CN108263606B - 一种基于垂直起降固定翼无人机及其天然气管线巡检系统、方法 - Google Patents

一种基于垂直起降固定翼无人机及其天然气管线巡检系统、方法 Download PDF

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Abstract

一种基于垂直起降固定翼无人机及其天然气管线巡检系统，方法，包括机身、垂直尾翼、水平尾翼、副翼、旋翼、主翼，前拉电机安装机身前部，主翼位于机身上部两侧，副翼分别位于所述主翼翼梢后缘外侧，旋翼分别位于机身两侧和主翼前后两侧，同时分别通过连接杆与主翼连接；当无人机起飞时，先解锁旋翼，无人机垂直起飞，飞到指定高度后，前拉电机启动，旋翼逐渐减小油门，待无人机能够只在前拉电机的作用下飞行时，旋翼完全停止转动，无人机开始在前拉电机的作用下由主翼产生升力飞行，当无人机进入降落状态，无人机以旋翼模式降落。无人机和天然气含量检测系统、相机、地面监控站构成天然气管线巡检系统以及通过该系统进行天然气管线巡检的方法。

Description

一种基于垂直起降固定翼无人机及其天然气管线巡检系统、 方法
技术领域
本发明涉及无人机应用领域，特别是一种无人机的天然气管线巡检领域。
背景技术
目前的旋翼无人机航时较短，而且续航距离短，无法满足无人机在各领域内的应用。
天然气和居民生活息息相关，保证运输天然气的管道安全性是社会和企业一项重要的责任。过去传统天然气安全巡检主要依靠工作人员利用手持遥测仪进行检测，工作量大、效率低下。除此之外，手持遥测仪受地面地形的限制，无法适用于某些人类难以到达的地方，其替代方案直升机风险大、成本高、作业流程繁琐、不易于实时监测。
我国天然气管道具有运行总里程长、建设年代跨度大、安全事件和事故多发的特点，并且管道总里程呈高速增长趋势，加强管道的安全巡护管理，形势更加严峻。而依赖常规巡检显然无法满足要求，需要采用更科学的管理办法和技术手段。采用无人机巡检技术，已经成为国内外石油行业的应用趋势。目前天然气管线巡检无人机大都为六旋翼无人机，六旋翼无人机虽然能够满足各种地形巡线的要求,但是飞行速度慢，巡航距离短，不能自主匹配飞行高度。目前天然气管线各种巡检方式对比如下表表1。
表1：天然气管线各种巡检方式优劣对比表
Figure GDA0002756589480000011
由于天然气管线有里程长、横跨地域地形复杂的特点，使得一般的巡线方式人力物力成本高，且数据单一、时效性差、处理工作量大，不能适应当前管道巡检的需要。因此，需要以一种结构简单、设计合理且使用操作简便、续航距离长，以弥补现有巡检方式存在的人力物力较大、巡检工作难度大、巡检效果较差等缺陷和不足。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于垂直起降固定翼无人机及其天然气管线巡检方法，保证了无人机飞行距离、飞行安全，本发明的技术方案是这样实现的：
