CN108681337B - 一种涵洞或桥梁专用巡查无人机及无人机巡查方法 - Google Patents

一种涵洞或桥梁专用巡查无人机及无人机巡查方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种涵洞或桥梁专用巡查无人机，具有实时观测、调查和监测的能力，具有程控、遥控和自主三种控制模式，包括：动力装置及飞行控制系统(1)，用于无人机的飞行控制与设备任务管理；遥感摄像系统(2)，通过机上搭载的高精度数码成像设备，获得高度清晰的空间分辨率达到分米级的遥感影像；超声波防撞系统(3)，防止在可见度较低环境下发生与障碍物的碰撞；视觉定位系统(4)，采用摄像机系统实时给无人机定位；以及信号传输系统(5)，将所采集的影像数据以及导航数据信号进行传输用于后续处理。还提供了相应无人机的巡查方法，利用超声系统自动避障，摄像系统实时定位，解决涵洞及大型桥梁内部GPS信号无法接收的问题。

Description

一种涵洞或桥梁专用巡查无人机及无人机巡查方法
技术领域
本发明涉及无人机领域，特别是涉及涵洞或桥梁专用巡查无人机及无人机巡查方法。
背景技术
随着中国经济的快速发展，城市化进程不断加快，涵洞或桥梁的建设取得了快速发展，并且大量新型涵洞或桥梁不断涌现，按照《城市桥梁养护技术规范》要求日常巡检及桥梁预防性养护的工作量成倍增长，工作强度、难度、危险性也大幅度提高，涵洞或桥梁的检测项目、检测频率、作业高度增加，对城市桥梁的日常巡检工作提出了新的要求。传统的涵洞或桥梁巡检工作需要配备2-3名具有一定桥梁专业技术知识、病害分析能力和照相技术的工作人员，配备钢直尺、卷尺、放大镜、望远镜、手电筒、记号笔、数码相机等设备。涵洞或桥梁如果属于大中型桥梁或跨河桥等需要安排专业车辆和传播以及专业设备的操作人员若干人。目前无人机技术也迅猛发展，一台配备齐全的旋翼之声无人机，只需要一名操作员和一名辅助工作人员就可以完成近10人的工作量，而且无人机无需专门的场地，准备时间在10分钟以内就可以组装调试完成起飞准备，比起大型专业设备有很大的优势。尤其在很多涵洞和大型桥梁巡查中，涵洞和桥梁顶部环境和条件限制，人力往往难以达到，同时在涵洞及大型桥梁里面是无法接收GPS信号从而无法对无人机进行精确定位的，因此，设计一款专用于涵洞或桥梁巡查的无人机是很有必要的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种涵洞或桥梁专用巡查无人机，具有实时观测、调查和监测的能力，具有程控、遥控和自主三种控制模式，包括：
动力装置及飞行控制系统(1)，用于无人机的飞行控制与设备任务管理；
遥感摄像系统(2)，通过机上搭载的高精度数码成像设备，获得高度清晰的空间分辨率达到分米级的遥感影像；
超声波防撞系统(3)，防止无人机在可见度较低环境下发生与障碍物的碰撞；
视觉定位系统(4)，采用摄像机系统实时给无人机定位；以及
信号传输系统(5)，将所采集的影像数据以及导航数据信号进行传输用于后续处理。
优选的，所述涵洞或桥梁专用巡查无人机还包括方向舵和升降舵。
优选的，所述动力装置及飞行控制系统(1)包括相互连接的任务设备控制计算机、地面检测及数据装定接口、转速传感器、遥测发射机、遥控接收及、磁航向传感器、气压高度表、垂直陀螺、GPS导航定位系统、升降舵机控制系统、副翼舵机、油门舵机、伞控制机构以及电源管理系统，从而实现对无人机的姿态、高度、速度、航向、航线的有效控制，为无人机提供动力。
优选的，所述超声波防撞系统(3)具有前，后，左，右，上共5套超声波系统，分别检测不同方位的障碍物，并将障碍物与无人机之间的距离信息实时通过信号传输系统(5)传送回动力装置及飞行控制系统(1)进行处理，获得实时飞行路径，并指挥无人机的飞行路径。
