CN109739261A - 一种燃气泄漏无人机巡检装置及其飞行控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种燃气泄漏无人机巡检装置，包括无人机、燃气泄漏测量主控板、无人机自动驾驶仪、多轴稳定平台和激光甲烷传感器，所述激光甲烷传感器安装于多轴稳定平台上，多轴稳定平台安装在无人机下方；所述燃气泄漏测量主控板和无人机自动驾驶仪安装在无人机的内部；所述燃气泄漏测量主控板根据待巡检燃气管线的路线坐标信息和无人机GPS位置信息，通过无人机自动驾驶仪进行无人机的阶段性飞行轨迹控制，通过向多轴稳定平台发送控制指令实现对激光甲烷传感器的扫描轨迹的控制。为了基于激光遥测技术的燃气泄漏无人机巡检技术提供了燃气泄漏测量装置、风修正下的条带状目标扫描覆盖方法、复杂地形和多障碍物环境下的飞行优化包线。

Description

一种燃气泄漏无人机巡检装置及其飞行控制方法

技术领域

本发明属于燃气泄漏巡检技术领域，尤其是涉及一种燃气泄漏无人机巡检装置及其飞行控制方法。

背景技术

随着城市化的不断推进，燃气作为绿色环保的清洁能源，对人类生活的 影响日益增大，燃气事业也迎来了快速发展的机会。然而在发展的同时，隐 患与危机也逐步显现，燃气管网泄漏造成的损害范围大，后果严重。据统计 输运过程中泄漏量约为10％，不仅造成直接经济损失，也成为巨大安全威胁。

目前燃气公司对管线的维护工作主要依靠人工日常巡检，工作人员配备相应的手持巡检设备，通过步行或开车的方式来进行燃气管线巡检，巡检结果的统计主要依靠工作人员记录在纸质巡检记录表上的数据，保证数据的完整性和准确性需要较多时间和心思。完成一次巡检任务需要花费较多人力、物力和时间。人工巡检过程中工作人员必须保持通讯工具畅通，确保随时随地进行联系，以此来判断巡检人员的位置及安全状况，然而在恶劣环境、燃气泄漏未知的情况下，工作人员对管线进行巡检时，也存在一定程度的安全隐患。

使用无人机搭载激光甲烷遥测仪和可见光吊舱构成遥感系统。搭载激光甲烷遥测仪的无人机可对测量或泄露区域进行扫描，测量甲烷浓度，生成甲烷浓度的实时电子地图，及时处理紧急情况等。搭载的光学吊舱的无人机在需要观测的管线上方飞行，以自上而下的开阔视角通过实时高清图像系统进行现场观测，与地面观测一道形成一个无死角的观测形式，同时拍摄照片或视频，照片自动记录位置信息，可进行后处理或存档；因此无人机系统在燃气管线巡检中具有独特的优势：(1)巡检过程自动化；(2)数字化信息丰富、精确；(3)智能软件实时绘制泄露浓度电子地图。

但是，存在问题在于机载远距离高灵敏度激光甲烷遥测技术，需要利用谐激光吸收光谱技术，如何形成面向管线条带目标的扫描测量覆盖方案和适距飞行方案。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种燃气泄漏无人机巡检装置，实现可靠高效的动平台下管线条带区域扫描测量，形成新的机载扫描方案。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种燃气泄漏无人机巡检装置，包括无人机、燃气泄漏测量主控板、无人机自动驾驶仪、多轴稳定平台和激光甲烷传感器，所述激光甲烷传感器安装于多轴稳定平台上，多轴稳定平台安装在无人机下方；所述燃气泄漏测量主控板和无人机自动驾驶仪安装在无人机的内部；所述燃气泄漏测量主控板根据内置的待巡检燃气管线的路线坐标信息和无人机自动驾驶仪提供的无人机GPS位置信息，通过无人机自动驾驶仪进行无人机的阶段性飞行轨迹控制，通过向多轴稳定平台发送控制指令实现对激光甲烷传感器的扫描轨迹的控制。

进一步的，还包括风向风速仪，风向风速仪安装在无人机的上方，提供风向风速数据给所述燃气泄漏测量主控板，燃气泄漏测量主控板根据风向风速数据对扫描轨迹进行修正。

本发明另一个要解决的问题是提供上述燃气泄漏无人机巡检装置的飞行控制方法，包括如下内容：

基于多轴稳定平台实现激光甲烷传感器对带状燃气管线的螺旋线状扫描轨迹，螺旋线可以是由多种周期扫描曲线形成，需要周期性重复扫描管线区域，包括圆形波、椭圆形波、三角形波；

圆形的螺旋线状扫描轨迹实现方法包括：P_uav表示无人机1的位置坐标， P₀表示扫描中心的坐标，在P₀的基础上形成圆形轨迹P，圆形半径为D/2； P-Puav为激光甲烷传感器的光学轴线的指向矢量的单位向量。

