道清堵機器人無人機快速定位監(jiān)測方法中無人機飛行路徑導航問題，本發(fā)明主要公開一種能夠使無人機沿石油管道鋪設方向飛行的導航方法。

本發(fā)明具體方案是：一種用于管道機器人定位的無人機導航系統，包括無人機系統、管道機器人系統和地面控制平臺；無人機系統包括信號檢測單元、信號處理單元、數據存儲模塊、GPS系統、智能視覺模塊、數傳模塊和飛行控制模塊，信號處理單元分別連接信號檢測單元、數據存儲模塊、GPS系統、智能視覺模塊、數傳模塊和飛行控制模塊；智能視覺模塊包括圖像傳感器及其圖像處理電路，信號檢測單元采用螺線管磁電傳感器來檢測管道機器人內發(fā)射出來的電磁波以尋找和定位機器人，信號處理單元對采集到的管道機器人磁場強度信號、GPS數據等數據的讀取、存儲和處理，數據存儲模塊采用型號為MC32DTF的SD卡，用于存儲所需用的地下管道GPS數據以及檢測信號數據；地面控制平臺包括初始飛行指令生成模塊、數傳模塊、數據分析模塊，地面控制平臺作用是確定無人機工作模式，初始化飛行狀態(tài)，分析無人機檢測結果，生成故障報告；管道機器人系統包括在管道中運行的管道機器人，向管外發(fā)射低頻電磁信號，供無人機上的電磁感應天線接收和檢測，該檢測信號由以AT89C2051處理器為核心的信號發(fā)生器產生的低頻信號，經電壓放大電路，最終通過螺線管天線向外發(fā)射低頻電磁信號。

2.一種用于管道機器人定位的無人機導航方法，包括以下步驟：A、無人機進行初始化，無人機進行工作狀態(tài)的自檢，然后進行工作模式的選擇，當接到來自地面控制平臺的追蹤指令以及工作模式的信號后，無人機根據設定的工作模式對管道走向進行導航尋址，確定飛行路線，追蹤管道機器人；

B、管道機器人在管道中運行，不斷向管外發(fā)射低頻電磁信號，供無人機上的電磁感應天線接收和檢測，以便對管道機器人進行定位和跟蹤。該檢測信號由以AT89C2051處理器為核心的信號發(fā)生器產生的低頻信號，經電壓放大電路，最終通過螺線管天線向外發(fā)射低頻電磁信號；

C、無人機系統通過自主導航尋址，確定管道位置走向后，沿著石油管道路線飛行，由無人機上搭載的磁電傳感器系統監(jiān)測、尋找管內清堵機器人，檢測管道機器人的工作狀態(tài)以判定管道是否需要維護；

無人機飛行路徑自主導航方式有兩種工作模式，模式一是針對裸露于地上石油管道走向的導航，當石油管道鋪設在地面以上時，主要依靠無人機智能視覺傳感裝置及高度傳感器所采集的數據為依據，進行路徑導航；模式二主要針對地下管道的導航，將管道施工所記錄的管道地理位置坐標輸入到無人機存儲系統，利用GPS導航尋址，實現無人機的導航；

當石油管道鋪設在地面以上時，按照模式一來進行無人機的導航，由圖像傳感器采集管道的圖像信息，通過采集的管道連續(xù)圖像，不斷反饋到系統的處理單元，然后由單片機系統控制無人機飛行控制模塊，按照管道路徑進行無人機的導航飛行；當石油管道埋藏在地表以下時，此時無人機導航系統工作在模式二狀態(tài)，首先把所監(jiān)測石油管道施工所記錄的管道地理位置坐標數據輸入到無人機數據存儲單元，利用GPS導航尋址，并根據已存儲的管道機器人三維坐標信息實現無人機沿管道走向的飛行導航，控制系統根據管道走向的已有數據和實時的GPS數據進行對比，控制無人機的導航飛行。

D、無人機導航飛行中，當檢測到管道機器人信號后，通過對磁電傳感器采集的磁信號進行分析，確定管道機器人的狀態(tài)；當管道機器人處于靜止狀態(tài)，即被卡堵時，無人機信號處理系統首先使無人機速度降低，然后提取GPS系統此時的三維坐標信息，進行坐標信息的存儲，同時傳到地面控制中心；當管道機器人處于行走狀態(tài)時，根據實時計算出的管道機器人的速度，無人機調整飛行狀態(tài)，與管道機器人以相同速度向前行駛，以達到實時定位監(jiān)測、跟蹤的目的。

本發(fā)明的優(yōu)點在于：

在無人機飛行初始化后，根據石油管道鋪設在地面以上和地面以下兩種情形確定無人機飛行的導航模式，兩種導航模式都能使無人機在導航系統的控制下沿著石油管道鋪設方向進行飛行，實現對管道內機器人的快速精準定位。在模式一導航下，無人機根據圖像傳感器和高度傳感器采集的數據，控制無人機的空間飛行路徑。在模式二情況下，由GPS系統根據管道走向的三維地理坐標數據進行自動導航飛行。同時在無人機監(jiān)測到管道機器人時，根據管道機器人的狀態(tài)自動調節(jié)飛行速度，同時把管道機器人狀態(tài)信息傳到地面控制中心。本發(fā)明實現用于管道機器人定位的無人機的導航，為管道機器人進行實時快速定位和跟蹤提供了保證，擺脫了對人的依賴，大大降低人為因素的干擾，適應性強，自動化水平較高。

附圖說明

圖1 為根據本發(fā)明導航檢測系統的組成結構圖；

圖2 為根據本發(fā)明的無人機導航巡檢工作流程圖；

圖3 為根據本發(fā)明的無人機追蹤機器人過程中速度調整流程圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明提供的針對管道機器人定位的無人機導航系統進行詳細描述。本次的具體實施是在以本發(fā)明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。