优选的，所述遥感摄像系统(2)包括：
定向模块，用于通过调入系统的工程文件使用影像匹配技术对影像进行内定向、相对定向和绝对定向，所述影像匹配技术包括：使用影像金字塔分级进行特征匹配，提取多个运算的定向点和连接点，进行平差计算，重复多次从而获得多个匹配的同名点；通过人际交互测量控制点的像点坐标，以及控制点坐标进行涵洞或桥梁测区的绝对定向；
全自动空中三角模块，全自动完成涵洞或桥梁所有模型的相对定向；
空中三角测量计算模块，用于进行光束法区域网平差计算、自由区域网光束法平差计算以及基于扶助数据的光束法区域网平差计算，所使用的数据文件包括：区域网平差的配置文件，外方位元素文件，连接点和控制点三维坐标文件，像点坐标残差文件，空中三角结果文件以及PatB格式的空中三角结果文件；
数字涵洞或桥梁模型模块，所述模型包括等高线模型、规则网格模型和不规则三角模型，所述数字涵洞或桥梁模型模块以全自动匹配的特征点及经过空中三角计算并剔除粗差后的离散定向点为基础，建立内差规则网以及数字涵洞或桥梁高程模型；
数字涵洞或桥梁正射影像模块，用于根据生成的数字涵洞或桥梁模型，以及空中三角测量的结果进行微分纠正，声称正射影像模块；以及
DLG模块，用于在生成核线影像的基础上通过立体模型量测地物特征；或者利用高精度的影像匹配技术，在原始影像上进行量测。
优选的，所述空中三角测量计算模块执行的计算方法如下：
(1)进行数据准备；
(2)创建模型间拓扑关系并产生空间三角批处理数据；
(3)进行全自动内定向；
(4)涵洞或桥梁航带间首尾两端及中间影像间连接点半自动提取；
(5)单航带内定向点的全自动提取；
(6)检查单航带内自动提取的定向点数域及分布情况是否合理，不合理则返回步骤(5)，合理则继续进行步骤(7)；
(7)单航带自由网平差并剔除粗差；
(8)检查单航带内自动提取的定向点数量及分布情况是否合理，不合理则返回步骤(5)，合理则继续进行步骤(9)；
(9)单航带间的初始连接形成初始整体区域网；
(10)航带间所有影像进行全自动连接点的提取；
(11)整个区域的自由网平差并剔除粗差；
(12)在区域网四周找4个以上控制点并从相应影像上量测它们的像点坐标；
(13)整个区域网做绝对定向；
(14)根据绝对定向结果全自动量测所有控制点在所有影像上的影像坐标；
(15)整个区域网光束法平差并剔除粗差。
优选的，所述视觉定位系统(4)包括摄像机系统，所述摄像机系统采用两个单元，一个单元正视前方，另一个单元可180度范围内进行角度调整，两个单元采集的图像可以实时传输到地面站，工作人员根据图像确定无人机的位置并进行后续处理。
本发明的目的还在于提供一种涵洞或桥梁专用巡查无人机的巡查方法，包括：
(1)拥有涵洞或桥梁专用无人机的单位以及涵洞或桥梁的直属用户单位共同查明飞行任务；
(2)进行航线设计；
(3)进行飞行前实地勘察；
(4)航摄飞行获取数据；
(5)装载系统及相机标定后进行航摄数据检查，检查是否满足要求补测，不满足要求返回步骤(4)继续获取航摄飞行数据，满足要求则继续进行步骤(6)；
(6)影像数据各航线数据报表成果提交并进行后续的计算处理。
本发明的无人机可以实现的功能包括：
1、自动内定向：自动识别影像框标以及计算内定向参数；基于高精度、高可靠性的影像匹配技术自动转刺加密点；半自动或手工量测控制点，支持单像和立体两种量测模式，支持自动匹配以加快控制点的量测过程；支持在单像和立体两种量测模式下编辑加密点：包括删除、移动点位和微调点位；自动生成数字涵洞或桥梁模型和数字涵洞或桥梁正射影像模块；生成数字线画图DLG。
