CN108107904A - 一种基于多旋翼无人机的铁路巡检及供电接触网异物清除系统及其用于铁路巡检的方法 - Google Patents

Abstract

一种基于多旋翼无人机的铁路巡检及供电接触网异物清除系统,包括多旋翼无人机、用于控制多旋翼无人机运动和进行铁路巡检作业的控制系统以及传输远程控制指令和传感信息的无线通信系统；所述的多旋翼无人机包括的机体，动力系统，用以定位、调整飞行姿态、进行铁路巡检的检测传感系统以及搭载的包括激光清除器和语音报警器在内的作业装置；该系统及其巡检方法不占用铁道轨道，能够随时实现对铁路两侧重点防洪地段进行监测，有效预判有落石危险的岩体以及有滑坡的山体，对线路上是否有行人等不明因素及山火、泥石流等灾害进行观察并报警，对铁路供电接触网是否脱线、是否悬挂有塑料袋、风筝、气球等异物进行识别，并进行快速清除输电线路上异物。

Description

一种基于多旋翼无人机的铁路巡检及供电接触网异物清除系 统及其用于铁路巡检的方法

技术领域

本发明涉及一种铁路巡检及供电接触网异物清除装置及铁路巡检及供电接触网异物清除的方法，特别是一种基于多旋翼无人机的铁路巡检及供电接触网异物清除系统及其用于铁路巡检及供电接触网异物清除的方法。

背景技术

中国已经拥有全世界最大规模以及最高运营速度的高速铁路网，在高速铁路检测与养护维修方面，国外采用以车载检查和地面监测相结合的方式，我国高速铁路主要采用动态综合检测列车对基础设施进行周期性检测；它存在以下不足之处是：1、检测列车占用轨道，只能在天窗时间进行检测，不能随时进行检测；

2、供电接触网异物飘挂是导致设备非计划性停运的主要原因之一，以往的清除方式主要包括人工登高拆除、绝缘斗臂车升空摘取等；若带电操作，铁路电网工人需要全副武装，穿上特殊的服装，接着进行登高带电作业，作业耗时长、工作强度大、劳动风险高等；若停电操作则大范围影响列车运行。

我国高速铁路建设速度快、结构形式多样、运营时间较短，基础设施服役状态的地面监测技术和装备无法满足高速铁路快速发展需求。为实现高速铁路全寿命周期内安全运营的目标，系统地开展高速铁路基础设施服役状态检测技术的研究十分必要；如何利用无人机来进行铁路巡检和电力线路巡检，是目前大家关心的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于多旋翼无人机的铁路巡检及供电接触网异物清除系统及其用于铁路巡检及供电接触网异物清除的方法，该基于多旋翼无人机的铁路巡检及供电接触网异物清除系统不占用铁道轨道，能够随时实现对铁路两侧重点防洪地段进行监测，有效预判有落石危险的岩体以及有滑坡的山体，防范于未然；对线路上是否有行人等不明因素及山火、泥石流等灾害进行观察并报警，对铁路供电接触网是否脱线、是否悬挂有塑料袋、风筝、气球等异物进行识别，并进行快速清除输电线路上异物；为铁路巡检提供了一种新的快速检测方式，较好地解决了已有技术存在的上述问题。

解决上述问题的技术方案是：一种基于多旋翼无人机的铁路巡检及供电接触网异物清除系统，包括用于提供任务载荷和进行铁路巡检的多旋翼无人机、用于控制多旋翼无人机运动和进行铁路巡检作业的控制系统以及传输远程控制指令和传感信息的无线通信系统；

所述的用于提供任务载荷和进行铁路巡检的多旋翼无人机包括给设备提供物理安装接口和支撑框架的机体、给机体提供升力和运动的动力系统、用以定位、调整飞行姿态、进行铁路巡检的检测传感系统和搭载的作业装置；

所述机体包括机架、脚架和云台；

所述动力系统包括电机、锂电池及充电器、电子调速器和螺旋桨；

所述检测传感系统包括GPS、电子罗盘、惯性陀螺仪、摄像机、测距传感器，其中，摄像机和测距传感器是专用于进行铁路巡检的传感设备；

所述搭载的作业装置包括激光清除器、语音报警器；

所述的控制系统包括上位机、下位机，上位机为安装有主控机的地面站，下位机是安装在多旋翼无人机上的n个执行控制模块，该n个执行控制模块至少包括测距传感控制模块、摄像机控制模块、飞行控制模块、云台控制模块、激光清除器控制模块和语音报警器控制模块，上述n的取值范围是：n为大于4小于10的整数；

