CN106227229A - 一种基于无人机的油气管道巡检系统及巡检方法 - Google Patents

一种基于无人机的油气管道巡检系统及巡检方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于无人机的油气管道巡检系统及巡检方法，包括无人机本体和地面站；在无人机本体内设有飞行控制系统、任务执行系统、稳压模块和第一电源模块，第一电源模块通过稳压模块向飞行控制系统和任务执行系统提供电源，飞行控制系统和任务执行系统与地面站采用无线通信方式传输数据；地面站包括地面监控计算机、遥控器、与地面监控计算机连接的第一显示器、第二显示器、第二数传电台和第二图传电台，第二电源模块通过电源管理模块分别向地面监控计算机、第二数传电台和第二图传电台提供电源。本巡检系统弥补了人工巡检油气管道的不足，提升了巡检效率，提高了油气管道的安全管控水平，巡检机动、灵活性好，提高了管道巡护的应变能力。

Description

一种基于无人机的油气管道巡检系统及巡检方法
技术领域
本发明属于自动检测与控制领域，尤其是涉及一种基于无人机的油气管道巡检系统及巡检方法。
背景技术
石油作为国家战略储备，在国家安全上体现着重要的作用。随着各种油气田的发现与建设，陆上油气管道总里程于2015年突破了12万公里。
油气管道链长面广，容易受到腐蚀、自然灾害以及第三方影响。一方面这些管道往往会经过人烟稀少的荒野和崎岖险峻的山区，在这些地区进行人工巡查工作非常危险，而且这些管线跨越的区域非常大，靠人力和地面车辆进行巡查效率很低，很难快速发现各种故障隐患和安全威胁。另一方面油气管道会穿越人口密集区，常发生管道被占压、安全距离不足等现象，一旦发生事故危害性极大。
据统计国内的油气管道平均每10公里就有2.5处隐患，为了保证能源传输的安全，杜绝安全隐患的存在，必须对它们进行定期的、高效的巡查。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种基于无人机的油气管道巡检系统及巡检方法，可以进行大规模、高效的油气管道巡检。。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种基于无人机的油气管道巡检系统，包括无人机本体和地面站；在所述无人机本体内设有飞行控制系统、任务执行系统、稳压模块和第一电源模块，所述第一电源模块通过稳压模块向飞行控制系统和任务执行系统提供电源，所述飞行控制系统和任务执行系统与地面站采用无线通信方式传输数据；所述地面站包括地面监控计算机、遥控器、与地面监控计算机连接的第一显示器、第二显示器、第二数传电台和第二图传电台，第二电源模块通过电源管理模块分别向地面监控计算机、第二数传电台和第二图传电台提供电源。
进一步的，所述飞行控制系统包括第一微处理器、气压高度计、激光测距仪、第一数传电台、接收机、数据存储模块、IMU模块、GPS模块、电子调速器和伺服电机，所述第一微处理器的输入端分别与所述气压高度计、激光测距仪、接收机、IMU模块、GPS模块和稳压模块相连，所述第一微处理器的输出端与所述电子调速器相连，所述第一微处理器分别与所述第一数传电台和数据存储模块双向传输数据，所述电子调速器的输出端连接伺服电机，所述电子调速器的输入端连接第一电源模块。
进一步的，所述任务执行系统包括第二微处理器、第一图传电台、高清运动摄像头、图像存储模块和电源监测模块，所述第二微处理器的输入端分别与所述高清运动摄像头、电源监测模块和稳压模块相连，所述第二微处理器的输出端分别与所述第一图传电台和图像存储模块相连，所述电源监测模块的输入端连接第一电源模块，电源监测模块用于监测第一电源模块的剩余电量。所述第一微处理器和第二微处理器通过SPI总线连接。
进一步的，所述第一微处理器采用STM32F407芯片，所述第二微处理器采用STM32F103芯片。
根据上述基于无人机的油气管道巡检系统的巡检方法，其过程如下：
1、无人机飞行过程中，第一微处理器实时采集和处理气压高度计、激光测距仪、IMU模块和GPS模块的数据，处理后的数据保存在数据存储模块，同时，经第一数传电台发送给地面站。
第一微处理器调用控制算法，将气压高度计、IMU模块和GPS模块的数据转换成相应的PWM控制信号作用于电子调速器，用于驱动伺服电机，实时调整无人机的飞行状态。
2、第二微处理器实时采集和处理电源监测模块的数据和高清运动摄像头采集的油气管道图像，第二微处理器通过SPI总线将电源监测模块的数据发送给第一微处理器，并经第一数传电台发送至地面站。
第二微处理器将油气管道图像保存在图像存储模块，并经第一图传电台发送至地面站。
3、设置在地面站的第二数传电台接收第一数传电台发送的数据，并传输至地面监控计算机；地面监控计算机接收和处理第二数传电台发送的数据，在第一显示器中显示，并保存在地面监控计算机内。
