CN108646786A - 一种基于多轴无人机的机械设备巡检系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于多轴无人机的机械设备巡检系统及其方法，属于无人机技术领域。所述巡检系统，包括无人机系统和无人机指挥系统；所述无人机系统包括多轴无人机、云台相机、定位模块、飞控模块和通讯模块，所述云台相机、定位模块和通讯模块均与飞控模块连接，所述飞控模块用于控制多轴无人机的飞行状态、云台相机的朝向与拍摄；所述无人机指挥系统包括遥控装置、移动终端以及基站，所述移动终端和基站均与遥控装置连接；本发明所述巡检系统能够通过控制无人机对机械设备进行VT检测，安全可靠且具有较高的自动化程度。
Description
技术领域
本发明属于无人机技术领域，具有涉及一种基于多轴无人机的机械设备巡检系统及其方法。
背景技术
钢材具有强度高、自重轻、整体刚度好、变形能力强，故用于建造建筑物、工程机械设备特别适宜；材料匀质性和各向同性好，属理想弹性体，最符合一般工程力学的基本假定；材料塑性、韧性好，可有较大变形，能很好地承受动力荷载；建造工期短。全球经济的高速发展，使得各行各业对钢结构的机械设备都有着很大的需求，如港口码头最常见的用于装卸集装箱的桥吊、用于装卸矿石的卸船机等，如大型工厂常见的高吊、龙门吊。这些设备的使用寿命通常为20年左右，随着其运行使用，由于天气、材料缺陷、使用不当等原因，结构会出现一定的损伤，最常见的情况是表面的油漆剥落，螺栓松动等，严重的可能会出现结构开裂。因此，在机械设备的全寿命周期中，用户需要按照制造商的说明对设备进行养护，其中机械设备(如桥吊、卸船机、龙门吊等)的结构外表面VT(Visual Testing，目视检测)检测是必不可少的一环，当用户通过VT发现设备缺陷后，将情况通知给制造商，制造商会基于缺陷位置的照片提出针对的解决方法。
目前，针对机械设备，VT检测主要由人工完成，即检测人员挂安全带攀爬至所需检测的位置，然后用卡片相机对目标位置进行拍摄，有条件的情况下，会在所需检测的位置搭脚手架。检测人员直接攀爬至检测位置的方法危险系数高，效率较差，且部分位置人员难以到达，如果搭脚手架，本身施工成本较高，且需要设备长时间停机，间接造成的经济损失更大，使得大量用户往往不愿意按照制造商规定进行VT检测，最终可能会导致严重事故。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种基于多轴无人机的机械设备巡检系统及其方法，能够通过控制无人机对机械设备进行VT检测，安全可靠且具有较高的自动化程度。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种基于多轴无人机的机械设备巡检系统，包括无人机系统和无人机指挥系统；所述无人机系统用于对机械设备进行巡检，所述无人机系统包括多轴无人机、云台相机、定位模块、飞控模块和通讯模块，所述云台相机、定位模块和通讯模块均与飞控模块连接，所述飞控模块用于控制多轴无人机的飞行状态、云台相机的朝向与拍摄；所述通讯模块用于实现无人机系统与无人机指挥系统之间的通信以及数据的传输；所述无人机指挥系统包括用于控制多轴无人机的遥控装置、移动终端以及基站，所述移动终端和基站均与遥控装置连接，所述基站用于接收卫星数据将观测值与已知位置数据进行对比获得差分数据通过遥控装置发送至定位模块；所述移动终端用于通过遥控装置进行飞行数据的上传和保存。
进一步地，所述无人机系统还包括控制模块，所述控制模块均与定位模块、通讯模块和云台相机连接，用于通过获取定位模块提供的位置数据辅助飞控模块实现对多轴无人机飞行状态的控制，以及通过获取移动终端发送的云台朝向数据对云台相机实施控制。
进一步地，所述无人机系统还包括双目避障模块，所述双目避障模块与飞控模块连接用于障碍物距离的测量。
进一步地，所述无人机系统还包括用于存储拍摄结果的数据存储模块，所述数据存储模块与云台相机和通讯模块连接。