进一步的，所述多轴稳定平台为二轴稳定平台或者三轴稳定平台，基于多轴稳定平台实现激光甲烷传感器对带状燃气管线的扫描轨迹控制的实现方法，包括如下内容：

1)燃气泄漏测量主控板根据内置的待巡检燃气管线的路线坐标信息计算出沿着燃气管线的扫描中心P₀，扫描中心P₀沿着燃气管线的移动速度V₉可以根据参数设置；

2)根据扫描轨迹，由指向矢量计算得到二轴稳定平台的偏航ψ、俯仰θ的角度的基准值(ψ₀，θ₀)，或者三轴稳定平台的偏航ψ、俯仰θ、滚转φ的角度的基准值(ψ₀，θ₀，φ₀)，形成螺旋线扫描轨迹；

P_uav表示无人机1的位置坐标，P₀表示扫描中心的坐标，P-Puav为激光甲烷传感器的光学轴线的指向矢量的单位向量。

进一步的，基于风向风速修正由圆形波形成的螺旋线扫描轨迹的方法，包括如下内容：

通过风向风速仪将采集的当前的风向风速V_wind数据，发送给燃气泄漏测量主控板，燃气泄漏测量主控板进行计算，根据风速数据计算新的圆形轨迹扫描半径为dD/2，dD＝D+K_wind*V_wind，K_wind是扫描半径调节参数；

扫描中心坐标P₀向外偏移dy，dy＝K_offset*V_wind，K_offset是向外偏移调节参数；偏移方向为风向在管线的下风向方向。

进一步的，基于地形和障碍物修正无人机的飞行包线。

相对于现有技术，本发明所述的装置和方法具有以下优势：

(1)本发明采用GPS平台定位和机载激光传感器安装于多轴稳定平台增稳扫描，实施平移螺旋线扫瞄，实现对条带目标的有效覆盖检测。

(2)本发明根据风修正方法、地形修正以及障碍物修正构建了飞行轨迹的偏移规划和激光扫描的偏移规划，形成支持多种平移螺线扫描以及支持不同风速下的浓度修正和飞行/扫描参数修正。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例所述燃气泄漏无人机巡检装置结构示意图；

图2为本发明实施例基于风向修正的扫描轨迹优化方案；

图3为本发明实施例基于地形修正的飞行剖面和扫描轨迹优化方案。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“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。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，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”等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。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

本发明实施例一种燃气泄漏无人机巡检装置，如图1所示，由如下部分组成：无人机1、燃气泄漏测量主控板2、无人机自动驾驶仪3、多轴稳定平台5、激光甲烷传感器6；激光甲烷传感器6安装于多轴稳定平台5上，多轴稳定平台5安装在无人机1下方；燃气泄漏测量主控板2、无人机自动驾驶仪3安装与无人机1内部。所述燃气泄漏测量主控板2根据内置的待巡检燃气管线8的路线坐标信息和无人机自动驾驶仪3提供的无人机GPS位置信息，通过无人机自动驾驶仪3进行无人机1的阶段性飞行轨迹控制，通过向多轴稳定平台5发送控制指令实现对激光甲烷传感器6的扫描轨迹的控制。

还包括风向风速仪4，风向风速仪4安装与无人机1上方。所述多轴稳定平台5为二轴稳定平台或者三轴稳定平台。

基于多轴稳定平台5实现激光甲烷传感器6对带状燃气管线的螺旋线状扫描轨迹的实现方法，包括如下内容：

其中，螺旋线可以是由多种周期扫描曲线形成，需要周期性重复扫描管线区域，如圆形波、椭圆形波、三角形波曲线等，计算方法类似，本实施例以圆形波周期曲线形成的螺旋线为例。

1)燃气泄漏测量主控板2根据内置的待巡检燃气管线8的路线坐标信息计算出沿着燃气管线8的扫描中心P₀，扫描中心P₀沿着燃气管线8的移动速度V₉可以根据参数设置；

其中，移动速度V₉是燃气泄漏检测的重要参数，速度高可以提高扫描效率，速度低可以持续慢速扫描，降低漏检率，速度为零为定点检测。

2)由指向矢量计算得到二轴稳定平台的偏航ψ、俯仰θ的角度的基准值(ψ₀，θ₀)，或者三轴稳定平台的偏航ψ、俯仰θ、滚转φ的角度的基准值(ψ₀，θ₀，φ₀)，形成螺旋线扫描轨迹，计算公式如下：

因此：二轴稳定平台偏航ψ、俯仰θ或三轴稳定平台偏航ψ、俯仰θ、滚转φ的指令为

公式中：

P_uav表示无人机1的位置坐标，P₀表示扫描中心的坐标，在P₀的基础上形成圆形轨迹P，圆形半径为D/2，D的选择需要满足能覆盖管线区域；那么激光甲烷传感器6的光学轴线的指向矢量的单位向量为P-Puav；其中ω＝2πf，f 为螺旋线的扫描频率；t为扫描时间；

