CN108469249A - 基于无人机巡检的天然气管道沉降预警系统 - Google Patents
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Abstract
一种基于无人机巡检的天然气管道沉降预警系统，包括远程控制平台、无人机载平台和移动基站，所述远程控制平台依照天然气管道布局规划无人机的巡检路线，将各个地区实时地表图像信息传送回远程控制平台，同时控制平台通过图像识别技术提取出最新图像特征值，并与前一天的图片特征值比对分析，计算出相应位置每日地表下沉量和地表裂缝宽度并导出检测技术表，最后对超出设定值的区域发出预警，移动基站配合无人机完成信息采集和打卡工作。本发明改变了传统的人工巡视，提高了管道巡检的工作效率，降低了劳动成本，保障了管道的安全稳定。
Description
技术领域
本发明涉及一种无人机对地筑设施进行自动巡查系统，尤其是一种用无人机对地筑天然气管道沉降的巡检预警系统。
背景技术
山西是煤炭资源开发大省，每年因采煤造成的地下采空区面积达到5000余平方千米，形成近3000平方千米的采空沉陷区，采空沉陷区会引起地面塌陷、沉降变形和开裂等次生地质灾害，这些地质灾害带动的输送管道拉伸、弯曲、剪切变形会引起管道的泄露，对管道的管理和运营极为不利，同时对山西省的能源安全及气化山西战略的实施构成了潜在的风险。
目前国内应对天然气管道检测主要采用人工巡线，雇佣当地居民做巡检员，巡检员每天往返15公里，巡视天然气管道线路，这项工作消耗大量人力，对巡检员技术要求较高，野外作业的艰苦和某些线路穿山跨海不易行走等问题都使天然气管道检测效果难以保证，给天然气线路沉降预防留下隐患，为此迫切需要研究开发一种针对天然气线路沉降预防的预警系统。
发明内容
鉴于人力巡检的种种弊端，本发明的目的是提供一种基于无人机巡检的天然气管道沉降预警系统。
为达到上述目的，本发明采取如下的技术方案。
一种基于无人机巡检的天然气管道沉降预警系统，包括无人机载平台、远程控制平台和移动基站；其特征在于：所述无人机载平台是通过其图像采集摄像头采集所述移动基站的图像信息，后采用无线通信方式实时将图像信息传输至所述远程控制平台，实现天然气管道的沉降预警；
所述无人机载平台是将GPS定位模块设置于无人机顶端，将GPS定位模块与无线接受模块与无线发射模块、飞行姿态采集模块通过I2C协议与主控制器通信；图像采集摄像头位于无人机下端，由主控制器直接控制；无人机载平台按照巡检路线，依次采集巡检线路上各个区域地表的图像信息、位置信息及时间信息，实时发送至远程控制平台；
所述远程控制平台是依据天然气管道的布局，规划无人机巡检线路，接收无人机巡检过程的实时信息，对无人机飞行姿态实时控制，获得图像信息进行特征值提取并与同一区域不同时间段比对分析，计算出相应位置每日地表下沉量和地表裂缝宽度并导出检测技术表，同时将每次获得的图像信息、位置信息和时间信息以及图像特征参数组建数据库并存储；
所述移动基站是将各个模块集成在一电路板上，工作电压为5V，数据采集模块通过I2C协议将三相位移传感器收集到的数据发送至信号发射模块，再由信号发射模块将信息发送回无人机的无线接收模块；移动基站通过数据采集模块、电子调度模块、信号发射模块、信号接收模块和电源模块，配合无人机完成信息采集和打卡工作。
进一步地附加有如下技术特征的技术方案。
所述无人机载平台的图像信息采集装置是图像识别专用摄像机。
所述无人机的续航时间是1小时，飞行距离是30公里。
所述无人机的工作环境为无雪、无雨及无雾的晴朗天气。
所述无人机载平台设置有zigBzz接收装置，所述zigBzz接收装置是基于zigBee通信协议，与管道上方的移动基站通信，完成无人机飞行线路的打卡工作。
所述图像信息的传输采用4G信号传输；所述图像信息的识别技术精度是2 cm。
所述天然气管道沉降预警系统的沉降预警方法如下：