进一步地，所述定位模块包括双天线RTK定位模块，所述基站包括RTK基站，所述通信模块包括图传模块。
进一步地，所述多轴无人机采用四轴无人机，所述云台相机挂载在四轴无人机的机身底部且采用三轴云台。
一种基于多轴无人机的机械设备巡检系统的巡检方法，包括以下步骤：
(1)对机械设备的结构进行划分，确定划分后机械设备每个区域的中心点，生成对应的机械设备的坐标系进行存储；
(2)通过移动终端将机械设备的坐标系形成示教指导航点；
(3)将多轴无人机对机械设备进行位置标定，记录标定位置的GNSS坐标；
(4)移动终端按照标定位置的GNSS坐标将机械设备的坐标系转化为无人机飞行使用的航点坐标系，然后通过遥控装置将转换后的第一个区域的航点坐标系上传至无人机，飞控模块控制无人机自动飞行到达对应航点；
(5)将多轴无人机操纵至拍摄位置，通过云台相机对机械设备的结构进行拍摄；
(6)当多轴无人机完成第一个区域的拍摄时，移动终端通过遥控装置上传下个区域的航点坐标系，完成机械设备的示教作业。
进一步地，所述步骤(5)示教时，所述无人机系统还包括控制模块，所述控制模块均与定位模块、通讯模块和云台相机连接，用于获取定位模块的实时位置数据，通过通信模块发送给移动终端，使移动终端能够记录用户操作时无人机的准确位置，所述控制模块还能够获取移动终端发送的云台朝向数据对云台相机进行控制。
进一步地，所述无人机系统还包括双目避障模块，所述飞控模块使用移动终端上传的航点坐标系控制无人机飞行时，所述飞控模块同时接受接收双目避障模块的障碍物距离的测量数据，用于防止无人机与机械设备发生碰撞；所述双目避障模块与飞控模块连接。
有益效果：与现有技术相比，本发明首先通过无人机系统和无人机指挥系统能够通过无人机指挥系统控制无人机对大型设备进行VT检测，安全可靠且具有较高的自动化程度；其次通过双天线RTK定位模块和无人机的结合，能够同时解决无人机定位与定性问题；通过在飞控模块的基础上结合控制模块用于通过获取定位模块提供的位置数据辅助飞控模块实现对多轴无人机飞行状态的控制，以及通过获取移动终端发送的云台朝向数据对云台相机实施控制；通过结合双目避障模块能够实现无人机在设备周围的安全、准确飞行；本发明所述巡检方法针对相同结构形式的设备，在完成一次飞行路线设计后，用户只需对无人机进行一次标定，无人机即可自动对该设备进行VT检测，全过程自动化程度高，耗时短，安全性好，操作便捷，易于携带，能够有效解决检测人员的数据采集需求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本实施例提供的一种基于多轴无人机的机械设备巡检系统的原理框图；
图2为本实施例提供的一种基于多轴无人机的机械设备巡检系统的巡检方法的流程示意图；
图3为本实施例提供的一种龙门吊的结构示意图；
图4为本实施例提供的一种控制模块及外围电路图。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
下面结合附图和实施例对本发明做进一步阐述。
实施例
一方面，参考图1，一种基于多轴无人机的机械设备巡检系统，包括无人机系统和无人机指挥系统；所述无人机系统用于对机械设备进行巡检，所述无人机系统包括多轴无人机、云台相机、定位模块、飞控模块和通讯模块，所述云台相机、定位模块和通讯模块均与飞控模块连接，所述飞控模块用于控制多轴无人机的飞行状态、云台相机的朝向与拍摄；所述通讯模块用于实现无人机系统与无人机指挥系统之间的通信以及数据的传输；所述无人机指挥系统包括用于控制多轴无人机的遥控装置、移动终端以及基站，所述移动终端和基站均与遥控装置连接，所述基站用于接收卫星数据将观测值与已知位置数据进行对比获得差分数据通过遥控装置发送至定位模块；所述移动终端用于通过遥控装置进行飞行数据的上传和保存。所述多轴无人机采用四轴无人机，所述云台相机挂载在四轴无人机的机身底部且采用三轴云台，提高云台相机的稳定性，避免外界干扰造成画面模糊的同时，为相机提供充分的指向性，以适应各种拍摄角度。本实施例所述定位模块包括双天线RTK定位模块，所述基站包括传统的RTK基站，避免现场网络不佳导致的定位问题，所述通信模块包括图传模块，用于承担所有无人机系统数据传输工作，所有无人机系统模块的数据均交由图传发送至遥控装置，遥控装置上传的数据均由图传收取并传输给无人机系统各个模块。