2、高精度相机检校，使得非量测的普通数码相机畸变量缩小到0.2-0.3个像元以内，满足涵洞或桥梁大比例尺测图的要求；
3、利用超声系统自动避障，避障率达到100％；
4、采用摄像系统实时定位，解决涵洞及大型桥梁内部GPS信号无法接收的问题。
根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。
附图说明
后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。本发明的目标及特征考虑到如下结合附图的描述将更加明显，附图中：
附图1为根据本发明实施例的涵洞或桥梁专用巡查无人机结构示意图；
附图2为根据本发明实施例的涵洞或桥梁专用巡查无人机动力装置及飞行控制系统组成结构示意图；
附图3为根据本发明实施例的空中三角测量计算方法流程图；
附图4为根据本发明实施例的涵洞或桥梁专用巡查无人机进行某区域多个涵洞的实地测量的基本作业流程图。
具体实施方式
参见图1，本实施例的涵洞或桥梁专用巡查无人机，具有实时观测、调查和监测的能力，具有程控、遥控和自主三种控制模式，包括：动力装置及飞行控制系统(1)，用于无人机的飞行控制与设备任务管理；遥感摄像系统(2)，包括：定向模块，用于通过调入系统的工程文件使用影像匹配技术对影像进行内定向、相对定向和绝对定向，所述影像匹配技术包括：使用影像金字塔分级进行特征匹配，提取多个运算的定向点和连接点，进行平差计算，重复多次从而获得多个匹配的同名点；通过人际交互测量控制点的像点坐标，以及控制点坐标进行涵洞或桥梁测区的绝对定向；全自动空中三角模块，全自动完成涵洞或桥梁所有模型的相对定向；空中三角测量计算模块，用于进行光束法区域网平差计算、自由区域网光束法平差计算以及基于扶助数据的光束法区域网平差计算，所使用的数据文件包括：区域网平差的配置文件，外方位元素文件，连接点和控制点三维坐标文件，像点坐标残差文件，空中三角结果文件以及PatB格式的空中三角结果文件；数字涵洞或桥梁模型模块，所述模型包括等高线模型、规则网格模型和不规则三角模型，所述数字涵洞或桥梁模型模块以全自动匹配的特征点及经过空中三角计算并剔除粗差后的离散定向点为基础，建立内差规则网以及数字涵洞或桥梁高程模型；数字涵洞或桥梁正射影像模块，用于根据生成的数字涵洞或桥梁模型，以及空中三角测量的结果进行微分纠正，声称正射影像模块；以及DLG模块，用于在生成核线影像的基础上通过立体模型量测地物特征；或者利用高精度的影像匹配技术，在原始影像上进行量测，通过机上搭载的高精度数码成像设备，获得高度清晰的空间分辨率达到分米级的遥感影像；超声波防撞系统(3)，具有前，后，左，右，上共5套超声波系统，分别检测不同方位的障碍物，并将障碍物与无人机之间的距离信息实时通过信号传输系统(5)传送回动力装置及飞行控制系统(1)进行处理，获得实时飞行路径，并指挥无人机的飞行路径，防止无人机在可见度较低环境下发生与障碍物的碰撞；视觉定位系统(4)，包括摄像机系统，所述摄像机系统采用两个单元，一个单元正视前方，另一个单元可180度范围内进行角度调整，两个单元采集的图像可以实时传输到地面站，工作人员根据图像确定无人机的位置并进行后续处理；信号传输系统(5)，将所采集的影像数据以及导航数据信号进行传输用于后续处理，以及方向舵和升降舵。
参见图2，动力装置及飞行控制系统(1)包括相互连接的任务设备控制计算机、地面检测及数据装定接口、转速传感器、遥测发射机、遥控接收及、磁航向传感器、气压高度表、垂直陀螺、GPS导航定位系统、升降舵机控制系统、副翼舵机、油门舵机、伞控制机构以及电源管理系统，从而实现对无人机的姿态、高度、速度、航向、航线的有效控制，为无人机提供动力。
参见图3，空中三角测量计算模块执行的计算方法如下：