所述安装有主控机的地面站用于规划无人机飞行路径 、对无人机是否悬停、拍照、激光清除和语音报警以及在线监控进行决策；

所述的测距传感控制模块用于控制测距传感器的开关和保存过程数据；

所述的摄像机控制模块用于控制摄像机的开关、拍摄模式、ISO、光圈、焦距和曝光时间之参数的设定；

所述的飞行控制模块用于直接控制多旋翼无人机所有旋翼的输出以及保持飞行姿态的稳定；

所述的云台控制模块是电机伺服控制器，用于控制多轴云台的每个轴的角度；

所述的激光清除器控制模块用于控制激光清除器的瞄准及激光的发射；

所述的语音报警器控制模块用于控制语音报警器的开关；

所述的无线通信系统包括：无线传输机载模块、数传电台和无线传输地面模块（33）；

所述的多旋翼无人机的检测传感系统采集无人机的飞行参数、图像信息和其它与铁路巡检作业相关的传感信息通过无线通信系统反馈给地面站，地面站依据反馈信息制定策略控制信息；

所述的控制系统的地面站所发出的策略控制信息通过无线通信系统的无线传输地面模块、数传电台和无线传输机载模块传递给执行控制模块，各执行控制模块依据策略控制信息的内容对多旋翼无人机的机体、动力系统和检测传感系统进行控制；

所述的飞行控制模块与检测传感系统通过信号线相连；

所述的飞行控制模块根据传感信息和控制信号，通过动力系统调整多旋翼无人机的飞行参数；

所述的云台控制模块根据控制信号，控制机体上的云台；

所述的摄像机控制模块和测距传感控制模块根据控制信息调整检测传感系统的状态。

其进一步技术方案是：所述多旋翼无人机之机体的机架上有安装盒，电子调速器、检测传感系统的GPS、电子罗盘和惯性陀螺仪以及控制系统的n个执行控制模块安装在安装盒内；

云台为多自由度伺服控制的云台，其上安装有增稳陀螺；

云台和摄像机、锂电池及充电器、激光清除器和语音报警器安装在多旋翼无人机机体之机架的上方或者下方；测距传感器与摄像机固定连接。

其进一步技术方案是：所述的控制系统还包括有一手持遥控器，该手持遥控器所发出的手动控制信息亦通过无线通信系统的无线传输地面模块、数传电台和无线传输机载模块传递给执行控制模块，各执行控制模块依据手动控制信息的内容对机体、动力系统和检测传感系统进行控制；

从手持遥控器发出手动控制信息的优先级大于从地面站发出的策略控制信息，即有手动控制信息时，策略控制信息无效。

其更进一步技术方案是：所述多旋翼无人机具有防撞装置，该防撞装置采用扇形结构，与机架连为一体。

相关的一种技术方案是：一种基于多旋翼无人机的铁路巡检及供电接触网异物清除方法，它是采用上述的一种基于多旋翼无人机的铁路巡检及供电接触网异物清除系统用于铁路巡检及供电接触网异物清除的方法，依赖基于多旋翼无人机的铁路巡检及供电接触网异物清除系统之多旋翼无人机上的摄像设备和测距传感器，实现对铁路巡检及供电接触网进行监测，通过无人机航拍来获取铁路沿线被测岩体的形状和裂纹信息、边坡滑移信息，通过图像对比，可以有效预判有落石危险的岩体以及有滑坡的山体，防范于未然；对线路上是否有行人等不明因素及山火、泥石流等灾害进行观察，若发现行人则启动无人机搭载的语音报警器提醒行人尽快离开；若发现山火、泥石流等灾害则报告相关部门；对铁路供电接触网是否脱线、是否悬挂有塑料袋、风筝、气球等异物进行识别，并使用无人机搭载的“激光清除器”在线路设备不断电的情况下，对缠绕在导线上的漂浮异物进行熔断，让其自行掉落至地面，从而快速清除输电线路上异物；上述检测包括线路巡检以及定点检测两种方式。

所述的一种基于多旋翼无人机的铁路巡检及供电接触网异物清除方法的进一步技术方案是：所述的一种基于多旋翼无人机的铁路巡检及供电接触网异物清除系统的控制系统还包括有一能实施手动控制的手持遥控器，该手持遥控器所发出的手动控制信息亦通过无线通信系统的无线传输地面模块、数传电台和无线传输机载模块传递给执行控制模块，各执行控制模块依据手动控制信息的内容对多旋翼无人机的机体、动力系统和检测传感系统以及激光清除器和语音报警器进行控制；从手持遥控器发出手动控制信息的优先级大于从地面站发出的策略控制信息，即有手动控制信息时，策略控制信息无效。

所述的一种基于多旋翼无人机的铁路巡检及供电接触网异物清除方法的更进一步技术方案是：所述线路巡检的步骤包括：A1、前期准备阶段，B1规划阶段，C1～ K1实施阶段， L1、后期处理阶段，各阶段具体步骤是：