需要说明的是，本实施例所述无人机系统位于天空端，所述无人机指挥系统位于地面端用于指挥控制无人机系统对机械设备进行VT检测，所述无人机系统采用采用大疆创新的Matrice 210四轴无人机(以下简称无人机)作为飞行平台，本实施例所述通讯模块包括图传模块，所述图传模块和飞控模块为Matrice 210四轴无人机的自带模块，为本领域的现有技术，在本实施例中不再对其型号和电路图加以赘述。本实施例所述云台相机采用大疆创新Zenmuse X5S云台相机配合奥林巴斯M.ZUIKO DIGITAL 45mm F1.8镜头，能够实现高分辨率、高清晰度照片的采集。所述双天线RTK定位模块采用和芯星通UB4B0双天线RTK定位模块加装在无人机机身上，通过双天线RTK定位模块和无人机的结合，使得无人机能够解决传统气压计易受气体波动引发的高度漂移严重，同时提高原有GNSS的位置定位精度，使航线飞行更准确，基于RTK高精度的特点，采用双天线技术，能够进行精确方向定位，有效避免了指南针易受金属结构磁场的影响，能够同时解决无人机定位与定性问题。本实施例所述遥控装置与Matrice 210四轴无人机相适配，为本领域的现有技术，在本实施例中作为数据链路使用，用于传输航线数据、RTK数据、获取无人机实时状态以及用于突发情况下对无人机进行回收，本实施例所述移动终端包括手机、IPad以及笔记本，用于记录、编制航线、显示无人机的实时状态。
进一步地，参考图1和图4，所述无人机系统还包括控制模块，所述控制模块均与定位模块、通讯模块和云台相机连接，用于通过获取定位模块提供的位置数据辅助飞控模块实现对多轴无人机飞行状态的控制，以及通过获取移动终端发送的云台朝向数据对云台相机实施控制。
进一步地，参考图1，所述无人机系统还包括双目避障模块，所述双目避障模块与飞控模块连接用于障碍物距离的测量，用于防止无人机与大型机械结构发生碰撞，实现无人机在设备周围的安全、准确飞行。本实施例所述双目避障模块为Matrice 210四轴无人机的自带模块，为本领域的现有技术，在本实施例中不再对其型号和电路图加以赘述，双目避障模块通过双摄像头进行障碍物距离测量，测量结果提交飞控模块。
进一步地，参考图1，所述无人机系统还包括用于存储拍摄结果的数据存储模块，所述数据存储模块与云台相机和通讯模块连接，所述数据存储模块包括TF卡，所述TF卡在飞行过程中用于存储拍摄结果，降落后，图传模块将从TF卡中提取这些照片发送至移动终端，由移动终端完成归类整理。
另一方面，参考图1和图2，一种基于多轴无人机的机械设备巡检系统的巡检方法，包括以下步骤：
(1)对机械设备的结构进行划分，确定划分后机械设备每个区域的中心点，生成对应的机械设备的坐标系进行存储；
(2)通过移动终端将机械设备的坐标系形成示教指导航点；
(3)将多轴无人机对机械设备进行位置标定，记录标定位置的GNSS坐标；
(4)移动终端按照标定位置的GNSS坐标将机械设备的坐标系转化为无人机飞行使用的航点坐标系，然后通过遥控装置将转换后的第一个区域的航点坐标系上传至无人机，飞控模块控制无人机自动飞行到达对应航点；
(5)将多轴无人机操纵至拍摄位置，通过云台相机对机械设备的结构进行拍摄；
(6)当多轴无人机完成第一个区域的拍摄时，移动终端通过遥控装置上传下个区域的航点坐标系，完成机械设备的示教作业。
进一步地，参考图2，所述步骤(5)示教时，所述无人机系统还包括控制模块，所述控制模块均与定位模块、通讯模块和云台相机连接，用于获取定位模块的实时位置数据，通过通信模块发送给移动终端，使移动终端能够记录用户操作时无人机的准确位置，所述控制模块还能够获取移动终端发送的云台朝向数据对云台相机进行控制。