一种基于垂直起降固定翼无人机，包括机身、其特征在于包括前拉电机、垂直尾翼、水平尾翼、副翼、旋翼、主翼，所述的前拉电机安装机身前部，用于提供无人机向前飞行的动力，所述的主翼位于机身上部两侧，所述的副翼分别位于所述主翼翼梢后缘外侧，一端和所述主翼后缘外侧进行连接并可以活动，通过操纵所述副翼可使无人机做横滚机动，所述旋翼分别位于机身两侧和主翼前后两侧，同时分别通过连接杆与所述主翼连接；所述无人机飞行有两种模式：旋翼模式和固定翼模式；当所述无人机起飞时，先解锁所述旋翼，在所述旋翼的作用下，无人机垂直起飞，无人机飞到指定高度后，所述前拉电机启动，所述旋翼逐渐减小油门，待无人机能够只在所述前拉电机的作用下飞行时，所述旋翼完全停止转动，无人机开始在前拉电机的作用下由主翼产生升力飞行，当无人机进入降落状态，所述前拉电机减小油门，待速度下降到规定速度时，所述旋翼启动，所述前拉电机逐渐停止，无人机以旋翼模式降落；所述机身安装相机，所述相机按照等间隔方式进行拍照，拍摄的照片会经过正射影处理软件处理为正射影图像，同时无人机记录曝光点纬度、经度、高度位置信息和俯仰角、横滚角、航向角姿态信息，对照片进行正射影像处理，生成数字地图，可在地图上确认管线位置。
优选的，还包括天然气含量检测系统。
优选的，所述的天然气含量检测系统为激光检测系统。
优选的，所述的激光检测系统测量天然气含量的方式为激光反射式测量。
一种基于垂直起降固定翼无人机的天然气管线巡检系统，包括天然气含量检测系统为激光检测系统的上述无人机，还包括地面监控站，地面监控站安装有地形高度跟随系统，所述地形高度跟随系统可以获取在待测区域任意地理位置下对应的地理地形海拔高度数据，同时可以将所述地形海拔高度数据通过地形高度预处理系统处理得到的所有目标跟随点，对应到地图的相应位置上，所述地面监控站自动生成待飞行线路的高度跟随航线规划，生成结束后，装订到无人机飞行任务队列，无人机在基于GPS+气压机做出不同高度下的飞行任务。
一种基于垂直起降固定翼无人机的天然气管线巡检方法，其特征在于：利用上述的基于垂直起降固定翼无人机的天然气管线巡检系统进行天然气管线巡检包括以下步骤：
步骤一、生成高度跟随航线规划：获取待测区域位置下对应的地理地形海拔高度，获取方式包括基于SRTM地形产品数据、基于人为激光雷达飞行实测数据，然后在所述地面监控站上设置合理的无人机飞行计划；
步骤二、无人机起飞；当所述无人机起飞时，先解锁旋翼，在旋翼的作用下，无人机垂直起飞，无人机飞到指定高度后，前拉电机启动，旋翼逐渐减小油门，待无人机能够只在前拉电机的作用下飞行时，旋翼完全停止转动，无人机开始以固定翼模式飞行；
步骤三、无人机巡检：所述的激光检测系统检测天然气含量，所述天然气含量测定的结果信息实时传输到地面监控站，所述相机按照等间隔方式进行拍照，拍摄的照片会经过正射影处理软件处理为正射影图像，同时无人机记录曝光点纬度、经度、高度位置信息及俯仰角、横滚角、航向角姿态信息，对照片进行正射影像处理，生成数字地图，可在地图上确认管线位置；
步骤四、无人机降落：当无人机降落时，所述前拉电机启动，减小油门，待速度下降到规定速度时，所述旋翼启动，所述前拉电机停止，无人机以旋翼模式降落。
优选的，步骤一中，将所述的地形海拔高度数据通过地形高度预处理系统得到的所有目标跟随点，对应到地图的相应位置上，所述地面监控站自动生成待飞行线路的高度跟随航线规划，生成结束后，装订到无人机飞行任务队列，无人机在基于GPS+气压机做出不同高度下的飞行任务。
优选的，所述的激光检测系统测量天然气含量的方式为激光反射式测量。
本发明的有益效果为：
1、对场地要求不高，无人机起飞降落采用旋翼模式，可垂直起飞降落，不需要跑道；
2、起飞后切换到固定翼模式，飞行距离远，滞空时间长，飞行效率高；
3、采用高度跟随飞行模式，保证安全飞行的同时使无人机保持对地恒定低高度飞行，确保激光检测系统检测准确率高；
4、使用成本低，大幅提升天然气巡检效率，降低巡检人力成本，通过地面监控站实时准确监控天然气管线的状况。