A1：前期准备阶段：

根据待测目标的类型，选择云台的安装方式，安装固定摄像机、测距传感器、激光清除器和语音报警器：

若待测目标在无人机上方，使用上置安装云台，即：将云台和摄像机安装在多旋翼无人机机体的上方，否则使用下置安装，即：将云台和摄像机安装在多旋翼无人机机体的下方；

在安装云台之前，先将激光测距仪、摄像机和激光清除器校准后固接在云台上；

B1：规划阶段：

在地面站设置系统参数，规划巡检路径；

C1：巡检目标，采集视频数据；

D11：是否发现山火、泥石流等灾害,若是，则进入E1；

D12：线路上是否有行人，若有，则进入F1；

D13：供电接触网上是否有异物，若有，则进入G1；

E1：立即通知相关部门；

F1：启动语音报警器提醒行人马上离开；

G1：用手持遥控器调节无人机的位置和姿态，保持无人机与异物3m以上的安全距离，调节激光清除器瞄准异物，发射激光熔断异物；

H1：异物清除，继续巡检；

J1：巡检完毕，自主返航；

K1：下载SD卡内数据，导入边坡缺陷分析软件，得出结果。

更进一步：在A1、前期准备阶段步骤将激光测距仪、摄像机、激光清除器校准后固接在云台上所述的 “校准后固接”是指采用棋盘法校准摄像机光轴，校准测距传感器的测距向量与摄像机光轴的平行度，校准激光清除器瞄准向量与摄像机光轴的平行度，并保持测距传感器、激光清除器、摄像机的相对位置不发生改变。

更进一步：在G1：用手持遥控器调节无人机的位置和姿态步骤中，“调节无人机的位置和姿态”包括调节：无人机经纬度、高度、无人机的俯仰角、云台三个轴的角度和距离D。

所述的一种基于多旋翼无人机的铁路巡检及供电接触网异物清除方法的更进一步技术方案或是：所述定点检测方式是对巡检过程中对于疑似存在边坡滑移、岩体落石等风险地段进行定点检测，在地面站上设定疑似风险点，无人机飞行至待测点，打开测距传感器，测量无人机至待测目标的距离，启用手持遥控器，通过飞行控制模块精确调节无人机的姿态及无人机至待测目标的距离；通过云台控制模块精确调节摄像机的角度，保持无人机与待测目标的距离不变，提取待测目标的图像，返航后将SD卡中的数据导入边坡缺陷分析软件，筛选出缺陷分析对比图，进行缺陷分析，监控人员对对比图进行进一步分析，并对缺陷处进行标记；

所述定点检测的步骤包括：A2前期准备阶段、B2规划阶段、C2～ D2实施阶段、以及E2～F2后期处理阶段。

A2、前期准备阶段：

安装云台、摄像机、测距传感器到机架上；

B2、规划阶段：

在地面站设置疑似缺陷点，规划定点检测路径；

C2～ D2实施阶段：

C2：抵达目标，用手持遥控器调节无人机的姿态及云台角度并拍照；

D2：图像采集完毕，自主返航；

E2～ F2后期处理阶段：

E2：下载SD卡内数据，导入边坡缺陷分析软件分析缺陷；

F2：监控人员对缺陷处进行进一步确认，对缺陷处进行自动标记；

软件在图像上使用与背景对比度大的颜色在图像上标识缺陷编号，缺陷类型、缺陷具体数据。

由于采用上述技术方案，本发明之一种基于多旋翼无人机的铁路巡检及供电接触网异物清除系统及其用于铁路巡检及供电接触网异物清除的方法具有以下有益效果：

我国高速铁路建设速度快、结构形式多样、运营时间较短，基础设施服役状态的地面监测技术和装备无法满足高速铁路快速发展需求；而基于多旋翼无人机的铁路巡检及供电接触网异物清除系统及其用于铁路巡检及供电接触网异物清除的方法为铁路巡检提供了一种新的方式；它具有以下优点：

1、不占用铁道轨道，能够随时实现对铁路两侧重点防洪地段进行监测：

本发明之基于多旋翼无人机的铁路巡检及供电接触网异物清除系统包括用于提供任务载荷和进行铁路巡检的多旋翼无人机、用于控制多旋翼无人机运动和进行铁路巡检作业的控制系统以及传输远程控制指令和传感信息的无线通信系统；其主要设备为提供任务载荷和进行铁路巡检的多旋翼无人机，它的飞行运动和进行铁路巡检作业仅仅依靠安装有主控机的地面站控制；而不受列车是否运行的限制，能够随时实现对铁路两侧重点防洪地段进行监测。

2、功能齐全，具有快速巡检功能、定点检测功能、清除异物功能、语音报警功能，能较好地满足铁路安全运输的需要：

①快速巡检：

在地面站上设定重点监测点，规划路线，启动无人机抵达巡检起点，开启测距传感器，将其投射在待检目标上，无人机与待测目标应保持2m以上的安全距离。保持无人机与待测目标的距离D不变，提取待测目标的图像；无人机自主按预设路线飞行，并提取下一个待检目标的图像；巡检到终点时，自主返航；