进一步地，参考图2，所述无人机系统还包括双目避障模块，所述飞控模块使用移动终端上传的航点坐标系控制无人机飞行时，所述飞控模块同时接受接收双目避障模块的障碍物距离的测量数据，用于防止无人机与机械设备发生碰撞；所述双目避障模块与飞控模块连接。
下面结合具体的待检测的机械设备对巡检方法做进一步阐述。
参考图2和图3，针对龙门吊进行VT检测，内业人员根据设计图纸对龙门吊结构上所需进行VT检测的位置进行分级、分区，对龙门吊按照结构节点形式分成一定数量的区域，所有飞行作业均以区域为单位，方便数据存储与管理；当结构划分完毕后，按照设计图纸，确定每个区域中心点，所有坐标点按照设备自身坐标系生成，数据按设备存储在服务器内，当数据准备完毕后，外业人员在移动终端上下载这些数据，移动终端将按一定规则向外侧偏移形成示教指导航点，以龙门吊为例，沿行走机构轨道方向向吊机外侧偏移5米，然后携带地面端与天空端设备到现场，基于一定规则将天空端无人机放置在设备周围3-4个位置进行标定，以龙门吊为例，沿行走机构轨道方向各个外轮缘向吊机外侧10米作为标定点，记录这些位置的GNSS坐标，移动终端按照标定位置的GNSS坐标将机械设备坐标系转为无人机飞行使用的航点WGS84坐标系，而后通过遥控装置将转换后的示教指导航点坐标系分区域上传至无人机，无人机在飞控模块的控制下将自动飞行到达对应航点，到达后控制权转交外业人员，外业人员将无人机操纵飞行至拍摄位置，对龙门吊结构进行拍摄，RTK的位置信息由控制模块进行采集，通过图传模块回传至移动终端，云台数据由飞控模块通过图传模块回传至移动终端，最终由移动终端进行整理并保存，当外业人员完成一个区域后，移动终端将上传下一个区域的飞行数据，无人机将自动飞至下一个区域，以此例推，当外业人员完成该设备的示教作业后，移动终端将所有航点数据转换为设备坐标系下的空间点上传至服务器保存。当示教数据准备完毕后，其他外业人员可在移动终端上下载这些数据，然后携带地面端与天空端设备到达检测现场，由于设备不同位置保养周期不同，外业人员可根据需求选择相应的区域组成不同的检测航线，当天空端完成标定后(方法类似示教)，终端将把航线信息上传至飞控模块与控制模块，飞控模块将控制无人机飞行至相应示教位置，控制模块制镜头朝向，确保无人机精确复现示教航线，拍摄的照片存放在机载TF卡中，整个检测飞行过程无需人员干预，飞行作业结束后，移动终端将通过图传下载TF卡中的检测照片，按照区域的分类进行上传，后端按设备编号、任务时间、区域等信息将照片进行分类存储管理。数据采集完毕后，内业人员在前端界面中选取所需照片对该设备进行检测，给出处理意见以供后续工作。需要说明的是，实际使用时，由于机械设备具有量产的特点，当一台设备完成示教后，同型设备均可使用该数据。
需要说明的是，本实施例移动终端按照标定位置的GNSS坐标将机械设备坐标系转为无人机飞行使用的航点WGS84坐标系，具体的，坐标系转换是将机械设备设计图纸中的以机械上或附件的某处为原点，按结构主朝向制定的三维笛卡尔(Cartesian)坐标系转为NED(North East Down)坐标系，然后再将NED坐标系转为WGS84(World Geodetic System1984)坐标系，所述GNSS数据采用的坐标系即为WGS84坐标系。
本发明所述巡检系统针对机械设备(如桥吊、卸船机、龙门吊等)的结构外表面VT(Visual Testing，目视检测)需求，采用四轴无人机结合RTK(Real-time kinematic，实时动态载波相位差分技术)定位技术，结合双目视觉避障技术，可实现无人机在设备周围的安全、准确飞行；同时，通过在无人机上搭载高分辨率云台相机，可实现高分辨率、高清晰度照片的采集，本发明针对相同结构形式的设备，在完成一次飞行路线设计后，用户只需对无人机进行一次标定，无人机即可自动对该设备进行VT检测。综上所述本发明全过程自动化程度高，耗时短，安全性好，操作便捷，易于携带，能够有效解决检测人员的数据采集需求。