（1）远程控制平台依照天然气管道布局规划无人机的巡检路线；
（2）无人机依照规划线路飞行，并将图像识别专用摄像机拍摄到的各个地区的实时地表图像信息传送回远程控制平台；
（3）到达打卡区域，移动基站将传感器采集到的相关信息通过发射模块发送至无人机的信号接收模块；
（4）无人机发出通讯信号至移动基站，触发电子调度，依次完成打卡工作；
（5）远程控制平台对无人机飞行姿态实时调整；
（6）远程控制平台通过图像识别技术，将提取出的最新图片的特征值与前一天的图片特征值进行比对分析，计算出相应位置每天的地表下沉量和地表裂缝宽度并导出检测技术表；
（7）远程控制平台根据检测技术表，对超出设定值的区域发出预警并记录。
相对于传统人工巡检，本发明上述所提供的一种基于无人机巡检的天然气管道预警系统具有以下优点与积极效果。
本系统通过无人机与远程控制平台点对点无线通信方式，实时高效的将图像传至远程控制平台，实现了天然气管道的沉降预警。
本系统使用图像识别技术软件算法，迅速提取图片特征值并给出检测技术表，短时间内发现天然气管道的沉降即时进行管道沉降预警。
本系统通过遥控无人机实时调整无人机的飞行姿态，满足了无人机载平台以及图像采集的真实性和可靠性，实现了无人机的实时信息采集。
本系统克服了传统的人工巡视的弊端，提高了管道巡检工作效率，降低了劳动成本，一定程度上保障了天然气管道的稳定输送。
本系统在无人值守条件下，实现完整运作，持续运行，与新技术结合进行更新，能够实现长期持续工作。
附图说明
图1是本系统的结构示意图。
图2是本系统的无人机载平台结构示意图。
图3是本系统的移动基站系统结构示意图。
图4是本系统的工作流程图。
图中：1：无人机载平台；2：远程控制平台；3：移动基站； 4：天然气管道； 5：GPS定位模块；6：无线接收模块；7：无线发射模块；8：飞行姿态采集模块；9：图像采集摄像头；10：数据采集模块；11：信号发射模块；12：电源模块；13：电子调度模块；14：信息接收模块。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式作出进一步的说明。
实施一种基于无人机巡检的天然气管道沉降预警系统，包括远程控制平台2、无人机载平台1和移动基站3，根据本专业领域的公知常识以及常规手段，设置远程控制平台2及其无人机载平台1和移动基站3，其中无人机载平台1通过移动基站3采用无线通信方式，实时将图像传输至远程控制平台2，用以实现天然气管道沉降的及时安全预警，具体实施方式如下：
实施远程控制平台2是依据天然气管道4规划布局，地质构造以及地表地貌，设置规划无人机巡检地理线路，并接收无人机对地天然气管道4巡检过程中的实时信息，同时对无人机飞行的姿态根据地理特点进行实时控制，获得无人机对地天然气管道4的巡检过程中的图像信息，进行特征值提取并与同一区域不同时间段进行比对分析，计算出相应位置每日地表下沉量和地表裂缝宽度并导出检测技术表，同时将每次获得的图像信息、位置信息和时间信息以及图像特征参数组建为数据库并存储备用。
实施无人机载平台1是将GPS定位模块5设置于无人机顶端，便于导航，将GPS定位模块5、无线接受模块6与无线发射模块7以及飞行姿态采集模块8，通过I2C协议与主控制器进行通信；图像采集摄像头9位于无人机下端，对地进行图像信息采集，并由主控制器直接控制。
其中，无人机载平台1是采用图像采集摄像机9的图像采集摄像头、无线接收模块6与无线发射模块7、无人机飞行姿态采集模块8和GPS定位模块5，按照巡检路线，依次采集巡检线路上各个区域地表的图像信息、位置信息及时间信息，实时发送至远程控制平台2；其中的图像信息的传输采用4G信号传输，图像信息的识别技术精度设置为2 cm。
其中，无人机载平台1设置有zigBzz接收装置，该zigBzz接收装置是基于zigBee通信协议，与天然气管道4上方的移动基站3进行通信，完成无人机飞行线路并实现打卡工作。