②定点检测：

对于疑似存在边坡滑移、岩体落石等风险地段进行定点检测。在地面站上设定疑似风险点，无人机飞行至待测点，打开测距传感器，测量无人机至待测目标的距离。启用手持遥控器，通过飞行控制模块精确调节无人机的姿态及无人机至待测目标的距离；通过云台控制模块精确调节摄像机的角度，保持无人机与待测目标的距离不变，提取待测目标的图像，返航后将SD卡中的数据导入边坡缺陷分析软件，筛选出缺陷分析对比图，进行缺陷分析。监控人员对对比图进行进一步分析，并对缺陷处进行标记；

③清除异物：

在巡检过程中发现供电接触网上有塑料袋、风筝、气球等异物，启用手持遥控器操控无人机的飞行姿态及高度，并使用无人机搭载的“激光清除器”瞄准异物，在线路设备不断电的情况下，对缠绕在导线上的漂浮异物进行熔断，让其自行掉落至地面，从而快速清除输电线路上异物；

④语音报警：

在巡检过程中若发现线路上行人，监控人员在地面站启动语音报警器提醒行人尽快离开线路。

3、使用方便、适用范围广：

组成本发明 “一种基于多旋翼无人机的铁路巡检及供电接触网异物清除系统及其用于铁路巡检及供电接触网异物清除的方法”的多旋翼无人机的云台为多自由度伺服控制的云台，其上安装有增稳陀螺，稳定性能好；云台和摄像机可以安装在多旋翼无人机机体之机架的上方或者是下方；若待测目标在无人机上方，使用上置安装云台，即：将云台和摄像机安装在多旋翼无人机机体的上方，否则使用下置安装；即：将云台和摄像机安装在多旋翼无人机机体的下方；使用方便、适用范围广。

下面，结合附图和实施例对本发明之“一种基于多旋翼无人机的铁路巡检及供电接触网异物清除系统及其用于铁路巡检及供电接触网异物清除的方法”的技术特征作进一步的说明。

附图说明

图1：本发明之一种基于多旋翼无人机的铁路巡检及供电接触网异物清除系统的整体结构示意图（方框图）；

图2～图4：本发明之多旋翼无人机结构示意图：

图2：整体结构示意图，

图3：图2的A部放大图，

图4：多旋翼无人机安装盒及其搭载的作业装置安装示意图；

图5：本发明之铁路巡检及供电接触网异物清除的方法之线路巡检的步骤示意图；

图6：本发明之铁路巡检及供电接触网异物清除的方法之定点检测方式的步骤示意图。

图中：

Ⅰ-多旋翼无人机、Ⅱ-控制系统、Ⅲ-无线通信系统；

11-机体、111-机架、112-脚架、113-云台；

1111-安装盒；

12-动力系统，121-电机，122-锂电池及充电器，123-电子调速器，124-螺旋桨；

13-检测传感系统，131-GPS，132-电子罗盘，133-惯性陀螺仪，134-摄像机，135-测距传感器；

14-搭载的作业装置，141-激光清除器，142-语音报警器；

15-防撞装置；

21-手持遥控器，22-安装有主控机的地面站，23-测距传感器控制模块，24-摄像机控制模块，25-飞行控制模块，26-云台控制模块，27-激光清除器控制模块；28-语音报警器控制模块；

31-无线传输机载模块，32-数传电台，33-无线传输地面模块。

具体实施方式

实施例一：

一种基于多旋翼无人机的铁路巡检及供电接触网异物清除系统：

如图1所示，该基于多旋翼无人机的铁路巡检及供电接触网异物清除系统包括用于提供任务载荷和进行铁路巡检的多旋翼无人机Ⅰ、用于控制多旋翼无人机Ⅰ运动和进行铁路巡检作业的控制系统Ⅱ以及传输远程控制指令和传感信息的无线通信系统Ⅲ；

所述的用于提供任务载荷和进行铁路巡检的多旋翼无人机Ⅰ包括给设备提供物理安装接口和支撑框架的机体11、给机体11提供升力和运动的动力系统12、用以定位、调整飞行姿态、进行铁路巡检的检测传感系统13和搭载的作业装置14；

所述机体11包括机架111、脚架112和云台113（参见图2、图3）；

所述动力系统12包括电机121、锂电池及充电器122、电子调速器123和螺旋桨124；

所述检测传感系统13包括GPS131、电子罗盘132、惯性陀螺仪133、摄像机134、测距传感器135，其中，摄像机134和测距传感器135是专用于进行铁路巡检的传感设备；

所述搭载的作业装置14包括激光清除器141、语音报警器142；

所述的控制系统Ⅱ包括上位机、下位机，上位机为安装有主控机的地面站22，下位机是安装在多旋翼无人机Ⅰ上的n个执行控制模块，该n个执行控制模块至少包括测距传感控制模块23、摄像机控制模块24、飞行控制模块25、云台控制模块26、激光清除器控制模块27和语音报警器控制模块28，上述n的取值范围是：n为大于4小于10的整数（图1中，n为6）；