以上是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种基于多轴无人机的机械设备巡检系统，其特征在于：包括无人机系统和无人机指挥系统；所述无人机系统用于对机械设备进行巡检，所述无人机系统包括多轴无人机、云台相机、定位模块、飞控模块和通讯模块，所述云台相机、定位模块和通讯模块均与飞控模块连接，所述飞控模块用于控制多轴无人机的飞行状态、云台相机的朝向与拍摄；所述通讯模块用于实现无人机系统与无人机指挥系统之间的通信以及数据的传输；所述无人机指挥系统包括用于控制多轴无人机的遥控装置、移动终端以及基站，所述移动终端和基站均与遥控装置连接，所述基站用于接收卫星数据将观测值与已知位置数据进行对比获得差分数据通过遥控装置发送至定位模块；所述移动终端用于通过遥控装置进行飞行数据的上传和保存。
2.根据权利要求1所述的一种基于多轴无人机的机械设备巡检系统，其特征在于：所述无人机系统还包括控制模块，所述控制模块均与定位模块、通讯模块和云台相机连接，用于通过获取定位模块提供的位置数据辅助飞控模块实现对多轴无人机飞行状态的控制，以及通过获取移动终端发送的云台朝向数据对云台相机实施控制。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于多轴无人机的机械设备巡检系统，其特征在于：所述无人机系统还包括双目避障模块，所述双目避障模块与飞控模块连接用于障碍物距离的测量。
4.根据权利要求1所述的一种基于多轴无人机的机械设备巡检系统，其特征在于：所述无人机系统还包括用于存储拍摄结果的数据存储模块，所述数据存储模块与云台相机和通讯模块连接。
5.根据权利要求1所述的一种基于多轴无人机的机械设备巡检系统，其特征在于：所述定位模块包括双天线RTK定位模块，所述基站包括RTK基站，所述通信模块包括图传模块。
6.根据权利要求1所述的一种基于多轴无人机的机械设备巡检系统，其特征在于：所述多轴无人机采用四轴无人机，所述云台相机挂载在四轴无人机的机身底部且采用三轴云台。
7.一种如权利要求1所述的基于多轴无人机的机械设备巡检系统的巡检方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)对机械设备的结构进行划分，确定划分后机械设备每个区域的中心点，生成对应的机械设备的坐标系进行存储；
(2)通过移动终端将机械设备的坐标系形成示教指导航点；
(3)将多轴无人机对机械设备进行位置标定，记录标定位置的GNSS坐标；
(4)移动终端按照标定位置的GNSS坐标将机械设备的坐标系转化为无人机飞行使用的航点坐标系，然后通过遥控装置将转换后的第一个区域的航点坐标系上传至无人机，飞控模块控制无人机自动飞行到达对应航点；
(5)将多轴无人机操纵至拍摄位置，通过云台相机对机械设备的结构进行拍摄；
(6)当多轴无人机完成第一个区域的拍摄时，移动终端通过遥控装置上传下个区域的航点坐标系，完成机械设备的示教作业。
8.根据权利要求7所述的一种基于多轴无人机的机械设备巡检系统的巡检方法，其特征在于：所述步骤(5)示教时，所述无人机系统还包括控制模块，所述控制模块均与定位模块、通讯模块和云台相机连接，用于获取定位模块的实时位置数据，通过通信模块发送给移动终端，使移动终端能够记录用户操作时无人机的准确位置，所述控制模块还能够获取移动终端发送的云台朝向数据对云台相机进行控制。
9.根据权利要求7所述的一种基于多轴无人机的机械设备巡检系统的巡检方法，其特征在于：所述无人机系统还包括双目避障模块，所述飞控模块使用移动终端上传的航点坐标系控制无人机飞行时，所述飞控模块同时接受接收双目避障模块的障碍物距离的测量数据，用于防止无人机与机械设备发生碰撞；所述双目避障模块与飞控模块连接。
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