附图说明
图1是一种基于垂直起降固定翼无人机示意图
其中，附图标记与部件名称之间的对应关系如下：
旋翼1，副翼2，前拉电机3，连接杆4、主翼5，垂直尾翼6，水平尾翼7。
具体实施方式
试验场地：中国西部某天然气管线
起飞地点在某一无跑道平地，无人机采用旋翼模式起降，平飞时采用固定翼模式，本次天然气管线巡检总航程100km，耗时60min，对地高度设定为150m，整个飞行过程可通过地面监控站实时监控，巡线完毕消耗6S电池4个。
具体如图1中的基于垂直起降固定翼无人机，包括机身、前拉电机、垂直尾翼、水平尾翼、副翼、旋翼、主翼，前拉电机安装机身前部，用于提供无人机向前飞行的动力，主翼位于机身上部两侧，副翼分别位于所述主翼翼梢后缘外侧，是小块可动的翼面，通过操纵副翼可使无人机做横滚机动，旋翼分别位于机身两侧和主翼前后两侧，同时分别通过连接杆与主翼连接，还包括激光检测系统、地面监控站，所述的激光检测系统用于天然气含量的检测，激光检测系统测量天然气含量的方式为激光反射式测量，天然气含量测定的数据信息可以实时传输到地面监控站。机身安装相机、正射影处理软件，相机按照等间隔方式进行拍照，拍摄的照片会经过正射影处理软件处理为正射影图像，同时无人机记录曝光点纬度、经度、高度位置信息和俯仰角、横滚角、航向角姿态信息，对照片进行正射影像处理，生成数字地图，可在地图上确认管线位置，纬度、经度、高度位置信息和俯仰角、横滚角、航向角姿态信息可以实时传输到地面监控站。地面监控站安装地形高度跟随系统，地形高度跟随系统可以获取待测区域任意地理位置下对应的地理地形海拔高度数据，同时可以将形海拔高度数据通过地形高度预处理得到的所有目标跟随点，对应到地图的相应位置上，地面监控站自动生成待飞行线路的高度跟随航线规划，生成结束后，装订到无人机飞行任务队列，无人机在基于GPS+气压机做出不同高度下的飞行任务。
检查各个部件和系统的完整性,当检测完没有问题后，无人机可以执行飞行任务和天然气管线巡检任务，当无人机起飞时，先解锁旋翼，在旋翼的作用下，无人机垂直起飞，无人机飞到指定高度后，前拉电机启动，旋翼逐渐减小油门，待无人机能够只在前拉电机的作用下飞行时，旋翼完全停止转动，无人机开始以固定翼模式飞行。
无人机在执行飞行计划时，会将无人机的状态信息和天然气检测信息传输到地面监控站，通过地面监控站可以监测到无人机实时的位置和状态、天然气管线附近的甲烷浓度。同时无人机搭载的单反相机拍摄的照片会经过正射影处理软件处理为正射影图像，通过该图像可以预览整个被测管线的整体情况，便于直观地检查天然气管线是否有明显损坏。
当无人机进入降落状态，前拉电机减小油门，待速度下降到规定速度时，旋翼启动，前拉电机停止，无人机以旋翼模式降落。
通过本发明的无人机在巡检天然气管线时其性能和其他无人机性能的比较如表2。
表2、本方案无人机在巡检天然气管线时其性能和其他方案飞行性能比较
Figure GDA0002756589480000041
Figure GDA0002756589480000051
从上表对比可以发现，本发明所述的无人机对场地要求不高，起飞降落采用旋翼模式，可垂直起飞降落，不需要跑道；起飞后切换到固定翼模式，飞行距离远，滞空时间长，飞行效率高；采用高度跟随飞行模式，保证安全飞行的同时使无人机保持对地恒定低高度飞行，确保激光检测系统检测准确率高；使用成本低，大幅提升天然气巡检效率，降低巡检人力成本，通过地面监控站实时准确监控天然气管线的状况。