所述安装有主控机的地面站22用于规划无人机飞行路径 、对无人机是否悬停、拍照、激光清除和语音报警以及在线监控进行决策；

所述的测距传感控制模块23用于控制测距传感器135的开关和保存过程数据；

所述的摄像机控制模块24用于控制摄像机134的开关、拍摄模式、ISO、光圈、焦距和曝光时间之参数的设定；

所述的飞行控制模块25用于直接控制多旋翼无人机所有旋翼的输出以及保持飞行姿态的稳定；

所述的云台控制模块26是电机伺服控制器，用于控制多轴云台的每个轴的角度；

所述的激光清除器控制模块27用于控制激光清除器的瞄准和发射激光；

所述的语音报警器控制模块28用于控制语音报警器的开关；

所述的无线通信系统Ⅲ包括：无线传输机载模块31、数传电台32和无线传输地面模块33；

所述的多旋翼无人机Ⅰ的检测传感系统13采集无人机的飞行参数、图像信息和其它与铁路巡检作业相关的传感信息通过无线通信系统Ⅲ反馈给地面站22，地面站22依据反馈信息制定策略控制信息；

所述的控制系统Ⅱ的地面站22所发出的策略控制信息通过无线通信系统Ⅲ的无线传输地面模块33、数传电台32和无线传输机载模块31传递给执行控制模块，各执行控制模块依据策略控制信息的内容对多旋翼无人机Ⅰ的机体11、动力系统12和检测传感系统13进行控制；

所述的飞行控制模块25与检测传感系统13通过信号线相连；

所述的飞行控制模块25根据传感信息和控制信号，通过动力系统调整多旋翼无人机Ⅰ的飞行参数；

所述的云台控制模块26根据控制信号，控制机体上的云台；

所述的摄像机控制模块和测距传感控制模块根据控制信息调整检测传感系统的状态。

如图2～图4所示，所述多旋翼无人机Ⅰ之机体11的机架111上有安装盒1111，电子调速器123、检测传感系统13的GPS131、电子罗盘132和惯性陀螺仪133以及控制系统Ⅱ的n个执行控制模块安装在安装盒内；

云台113为多自由度伺服控制的云台，其上安装有增稳陀螺——惯性陀螺仪133；

云台113、摄像机134、锂电池及充电器122、激光清除器141和语音报警器142安装在多旋翼无人机机体11之机架111的上方或者下方；测距传感器135与摄像机134固定连接。

如图1所示，所述的控制系统Ⅱ还包括有一手持遥控器21，该手持遥控器21所发出的手动控制信息亦通过无线通信系统Ⅲ的无线传输地面模块33、数传电台32和无线传输机载模块31传递给执行控制模块，各执行控制模块依据手动控制信息的内容对机体11、动力系统12和检测传感系统13进行控制；

从手持遥控器发出手动控制信息的优先级大于从地面站发出的策略控制信息，即有手动控制信息时，策略控制信息无效。

如图2所示，本发明的多旋翼无人机Ⅰ具有防撞装置15，该防撞装置采用扇形结构，与机架111连为一体，有效避免飞行过程中树枝等障碍物对螺旋桨的破坏。

实施例二

一种基于多旋翼无人机的铁路巡检及供电接触网异物清除方法：

它是采用实施例一所述的基于多旋翼无人机的铁路巡检及供电接触网异物清除系统用于铁路巡检及供电接触网异物清除的方法，依赖基于多旋翼无人机的铁路巡检及供电接触网异物清除系统之多旋翼无人机上的摄像设备和测距传感器，实现对铁路巡检及供电接触网进行监测，通过多旋翼无人机航拍来获取铁路沿线被测岩体的形状和裂纹信息、边坡滑移信息，通过图像对比，可以有效预判有落石危险的岩体以及有滑坡的山体，防范于未然；对线路上是否有行人等不明因素及山火、泥石流等灾害进行观察，若发现行人则启动无人机搭载的语音报警器提醒行人尽快离开；若发现山火、泥石流等灾害则报告相关部门；对铁路供电接触网是否脱线、是否悬挂有塑料袋、风筝、气球等异物进行识别，并使用无人机搭载的“激光清除器”在线路设备不断电的情况下，对缠绕在导线上的漂浮异物进行熔断，让其自行掉落至地面，从而快速清除输电线路上异物；

上述检测包括线路巡检以及定点检测两种方式。

如图5所示，所述线路巡检的步骤包括：A1、前期准备阶段，B1规划阶段，C1～ K1实施阶段， L1、后期处理阶段，各阶段具体步骤是：

A1、前期准备阶段：

根据待测目标的类型，选择云台的安装方式，安装固定摄像机、测距传感器、激光清除器141和语音报警器142：

若待测目标在无人机上方，使用上置安装云台，即：将云台113和摄像机134安装在多旋翼无人机机体11的上方，否则使用下置安装，即：将云台和摄像机安装在多旋翼无人机机体的下方；