设置在地面站的第二图传电台接收第一图传电台发送的气管道图像信息，在第二显示器中显示，并保存在地面监控计算机内。
4、无人机飞行过程中也可采用人工操作，利用遥控器向接收机发送控制指令，以便控制无人机的飞行状态。
进一步的，无人机飞行过程中，第二微处理器实时采集电源监测模块的数据，当第一电源模块的剩余电量降至阈值时，第二微处理器通过SPI总线向第一微处理器发出报警信号，第一微处理器接收到报警信号，向电子调速器发出相应的控制信号，任务中断，无人机自动返航，以便更换电源模块；同时，第一微处理器采集任务中断时刻的气压高度计、激光测距仪、IMU模块和GPS模块的数据，并保存在数据存储模块中；无人机更换电源模块后继续执行任务，第一微处理器调用数据存储模块中保存的任务中断时刻的气压高度计、激光测距仪、IMU模块和GPS模块的数据，并向电子调速器发出相应的控制信号，使无人机自动返回任务中断时刻的地点，第一微处理器通过SPI总线向第二微处理器发出继续执行任务的控制指令，驱动高清运动摄像头继续采集油气管道的图像信息。
相对于现有技术，本发明所述的基于无人机的油气管道巡检系统及巡检方法具有以下优势：本巡检系统弥补了人工巡检油气管道的不足，提升了巡检效率，提高了油气管道的安全管控水平，巡检机动、灵活性好，提高了管道巡护的应变能力。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例所述的原理框图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
一种基于无人机的油气管道巡检系统，包括无人机本体和地面站；在所述无人机本体内设有飞行控制系统、任务执行系统、稳压模块和第一电源模块，所述第一电源模块通过稳压模块向飞行控制系统和任务执行系统提供电源，所述飞行控制系统和任务执行系统与地面站采用无线通信方式传输数据；所述地面站包括地面监控计算机、遥控器、与地面监控计算机连接的第一显示器、第二显示器、第二数传电台和第二图传电台，第二电源模块通过电源管理模块分别向地面监控计算机、第二数传电台和第二图传电台提供电源。
所述飞行控制系统包括第一微处理器、气压高度计、激光测距仪、第一数传电台、接收机、数据存储模块、IMU模块、GPS模块、电子调速器和伺服电机，所述第一微处理器采用STM32F407芯片，所述第一微处理器的输入端分别与所述气压高度计、激光测距仪、接收机、IMU模块、GPS模块和稳压模块相连，所述第一微处理器的输出端与所述电子调速器相连，所述第一微处理器分别与所述第一数传电台和数据存储模块双向传输数据，所述电子调速器的输出端连接伺服电机，所述电子调速器的输入端连接第一电源模块。
所述任务执行系统包括第二微处理器、第一图传电台、高清运动摄像头、图像存储模块和电源监测模块，所述第二微处理器采用STM32F103芯片，所述第二微处理器的输入端分别与所述高清运动摄像头、电源监测模块和稳压模块相连，所述第二微处理器的输出端分别与所述第一图传电台和图像存储模块相连，所述电源监测模块的输入端连接第一电源模块，电源监测模块用于监测第一电源模块的剩余电量。所述第一微处理器和第二微处理器通过SPI总线连接。
根据上述基于无人机的油气管道巡检系统的巡检方法，其过程如下：
1、无人机飞行过程中，第一微处理器实时采集和处理气压高度计、激光测距仪、IMU模块和GPS模块的数据，处理后的数据保存在数据存储模块，同时，经第一数传电台发送给地面站。
第一微处理器调用控制算法，将气压高度计、IMU模块和GPS模块的数据转换成相应的PWM控制信号作用于电子调速器，用于驱动伺服电机，实时调整无人机的飞行状态。
2、第二微处理器实时采集和处理电源监测模块的数据和高清运动摄像头采集的油气管道图像，第二微处理器通过SPI总线将电源监测模块的数据发送给第一微处理器，并经第一数传电台发送至地面站。
第二微处理器将油气管道图像保存在图像存储模块，并经第一图传电台发送至地面站。
3、设置在地面站的第二数传电台接收第一数传电台发送的数据，并传输至地面监控计算机；地面监控计算机接收和处理第二数传电台发送的数据，在第一显示器中显示，并保存在地面监控计算机内。
设置在地面站的第二图传电台接收第一图传电台发送的气管道图像信息，在第二显示器中显示，并保存在地面监控计算机内。
4、无人机飞行过程中也可采用人工操作，利用遥控器向接收机发送控制指令，以便控制无人机的飞行状态。