如圖1所示，該系統主要由管道機器人系統、無人機系統和地面控制平臺三大部分組成。本發(fā)明旨在發(fā)明一種用于管道機器人監(jiān)測和定位的無人機自主導航方法。

工程應用中，管道機器人在管道中運行，不斷向管外發(fā)射23HZ的低頻電磁信號，供無人機上的電磁感應天線接收和檢測，以便對管道機器人進行定位和跟蹤。該檢測信號由以AT89C2051處理器為核心的信號發(fā)生器產生的低頻信號，經電壓放大電路，最終通過螺線管天線向外發(fā)射23Hz的低頻電磁信號。

在管道機器人定位和跟蹤過程中，無人機沿石油管道飛行的導航根據石油管道裸露于地面還是埋藏在地下兩種情況，分別采用兩種不同模式對無人機的飛行進行導航。

模式一是針對裸露地上石油管道走向的導航。當石油管道鋪設在地面以上時，首先由視覺傳感器Arduino STM32獲取連續(xù)相鄰幀的圖像，然后經過處理器進行計算，確定所檢測管道的走向，從而對無人機在水平面飛行路徑的自動導航。同時根據超聲波測距模塊HC-SR04，采集無人機到管道的高度信息，根據地形不同，對比采集的高度和設定的值，自動調節(jié)飛行中無人機高度的導航，實現無人機在三維空間內飛行路徑的導航。

當石油管道埋藏在地表以下時，此時無人機導航系統工作在模式二狀態(tài)。首先工作人員把所監(jiān)測石油管道施工所記錄的管道地理位置坐標數據輸入到無人機數據存儲單元，利用GPS導航尋址，并根據已存儲的管道機器人三維坐標信息實現無人機沿管道走向的飛行導航，控制系統根據管道走向的已有數據和實時的GPS數據進行對比，控制無人機的導航飛行。

無人機上的核心處理單元主要采用以STM32F107處理器為核心的處理裝置，采用串口通信，實現對檢測的管道圖像及高度等信號、GPS數據等數據的讀取、存儲和處理，控制飛行狀況。無人機首先根據不同工作模式確定管道走向，規(guī)劃飛行路線。其次，無人機追蹤到管道機器人后，通過磁電傳感器采集的信號，計算出管道機器人的狀態(tài)，控制無人機以與管道機器人相同速度飛行，實現跟蹤功能，并通過數傳系統將預處理后的數據傳輸到地面控制平臺。

數據存儲模塊采用型號為MC32DTF的SD卡，用于存儲模式二所需用的地下管道GPS數據以及檢測信號。同時，當無人機上傳感器監(jiān)測到管道機器人時，微處理器記錄下管道機器人的定位坐標，通過無線通信方式傳輸給地面控制平臺。

地面控制平臺主要包括初始飛行指令生成模塊、數傳模塊、數據分析模塊。工作開始時，根據管道實際鋪設情況，由工作人員確定無人機的導航模式，通過無線通信方式對無人機進行初始化，使無人機根據所設定的模式進行導航飛行。地面控制平臺運用Qt4編寫飛行控制軟件初始化無人機，設置無人機飛行的高度、飛行速度以及飛行姿態(tài)。當初始化完畢后，無人機得到追蹤指令，開始沿管道走向進行飛行。當無人機監(jiān)測到管道機器人位置時，無人機向地面控制平臺來反饋管道機器人的定位信息。

如圖2所示，為了便于描述無人機的工作狀態(tài)，通過流程圖的方式，對無人機的實際工作原理進行闡述。無人機進行初始化，首先無人機進行工作狀態(tài)的自檢，然后進行工作模式的選擇。當接到來自地面控制平臺的追蹤指令以及工作模式的信號后，無人機根據設定的工作模式對管道走向進行導航尋址，確定飛行路線，追蹤管道機器人。如果選擇模式一導航方式，就啟動視覺傳感器和高度傳感器模塊，利用圖像和高度檢測進行導航飛行。當不是模式一時，自動進入模式二方式，首先進行所需管道地理坐標數據的存儲，無人機采用GPS導航方式進行飛行。無人機導航飛行中，當檢測到管道機器人信號后，通過對磁電傳感器采集的磁信號進行分析，確定管道機器人的狀態(tài)。當管道機器人處于靜止狀態(tài)，即被卡堵時，無人機信號處理系統首先使無人機速度降低，然后提取GPS系統此時的三維坐標信息，進行坐標信息的存儲，同時傳到地面控制中心。當管道機器人處于行走狀態(tài)時，根據實時計算出的管道機器人的速度，無人機調整飛行狀態(tài)，與管道機器人以相同速度向前行駛，以達到實時定位監(jiān)測、跟蹤的目的。

圖3為無人機導航飛行速度的控制流程圖。追蹤管道機器人時飛行狀態(tài)的調整過程。首先，無人機初始化，根據地面工作人員的初始飛行指令，設定飛行速度，按照模式一或模式二導航飛行，沿管道走向進行檢測。在飛行過程中，無人機采集單元不斷進行電磁信號檢測。當檢測到管道機器人時，無人機對管道機器人的速度進行快速測量，同時不斷調整自身速度，使其與管道機器人相同速度進行飛行。同時，無人機數據分析系統通過檢測管道機器人運行的速度的變化，判斷管道機器人的工作狀態(tài)，判斷管道機器人是處于卡堵狀態(tài)還是處于行走狀態(tài)，進而判斷管道是否發(fā)生故障。檢測管道機器人位置的快慢以及無人機的速度能否快速自我調整是實現管道故障快速定位的關鍵。