实施移动基站3是通过数据采集模块10、电子调度模块13、信号发射模块11、信号接收模块14和电源，配合无人机完成信息采集和打卡工作，并将各个模块集成在一电路板上，工作电压为5V，数据采集模块10通过I2C协议将三相位移传感器收集到的数据发送至信号发射模块11，再由信号发射模块11将信息发送回无人机无线接收模块6。
在上述具体实施方式中，无人机的续航时间设置为1小时，飞行距离设置为30公里，并在无雪、无雨及无雾的晴朗天气工作环境下进行巡检。
下面将结合附图对本发明的具体实施方式作出进一步的说明。
实施一种基于无人机巡检的天然气管道沉降预警系统，设置有远程控制平台2、无人机载平台1和移动基站3三部分。
如附图1所示，本远程控制平台2是根据天然气管道4进行实施布局，首先要预先规划无人机的巡检线路，并采用4G通信网络，接收无人机巡检过程的实时信息，信息包括无人机自身的状态信息、拍摄的图片信息、区域信息和时间信息；并且远程控制平台2还能对无人机飞行姿态实时进行调整，远程控制平台2利用图像识别技术，对获得的图像信息特征值提取，然后进行同一区域不同时间段对比分析，获得地表变化情况和天然气管道4沉降数据信息，生成相应的检测技术表，远程控制平台2还要将每次的信息数据存入数据库，供以后进行整体数据对比和案例研究。
如附图2所示的无人机，包括有位于无人机底端的图像采集摄像头9，无人机内部控制板集成的无线接收模块6与无线发射模块7，无人机飞行姿态采集模块8和无人机顶端的GPS定位模块5，无人机在飞行过程中，图像采集摄像头9用于按照巡检路线，依次采集巡检线路上各个区域的地表的图像信息、位置信息及时间信息，并通过2.4G无线通信一起实时的发送回远程控制平台2；无人机图片信息采集装置应为图像采集摄像机9，或图像识别专用摄像机；无人机续航时间设置为1小时，飞行距离设置为30公里；无人机的工作环境为无雪、无雨及无雾的正常环境的晴朗天气条件；在无人机上机载有zigBzz接收装置，基于zigBee通信协议，与天然气管道4上方的移动基站3通信，无人机通过无线发射模块7发出通讯信号至移动基站3的无线接收模块7，触发电子调度，完成无人机飞行线路的打卡工作；无人机的无线接收模块6接受来自移动基站3发出的数据信息，并将它们带回远程控制平台2。
如附图3所示的移动基站3，包括集成在一起的数据采集模块10，信号发射模块11，信息接收模块14以及电子调度模块13，采用5V的锂电池，作为电源模块12，给整个系统供电，无人机进入指定区域后，移动基站3接收无线模块模块6会接收无人机发出的电信号，并将通讯信号通过I2C通信协议发送至电子调度模块13，配合无人机完成打卡工作；同时，基站将三相位移传感器采集到的数据信息通过信号发射模块11发送至无人机上的信号接收模块14。
如附图4所示，这种利用图像识别技术进行分析的基于无人机巡检的天然气管道4沉降预警系统，包括如下步骤：
（1）远程控制平台2依照天然气管道4的布局规划无人机的巡检路线。
（2）无人机依照规划线路飞行，并将图像采集摄像机9拍摄到的各个地区的实时地表图像信息传送回远程控制平台2。
（3）到达打卡区域，移动基站3将传感器采集到的相关信息通过无线发射模块7发送至无人机的信号接收模块14。
（4）无人机发出通讯信号至移动基站3，触发电子调度模块13，依次完成打卡工作。
（5）远程控制平台2对无人机飞行姿态实时调整。
（6）远程控制平台2通过图像识别技术，将提取出的最新图片的特征值与前一天的图片特征值进行比对分析，计算出相应位置每天的地表下沉量和地表裂缝宽度并导出检测技术表。
（7）远程控制平台2根据检测技术表，对超出设定值的区域发出预警并记录。