Claims (8)

1.一种基于垂直起降固定翼无人机，包括机身、其特征在于包括前拉电机、垂直尾翼、水平尾翼、副翼、旋翼、主翼，所述的前拉电机安装机身前部，用于提供无人机向前飞行的动力，所述的主翼位于机身上部两侧，所述的副翼分别位于所述主翼翼梢后缘外侧，一端和所述主翼后缘外侧进行连接并可以活动，通过操纵所述副翼可使无人机做横滚机动，所述旋翼分别位于机身两侧和主翼前后两侧，同时分别通过连接杆与所述主翼连接；所述无人机飞行有两种模式：旋翼模式和固定翼模式；当所述无人机起飞时，先解锁所述旋翼，在所述旋翼的作用下，无人机垂直起飞，无人机飞到指定高度后，所述前拉电机启动，所述旋翼逐渐减小油门，待无人机能够只在所述前拉电机的作用下飞行时，所述旋翼完全停止转动，无人机开始在前拉电机的作用下由主翼产生升力飞行，当无人机进入降落状态，所述前拉电机减小油门，待速度下降到规定速度时，所述旋翼启动，所述前拉电机逐渐停止，无人机以旋翼模式降落；所述机身安装相机，所述相机按照等间隔方式进行拍照，拍摄的照片会经过正射影处理软件处理为正射影图像，同时无人机记录曝光点纬度、经度、高度位置信息和俯仰角、横滚角、航向角姿态信息，对照片进行正射影像处理，生成数字地图，可在地图上确认管线位置。
2.如权利要求1所述的一种基于垂直起降固定翼无人机，其特征在于：还包括天然气含量检测系统。
3.如权利要求2所述的一种基于垂直起降固定翼无人机，其特征在于：所述的天然气含量检测系统为激光检测系统。
4.如权利要求3所述的一种基于垂直起降固定翼无人机，其特征在于：所述的激光检测系统测量天然气含量的方式为激光反射式测量。
5.一种基于垂直起降固定翼无人机的天然气管线巡检系统，其特征在于：包括权利要求3所述的无人机，还包括地面监控站，所述地面监控站安装有地形高度跟随系统，所述地形高度跟随系统可以获取在待测区域任意地理位置下对应的地理地形海拔高度数据，同时可以将所述地形海拔高度数据通过地形高度预处理系统处理得到的所有目标跟随点，对应到地图的相应位置上，所述地面监控站自动生成待飞行线路的高度跟随航线规划，生成结束后，装订到无人机飞行任务队列，无人机在基于GPS+气压机做出不同高度下的飞行任务。
6.一种基于垂直起降固定翼无人机的天然气管线巡检方法，其特征在于：利用权利要求5所述的基于垂直起降固定翼无人机的天然气管线巡检系统进行天然气管线巡检包括以下步骤：
步骤一、生成高度跟随航线规划：获取待测区域位置下对应的地理地形海拔高度，获取方式包括基于SRTM地形产品数据、基于人为激光雷达飞行实测数据，然后在所述地面监控站上设置合理的无人机飞行计划；
步骤二、无人机起飞；当所述无人机起飞时，先解锁旋翼，在旋翼的作用下，无人机垂直起飞，无人机飞到指定高度后，前拉电机启动，旋翼逐渐减小油门，待无人机能够只在前拉电机的作用下飞行时，旋翼完全停止转动，无人机开始以固定翼模式飞行；
步骤三、无人机巡检：所述的激光检测系统检测天然气含量，所述天然气含量测定的结果信息实时传输到地面监控站，所述相机按照等间隔方式进行拍照，拍摄的照片会经过正射影处理软件处理为正射影图像，同时无人机记录曝光点纬度、经度、高度位置信息及俯仰角、横滚角、航向角姿态信息，对照片进行正射影像处理，生成数字地图，可在地图上确认管线位置；
步骤四、无人机降落：当无人机降落时，所述前拉电机启动，减小油门，待速度下降到规定速度时，所述旋翼启动，所述前拉电机停止，无人机以旋翼模式降落。
7.如权利要求6所述的一种基于垂直起降固定翼无人机的天然气管线巡检方法，其特征在于：所述的步骤一中，将所述的地形海拔高度数据通过地形高度预处理系统得到的所有目标跟随点，对应到地图的相应位置上，所述地面监控站自动生成待飞行线路的高度跟随航线规划，生成结束后，装订到无人机飞行任务队列，无人机在基于GPS+气压机做出不同高度下的飞行任务。
8.如权利要求6、7之一所述的一种基于垂直起降固定翼无人机的天然气管线巡检方法，其特征在于：所述的激光检测系统测量天然气含量的方式为激光反射式测量。
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