(1)进行数据准备；
(2)创建模型间拓扑关系并产生空间三角批处理数据；
(3)进行全自动内定向；
(4)涵洞或桥梁航带间首尾两端及中间影像间连接点半自动提取；
(5)单航带内定向点的全自动提取；
(6)检查单航带内自动提取的定向点数域及分布情况是否合理，不合理则返回步骤(5)，合理则继续进行步骤(7)；
(7)单航带自由网平差并剔除粗差；
(8)检查单航带内自动提取的定向点数量及分布情况是否合理，不合理则返回步骤(5)，合理则继续进行步骤(9)；
(9)单航带间的初始连接形成初始整体区域网；
(10)航带间所有影像进行全自动连接点的提取；
(11)整个区域的自由网平差并剔除粗差；
(12)在区域网四周找4个以上控制点并从相应影像上量测它们的像点坐标；
(13)整个区域网做绝对定向；
(14)根据绝对定向结果全自动量测所有控制点在所有影像上的影像坐标；
(15)整个区域网光束法平差并剔除粗差。
参见图4，采用该无人机进行某区域多个涵洞的实地测量，基本作业流程包括：
(1)拥有涵洞或桥梁专用无人机的单位以及涵洞或桥梁的直属用户单位共同查明飞行任务；
(2)进行航线设计；
(3)进行飞行前实地勘察；
(4)航摄飞行获取数据；
(5)装载系统及相机标定后进行航摄数据检查，检查是否满足要求补测，不满足要求返回步骤(4)继续获取航摄飞行数据，满足要求则继续进行步骤(6)；
(6)影像数据各航线数据报表成果提交并进行后续的计算处理。
本实施例的无人机可以实现的功能包括：
1、自动内定向：自动识别影像框标以及计算内定向参数；基于高精度、高可靠性的影像匹配技术自动转刺加密点；半自动或手工量测控制点，支持单像和立体两种量测模式，支持自动匹配以加快控制点的量测过程；支持在单像和立体两种量测模式下编辑加密点：包括删除、移动点位和微调点位；自动生成数字涵洞或桥梁模型和数字涵洞或桥梁正射影像模块；生成数字线画图DLG。
2、高精度相机检校，使得非量测的普通数码相机畸变量缩小到0.2-0.3个像元以内，满足涵洞或桥梁大比例尺测图的要求；
3、利用超声系统自动避障，避障率达到100％；
4、采用摄像系统实时定位，解决涵洞及大型桥梁内部GPS信号无法接收的问题。
虽然本发明已经参考特定的说明性实施例进行了描述，但是不会受到这些实施例的限定而仅仅受到附加权利要求的限定。本领域技术人员应当理解可以在不偏离本发明的保护范围和精神的情况下对本发明的实施例能够进行改动和修改。

Claims (7)

1.一种涵洞或桥梁专用巡查无人机，具有实时观测、调查和监测的能力，具有程控、遥控和自主三种控制模式，其特征在于包括：
动力装置及飞行控制系统(1)，用于无人机的飞行控制与设备任务管理；
遥感摄像系统(2)，通过机上搭载的高精度数码成像设备，获得高度清晰的空间分辨率达到分米级的遥感影像；所述遥感摄像系统(2)包括：
定向模块，用于通过调入系统的工程文件使用影像匹配技术对影像进行内定向、相对定向和绝对定向，所述影像匹配技术包括：使用影像金字塔分级进行特征匹配，提取多个运算的定向点和连接点，进行平差计算，重复多次从而获得多个匹配的同名点；通过人际交互测量控制点的像点坐标，以及控制点坐标进行涵洞或桥梁测区的绝对定向；
全自动空中三角模块，全自动完成涵洞或桥梁所有模型的相对定向；
空中三角测量计算模块，用于进行光束法区域网平差计算、自由区域网光束法平差计算以及基于扶助数据的光束法区域网平差计算，所使用的数据文件包括：区域网平差的配置文件，外方位元素文件，连接点和控制点三维坐标文件，像点坐标残差文件，空中三角结果文件以及PatB格式的空中三角结果文件；