在安装云台之前，先将激光测距仪、摄像机、激光清除器校准后固接在云台上；

B1规划阶段：

在地面站设置系统参数，规划巡检路径；

C1：巡检目标，采集视频数据；

D11：是否发现山火、泥石流等灾害,若是，则进入E1；

D12：线路上是否有行人，若有，则进入F1；

D13：供电接触网上是否有异物，若有，则进入G1；

E1：立即通知相关部门；

F1：启动语音报警器提醒行人马上离开；

G1：用手持遥控器调节无人机的位置和姿态，保持无人机与异物3m以上的安全距离，调节激光清除器瞄准异物，发射激光熔断异物；

H1：异物清除，继续巡检；

J1：巡检完毕，自主返航；

K1：下载SD卡内数据，导入边坡缺陷分析软件，得出结果。

在A1、前期准备阶段步骤将激光测距仪、摄像机、激光清除器校准后固接在云台上所述的 “校准后固接”是指采用棋盘法校准摄像机光轴，校准测距传感器的测距向量与摄像机光轴的平行度，校准激光清除器瞄准向量与摄像机光轴的平行度，并保持测距传感器、激光清除器、摄像机的相对位置不发生改变。

在G1：用手持遥控器调节无人机的位置和姿态步骤中，“调节无人机的位置和姿态”包括调节：无人机经纬度、高度、无人机的俯仰角、云台三个轴的角度和距离D。

如图6所示，所述定点检测方式是对巡检过程中对于疑似存在边坡滑移、岩体落石等风险地段进行定点检测，在地面站上设定疑似风险点，无人机飞行至待测点，打开测距传感器，测量无人机至待测目标的距离，启用手持遥控器，通过飞行控制模块精确调节无人机的姿态及无人机至待测目标的距离；通过云台控制模块精确调节摄像机的角度，保持无人机与待测目标的距离不变，提取待测目标的图像，返航后将SD卡中的数据导入边坡缺陷分析软件，筛选出缺陷分析对比图，进行缺陷分析，监控人员对对比图进行进一步分析，并对缺陷处进行标记；

所述定点检测的步骤包括：A2前期准备阶段、B2规划阶段、C2～ D2实施阶段、以及E2～F2后期处理阶段。

A2、前期准备阶段：

安装云台、摄像机、测距传感器到机架上；

B2、规划阶段：

在地面站设置疑似缺陷点，规划定点检测路径；

C2～ D2实施阶段：

C2：抵达目标，用手持遥控器调节无人机的姿态及云台角度并拍照；

D2：图像采集完毕，自主返航；

E2～ F2后期处理阶段：

E2：下载SD卡内数据，导入边坡缺陷分析软件分析缺陷；

F2：监控人员对缺陷处进行进一步确认，对缺陷处进行自动标记；

软件在图像上使用与背景对比度大的颜色在图像上标识缺陷编号，缺陷类型、缺陷具体数据。

Claims (10)

1.一种基于多旋翼无人机的铁路巡检及供电接触网异物清除系统，其特征在于：基于多旋翼无人机的铁路巡检及供电接触网异物清除系统包括用于提供任务载荷和进行铁路巡检的多旋翼无人机（Ⅰ）、用于控制多旋翼无人机（Ⅰ）运动和进行铁路巡检作业的控制系统（Ⅱ）以及传输远程控制指令和传感信息的无线通信系统（Ⅲ）；

所述的用于提供任务载荷和进行铁路巡检的多旋翼无人机（Ⅰ）包括给设备提供物理安装接口和支撑框架的机体（11）、给机体（11）提供升力和运动的动力系统（12）、用以定位、调整飞行姿态、进行铁路巡检的检测传感系统（13）和搭载的作业装置(14)；

所述机体（11）包括机架（111）、脚架（112）和云台（113）；

所述动力系统（12）包括电机（121）、锂电池及充电器（122）、电子调速器（123）和螺旋桨（124）；

所述检测传感系统（13）包括GPS（131）、电子罗盘（132）、惯性陀螺仪（133）、摄像机（134）、测距传感器（135），其中，摄像机（134）和测距传感器（135）是专用于进行铁路巡检的传感设备；

所述搭载的作业装置包括激光清除器(141)、语音报警器（142）；

所述的控制系统（Ⅱ）包括上位机、下位机，上位机为安装有主控机的地面站（22），下位机是安装在多旋翼无人机（Ⅰ）上的n个执行控制模块，该n个执行控制模块至少包括测距传感控制模块（23）、摄像机控制模块（24）、飞行控制模块（25）、云台控制模块（26）、激光清除器控制模块（27）和语音报警器控制模块（28），上述n的取值范围是：n为大于4小于10的整数；