本发明上述具体实施方式，克服了传统的人工巡视的弊端，提高了管道巡检的工作效率，降低了劳动成本，保障了管道的安全稳定，通过无人机与远程控制平台点对点无线通信方式，可以实时高效地将图片信息传回远程控制平台，使用现有的图像识别技术，能迅速提取图片特征值并分析出检测技术表，短时间内发现天然气管道沉降，进行及时预警，也可以通过遥控，实时改变无人机的飞行姿态，在无人值守条件下进行完整运作，持续运行，可靠维护，并与新技术结合进行更新，能够长期持续工作，实现天然气管道沉降巡检预警。
Claims (6)
1.一种基于无人机巡检的天然气管道沉降预警系统，包括无人机载平台、远程控制平台和移动基站；其特征在于：所述无人机载平台（1）是通过其图像采集摄像头（9）采集所述移动基站（3）的图像信息，后采用无线通信方式实时将图像信息传输至所述远程控制平台（2），实现天然气管道（4）的沉降预警；
所述无人机载平台（1）是将GPS定位模块（5）设置于无人机顶端，将GPS定位模块（5）与无线接受模块（6）与无线发射模块（7）、飞行姿态采集模块（8）通过I2C协议与主控制器通信；图像采集摄像头（9）位于无人机下端，由主控制器直接控制；无人机载平台（1）按照巡检路线，依次采集巡检线路上各个区域地表的图像信息、位置信息及时间信息，实时发送至远程控制平台（2）；
所述远程控制平台（2）是依据天然气管道（4）的布局，规划无人机巡检线路，接收无人机巡检过程的实时信息，对无人机飞行姿态实时控制，获得图像信息进行特征值提取并与同一区域不同时间段比对分析，计算出相应位置每日地表下沉量和地表裂缝宽度并导出检测技术表，同时将每次获得的图像信息、位置信息和时间信息以及图像特征参数组建数据库并存储；
所述移动基站（3）是将各个模块集成在一电路板上，工作电压为5V，数据采集模块（10）通过I2C协议将三相位移传感器收集到的数据发送至信号发射模块（11），再由信号发射模块（11）将信息发送回无人机的无线接收模块（6）；移动基站（3）通过数据采集模块（10）、电子调度模块（13）、信号发射模块（11）、信号接收模块（14）和电源模块（12），配合无人机完成信息采集和打卡工作。
2.根据权利要求1所述的基于无人机巡检的天然气管道沉降预警系统，其特征在于：所述无人机的续航时间是1小时，飞行距离是30公里。
3.根据权利要求1所述的基于无人机巡检的天然气管道沉降预警系统，其特征在于：所述无人机的工作环境为无雪、无雨及无雾的晴朗天气。
4.根据权利要求1所述的基于无人机巡检的天然气管道沉降预警系统，其特征在于：所述无人机载平台（1）设置有zigBzz接收装置，所述zigBzz接收装置是基于zigBee通信协议，与天然气管道（4）上方的移动基站（3）通信，完成无人机飞行线路的打卡工作。
5.根据权利要求1所述的基于无人机巡检的天然气管道沉降预警系统，其特征在于：所述图像信息的传输采用4G信号传输；所述图像信息的识别技术精度是2 cm。
6.根据权利要求1所述的基于无人机巡检的天然气管道沉降预警系统，其特征在于：所述天然气管道（4）沉降预警系统的沉降预警方法如下：
（1）远程控制平台（2）依照天然气管道（4）布局规划无人机的巡检路线；
（2）无人机依照规划线路飞行，并将图像采集摄像机（9）拍摄到的各个地区的实时地表图像信息传送回远程控制平台（2）；
（3）到达打卡区域，移动基站（3）将传感器采集到的相关信息通过无线发射模块（7）发送至无人机的无线接收模块（6）；
（4）无人机发出通讯信号至移动基站（3），触发电子调度，依次完成打卡工作；
（5）远程控制平台（2）对无人机飞行姿态实时调整；
（6）远程控制平台（2）通过图像识别技术，将提取出的最新图片的特征值与前一天的图片特征值进行比对分析，计算出相应位置每天的地表下沉量和地表裂缝宽度并导出检测技术表；
（7）远程控制平台（2）根据检测技术表，对超出设定值的区域发出预警并记录。
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