数字涵洞或桥梁模型模块，所述模型包括等高线模型、规则网格模型和不规则三角模型，所述数字涵洞或桥梁模型模块以全自动匹配的特征点及经过空中三角计算并剔除粗差后的离散定向点为基础，建立内差规则网以及数字涵洞或桥梁高程模型；
数字涵洞或桥梁正射影像模块，用于根据生成的数字涵洞或桥梁模型，以及空中三角测量的结果进行微分纠正，生成正射影像模块；以及
DLG模块，用于在生成核线影像的基础上通过立体模型量测地物特征；或者利用高精度的影像匹配技术，在原始影像上进行量测；
超声波防撞系统(3)，防止无人机在可见度较低环境下发生与障碍物的碰撞；
视觉定位系统(4)，采用摄像机系统实时给无人机定位；以及
信号传输系统(5)，将所采集的影像数据以及导航数据信号进行传输用于后续处理。
2.根据权利要求1所述的一种涵洞或桥梁专用巡查无人机，其特征在于：所述涵洞或桥梁专用巡查无人机还包括方向舵和升降舵。
3.根据权利要求1所述的一种涵洞或桥梁专用巡查无人机，其特征在于：所述动力装置及飞行控制系统(1)包括相互连接的任务设备控制计算机、地面检测及数据装定接口、转速传感器、遥测发射机、遥控接收及、磁航向传感器、气压高度表、垂直陀螺、GPS导航定位系统、升降舵机控制系统、副翼舵机、油门舵机、伞控制机构以及电源管理系统，从而实现对无人机的姿态、高度、速度、航向、航线的有效控制，为无人机提供动力。
4.根据权利要求1所述的一种涵洞或桥梁专用巡查无人机，其特征在于：所述超声波防撞系统(3)具有前，后，左，右，上共5套超声波系统，分别检测不同方位的障碍物，并将障碍物与无人机之间的距离信息实时通过信号传输系统(5)传送回动力装置及飞行控制系统(1)进行处理，获得实时飞行路径，并指挥无人机的飞行路径。
5.根据权利要求1所述的一种涵洞或桥梁专用巡查无人机，其特征在于：所述空中三角测量计算模块执行的计算方法如下：
(1)进行数据准备；
(2)创建模型间拓扑关系并产生空间三角批处理数据；
(3)进行全自动内定向；
(4)涵洞或桥梁航带间首尾两端及中间影像间连接点半自动提取；
(5)单航带内定向点的全自动提取；
(6)检查单航带内自动提取的定向点数域及分布情况是否合理，不合理则返回步骤(5)，合理则继续进行步骤(7)；
(7)单航带自由网平差并剔除粗差；
(8)检查单航带内自动提取的定向点数量及分布情况是否合理，不合理则返回步骤(5)，合理则继续进行步骤(9)；
(9)单航带间的初始连接形成初始整体区域网；
(10)航带间所有影像进行全自动连接点的提取；
(11)整个区域的自由网平差并剔除粗差；
(12)在区域网四周找4个以上控制点并从相应影像上量测它们的像点坐标；
(13)整个区域网做绝对定向；
(14)根据绝对定向结果全自动量测所有控制点在所有影像上的影像坐标；
(15)整个区域网光束法平差并剔除粗差。
6.根据权利要求1所述的一种涵洞或桥梁专用巡查无人机，其特征在于：所述视觉定位系统(4)包括摄像机系统，所述摄像机系统采用两个单元，一个单元正视前方，另一个单元可180度范围内进行角度调整，两个单元采集的图像可以实时传输到地面站，工作人员根据图像确定无人机的位置并进行后续处理。
7.一种涵洞或桥梁专用巡查无人机的巡查方法，使用如权利要求1-6任一所述的涵洞或桥梁专用巡查无人机，其特征在于包括：
(1)拥有涵洞或桥梁专用无人机的单位以及涵洞或桥梁的直属用户单位共同查明飞行任务；
(2)进行航线设计；
(3)进行飞行前实地勘察；
(4)航摄飞行获取数据；
(5)装载系统及相机标定后进行航摄数据检查，检查是否满足要求补测，不满足要求返回步骤(4)继续获取航摄飞行数据，满足要求则继续进行步骤(6)；
(6)影像数据各航线数据报表成果提交并进行后续的计算处理。
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