所述安装有主控机的地面站（22）用于规划无人机飞行路径 、对无人机是否悬停、拍照、激光清除和语音报警以及在线监控进行决策；

所述的测距传感控制模块（23）用于控制测距传感器（135）的开关和保存过程数据；

所述的摄像机控制模块（24）用于控制摄像机（134）的开关、拍摄模式、ISO、光圈、焦距和曝光时间之参数的设定；

所述的飞行控制模块（25）用于直接控制多旋翼无人机所有旋翼的输出以及保持飞行姿态的稳定；

所述的云台控制模块（26）是电机伺服控制器，用于控制多轴云台的每个轴的角度；

所述的激光清除器控制模块（27）用于控制激光清除器的瞄准及激光的发射；

所述的语音报警器控制模块（28）用于控制语音报警器的开关；

所述的无线通信系统（Ⅲ）包括：无线传输机载模块（31）、数传电台（32）和无线传输地面模块（33）；

所述的多旋翼无人机（Ⅰ）的检测传感系统（13）采集无人机的飞行参数、图像信息和其它与铁路巡检作业相关的传感信息通过无线通信系统（Ⅲ）反馈给地面站（22），地面站（22）依据反馈信息制定策略控制信息；

所述的控制系统（Ⅱ）的地面站（22）所发出的策略控制信息通过无线通信系统（Ⅲ）的无线传输地面模块（33）、数传电台（32）和无线传输机载模块（31）传递给执行控制模块，各执行控制模块依据策略控制信息的内容对多旋翼无人机（Ⅰ）的机体（11）、动力系统（12）和检测传感系统（13）进行控制；

所述的飞行控制模块（25）与检测传感系统（13）通过信号线相连；

所述的飞行控制模块（25）根据传感信息和控制信号，通过动力系统调整多旋翼无人机（Ⅰ）的飞行参数；

所述的云台控制模块根据控制信号，控制机体上的云台；

所述的摄像机控制模块和测距传感控制模块根据控制信息调整检测传感系统的状态。

2.根据权利要求1所述的一种基于多旋翼无人机的铁路巡检及供电接触网异物清除系统，其特征在于：所述多旋翼无人机（Ⅰ）之机体（11）的机架（111）上有安装盒，电子调速器（123）、检测传感系统（13）的GPS（131）、电子罗盘（132）和惯性陀螺仪（133）以及控制系统（Ⅱ）的n个执行控制模块安装在安装盒（1111）内；

云台（113）为多自由度伺服控制的云台，其上安装有增稳陀螺；

云台（113）和摄像机（134）、锂电池及充电器（122）、激光清除器(141)和语音报警器（142）安装在多旋翼无人机机体（11）之机架（111）的上方或者下方；测距传感器（135）与摄像机（134）固定连接。

3.根据权利要求2所述的一种基于多旋翼无人机的铁路巡检及供电接触网异物清除系统，其特征在于：所述的控制系统（Ⅱ）还包括有一手持遥控器（21），该手持遥控器（21）所发出的手动控制信息亦通过无线通信系统（Ⅲ）的无线传输地面模块（33）、数传电台（32）和无线传输机载模块（31）传递给执行控制模块，各执行控制模块依据手动控制信息的内容对机体（11）、动力系统（12）和检测传感系统（13）进行控制；

从手持遥控器发出手动控制信息的优先级大于从地面站发出的策略控制信息，即有手动控制信息时，策略控制信息无效。

4.根据权利要求1、2或3所述的一种基于多旋翼无人机的铁路巡检及供电接触网异物清除系统，其特征在于：所述多旋翼无人机（Ⅰ）具有防撞装置（15），该防撞装置采用扇形结构，与机架（111）连为一体。

5.一种基于多旋翼无人机的铁路巡检及供电接触网异物清除方法，其特征在于：它是采用权利要求3所述的一种基于多旋翼无人机的铁路巡检及供电接触网异物清除系统用于铁路巡检及供电接触网异物清除的方法，依赖基于多旋翼无人机的铁路巡检及供电接触网异物清除系统之多旋翼无人机上的摄像设备和测距传感器，实现对铁路巡检及供电接触网进行监测，通过无人机航拍来获取铁路沿线被测岩体的形状和裂纹信息、边坡滑移信息，通过图像对比，可以有效预判有落石危险的岩体以及有滑坡的山体，防范于未然；对线路上是否有行人等不明因素及山火、泥石流等灾害进行观察，若发现行人则启动无人机搭载的语音报警器提醒行人尽快离开；若发现山火、泥石流等灾害则报告相关部门；对铁路供电接触网是否脱线、是否悬挂有塑料袋、风筝、气球等异物进行识别，并使用无人机搭载的“激光清除器”在线路设备不断电的情况下，对缠绕在导线上的漂浮异物进行熔断，让其自行掉落至地面，从而快速清除输电线路上异物；