在无人机飞行过程中，第二微处理器实时采集电源监测模块的数据，当第一电源模块的剩余电量降至阈值时，第二微处理器通过SPI总线向第一微处理器发出报警信号，第一微处理器接收到报警信号，向电子调速器发出相应的控制信号，任务中断，无人机自动返航，以便更换电源模块；同时，第一微处理器采集任务中断时刻的气压高度计、激光测距仪、IMU模块和GPS模块的数据，并保存在数据存储模块中；无人机更换电源模块后继续执行任务，第一微处理器调用数据存储模块中保存的任务中断时刻的气压高度计、激光测距仪、IMU模块和GPS模块的数据，并向电子调速器发出相应的控制信号，使无人机自动返回任务中断时刻的地点，第一微处理器通过SPI总线向第二微处理器发出继续执行任务的控制指令，驱动高清运动摄像头继续采集油气管道的图像信息。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于无人机的油气管道巡检系统，其特征在于：包括无人机本体和地面站；在所述无人机本体内设有飞行控制系统、任务执行系统、稳压模块和第一电源模块，所述第一电源模块通过稳压模块向飞行控制系统和任务执行系统提供电源，所述飞行控制系统和任务执行系统与地面站采用无线通信方式传输数据；所述地面站包括地面监控计算机、遥控器、与地面监控计算机连接的第一显示器、第二显示器、第二数传电台和第二图传电台，第二电源模块通过电源管理模块分别向地面监控计算机、第二数传电台和第二图传电台提供电源。
2.根据权利要求1所述的一种基于无人机的油气管道巡检系统，其特征在于：所述飞行控制系统包括第一微处理器、气压高度计、激光测距仪、第一数传电台、接收机、数据存储模块、IMU模块、GPS模块、电子调速器和伺服电机，所述第一微处理器的输入端分别与所述气压高度计、激光测距仪、接收机、IMU模块、GPS模块和稳压模块相连，所述第一微处理器的输出端与所述电子调速器相连，所述第一微处理器分别与所述第一数传电台和数据存储模块双向传输数据，所述电子调速器的输出端连接伺服电机，所述电子调速器的输入端连接第一电源模块。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于无人机的油气管道巡检系统，其特征在于：所述任务执行系统包括第二微处理器、第一图传电台、高清运动摄像头、图像存储模块和电源监测模块，所述第二微处理器的输入端分别与所述高清运动摄像头、电源监测模块和稳压模块相连，所述第二微处理器的输出端分别与所述第一图传电台和图像存储模块相连，所述电源监测模块的输入端连接第一电源模块，所述第一微处理器和第二微处理器通过SPI总线连接。
4.根据权利要求1所述的一种基于无人机的油气管道巡检系统，其特征在于：所述第一微处理器采用STM32F407芯片，所述第二微处理器采用STM32F103芯片。
5.根据权利要求1所述的基于无人机的油气管道巡检系统的巡检方法，其特征在于，其过程如下：
1)无人机飞行过程中，第一微处理器实时采集和处理气压高度计、激光测距仪、IMU模块和GPS模块的数据，处理后的数据保存在数据存储模块，同时，经第一数传电台发送给地面站；
第一微处理器调用控制算法，将气压高度计、IMU模块和GPS模块的数据转换成相应的PWM控制信号作用于电子调速器，用于驱动伺服电机，实时调整无人机的飞行状态；
2)第二微处理器实时采集和处理电源监测模块的数据和高清运动摄像头采集的油气管道图像，第二微处理器通过SPI总线将电源监测模块的数据发送给第一微处理器，并经第一数传电台发送至地面站；
第二微处理器将油气管道图像保存在图像存储模块，并经第一图传电台发送至地面站；
3)设置在地面站的第二数传电台接收第一数传电台发送的数据，并传输至地面监控计算机；地面监控计算机接收和处理第二数传电台发送的数据，在第一显示器中显示，并保存在地面监控计算机内；
设置在地面站的第二图传电台接收第一图传电台发送的气管道图像信息，在第二显示器中显示，并保存在地面监控计算机内；
4)无人机飞行过程中可以采用人工操作，利用遥控器向接收机发送控制指令，以便控制无人机的飞行状态。
6.根据权利要求5所述的基于无人机的油气管道巡检系统的巡检方法，其特征在于：无人机飞行过程中，第二微处理器实时采集电源监测模块的数据，当第一电源模块的剩余电量降至阈值时，第二微处理器通过SPI总线向第一微处理器发出报警信号，第一微处理器接收到报警信号，向电子调速器发出相应的控制信号，任务中断，无人机自动返航，以便更换电源模块；同时，第一微处理器采集任务中断时刻的气压高度计、激光测距仪、IMU模块和GPS模块的数据，并保存在数据存储模块中；无人机更换电源模块后继续执行任务，第一微处理器调用数据存储模块中保存的任务中断时刻的气压高度计、激光测距仪、IMU模块和GPS模块的数据，并向电子调速器发出相应的控制信号，使无人机自动返回任务中断时刻的地点，第一微处理器通过SPI总线向第二微处理器发出继续执行任务的控制指令，驱动高清运动摄像头继续采集油气管道的图像信息。
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