上述检测包括线路巡检以及定点检测两种方式。

6.根据权利要求5所述的一种基于多旋翼无人机的铁路巡检及供电接触网异物清除方法，其特征在于：所述的一种基于多旋翼无人机的铁路巡检及供电接触网异物清除系统的控制系统（Ⅱ）还包括有一能实施手动控制的手持遥控器（21），该手持遥控器（21）所发出的手动控制信息亦通过无线通信系统（Ⅲ）的无线传输地面模块（33）、数传电台（32）和无线传输机载模块（31）传递给执行控制模块，各执行控制模块依据手动控制信息的内容对多旋翼无人机（Ⅰ）的机体（11）、动力系统（12）和检测传感系统（13）以及激光清除器和语音报警器进行控制；从手持遥控器发出手动控制信息的优先级大于从地面站发出的策略控制信息，即有手动控制信息时，策略控制信息无效。

7.根据权利要求5或6所述的一种基于多旋翼无人机的铁路巡检及供电接触网异物清除方法，其特征在于：所述线路巡检的步骤包括：A1、前期准备阶段，B1规划阶段，C1～ K1实施阶段， L1、后期处理阶段，各阶段具体步骤是：

A1：前期准备阶段：

根据待测目标的类型，选择云台的安装方式，安装固定摄像机、测距传感器、激光清除器(141)和语音报警器（142）：

若待测目标在无人机上方，使用上置安装云台，即：将云台（114）和摄像机（134）安装在多旋翼无人机机体（11）的上方，否则使用下置安装，即：将云台和摄像机安装在多旋翼无人机机体的下方；

在安装云台之前，先将激光测距仪、摄像机、激光清除器校准后固接在云台上；

B1：规划阶段：

在地面站设置系统参数，规划巡检路径；

C1：巡检目标，采集视频数据；

D11：是否发现山火、泥石流等灾害,若是，则进入E1；

D12：线路上是否有行人，若有，则进入F1；

D13：供电接触网上是否有异物，若有，则进入G1；

E1：立即通知相关部门；

F1：启动语音报警器提醒行人马上离开；

G1：用手持遥控器调节无人机的位置和姿态，保持无人机与异物3m以上的安全距离，调节激光清除器瞄准异物，发射激光熔断异物；

H1：异物清除，继续巡检；

J1：巡检完毕，自主返航；

K1：下载SD卡内数据，导入边坡缺陷分析软件，得出结果。

8.根据权利要求7所述的一种基于多旋翼无人机的铁路巡检及供电接触网异物清除方法，其特征在于：

在A1、前期准备阶段步骤将激光测距仪、摄像机、激光清除器校准后固接在云台上所述的 “校准后固接”是指采用棋盘法校准摄像机光轴，校准测距传感器的测距向量与摄像机光轴的平行度，校准激光清除器瞄准向量与摄像机光轴的平行度，并保持测距传感器、激光清除器、摄像机的相对位置不发生改变。

9.根据权利要求7所述的一种基于多旋翼无人机的铁路巡检及供电接触网异物清除方法，其特征在于：在G1：用手持遥控器调节无人机的位置和姿态步骤中，“调节无人机的位置和姿态”包括调节：无人机经纬度、高度、无人机的俯仰角、云台三个轴的角度和距离D。

10.根据权利要求5或6所述的一种基于多旋翼无人机的铁路巡检及供电接触网异物清除方法，其特征在于：所述定点检测方式是对巡检过程中对于疑似存在边坡滑移、岩体落石等风险地段进行定点检测，在地面站上设定疑似风险点，无人机飞行至待测点，打开测距传感器，测量无人机至待测目标的距离，启用手持遥控器，通过飞行控制模块精确调节无人机的姿态及无人机至待测目标的距离；通过云台控制模块精确调节摄像机的角度，保持无人机与待测目标的距离不变，提取待测目标的图像，返航后将SD卡中的数据导入边坡缺陷分析软件，筛选出缺陷分析对比图，进行缺陷分析，监控人员对对比图进行进一步分析，并对缺陷处进行标记；

所述定点检测的步骤包括：A2前期准备阶段、B2规划阶段、C2～ D2实施阶段、以及E2～F2后期处理阶段；

A2、前期准备阶段：

安装云台、摄像机、测距传感器到机架上；

B2、规划阶段：

在地面站设置疑似缺陷点，规划定点检测路径；

C2～ D2实施阶段：

C2：抵达目标，用手持遥控器调节无人机的姿态及云台角度并拍照；

D2：图像采集完毕，自主返航；

E2～ F2后期处理阶段：

E2：下载SD卡内数据，导入边坡缺陷分析软件分析缺陷；

F2：监控人员对缺陷处进行进一步确认，对缺陷处进行自动标记；

软件在图像上使用与背景对比度大的颜色在图像上标识缺陷编号，缺陷类型、缺陷具体数据。