上述公式中，如果采用二轴稳定平台，则滚转φ对应的滚转角指令＝0，所以三轴也可以简化为两轴，三轴效果更好。

由于风的存在，使得燃气如果泄漏时在管线两侧会形成不同的浓度区域，如图2所示，例如可能在风向11或13下，燃气团12或14在下风向方向的浓度较高，因此为提高检测灵敏度降低漏检率，需要对测量扫描轨迹进行风向风速修正，基于风向风速修正上述扫描轨迹的方法，包括如下内容：

风向风速仪4将采集的当前的风向风速V_wind数据，发送给燃气泄漏测量主控板2，燃气泄漏测量主控板2进行计算，根据风速数据计算新的圆形轨迹扫描半径为dD/2，dD＝D+K_wind*V_wind，其中，dD小于dD_MAX这个参数，K_wind是扫描半径调节参数，其他扫描轨迹计算方法类似。

扫描中心9的位置P₀，向外偏移dy。dy＝K_offset*V_wind。dy小于d_yMAX这个参数，K_offset是向外偏移调节参数。基于经过修正的P₀，按上述方法，可以得到偏移的扫描轨迹线。新的扫描线中线10向外偏离燃气管线中线16的距离为 dy。偏移方向为风向在管线的下风向方向。

如图3所述，由于实际地形和障碍物的影响，还需要对扫描轨迹进行修正，基于地形修正和障碍物修正的飞行剖面和扫描轨迹优化方法：

构建无人机1的飞行高度和偏离燃气管线8位置的探测灵敏度可行包线 18，无人机机载的泄漏检测装置要达到和手持式泄漏检测仪相同的探测灵敏度，有如下关系：

式中，S₁，R₁，P₁和S₂，R₂，P₂分别为手持式泄漏检测仪和机载泄漏检测装置的接收透镜的有效接收面积、检测仪和目标的距离、泄漏检测仪的激光功率。

设实际飞行时，无人机1(载机)离地面的高度为H，载机偏离管道的距离为d，则式(1)将修正为由式(2)推算出要达到与手持式检测仪相同的检测灵敏度：

在所携带的泄漏检测仪可探测范围内，载机偏离管线距离越小，载机的可飞行高度越高。因此，若实际检测时因地势或其他地面障碍物等的影响载机飞行高度要提高时，必须控制无人机1飞行偏离管道的距离。使得载机尽量在管线正上方飞行。

基于燃气管线途径17的高程图19，以及管线沿途的障碍物20，在无人机1的飞行高度和偏离管线位置的可行包线18内，以及激光甲烷传感器6的最大测量距离 Rmax之内，使得R<Rmax，构建最靠近燃气管线8上方的管线适距飞行剖面最优规划，因此，无人机1的激光甲烷遥测约束下的飞行优化包线25满足如下条件：

1)在燃气管线途径17的高程图19内；

2)在无人机1的飞行高度和偏离管线位置的探测灵敏度可行包线18内；

3)在最低飞行高度21以上；

4)在激光能量边界22以内，激光甲烷传感器6的最大测量距离Rmax之内，使得 R<Rmax；

5)在管线正上方线23的外侧；

6)绕开障碍物的边界24。

再上述约束条件下，构建最靠近管线上方的管线适距飞行剖面最优规划：

每一点的飞行高度为飞行优化包线25，离开管线正上方线23最近最高的点，离开管线正上方线23侧方最近的点。

因此，管线适距飞行剖面规划，形成飞行优化包线25，依据燃气管线途径17的高程、探测灵敏度可行包线、最低飞行高度、激光能量边界、绕开障碍物的边界等因素制定飞行轨迹规划，其他类似的方法都可以采用。

工作过程如下：

所述燃气泄漏测量主控板2根据无人机自动驾驶仪3提供的无人机GPS 位置信息、风向风速仪4提供的风向风速信息，以及燃气泄漏测量主控板2 内置的待巡检燃气管线8的路线坐标信息，计算形成无人机1的阶段性航路和激光甲烷传感器6的扫描轨迹；通过无人机自动驾驶仪3控制无人机1的阶段性航路，并通过多轴稳定平台5控制激光甲烷传感器6的扫描轨迹。所述激光甲烷传感器6测量甲烷浓度，并将采集的浓度信息传送给燃气泄漏测量主控板2进行后续数据处理和结果传输显示。

所述无人机自动驾驶仪3主要进行无人机1的轨迹控制，风向风速仪4 提供当前的风向风速数据。多轴稳定平台5接收燃气泄漏测量主控板2的指令，控制装在其上的激光甲烷传感器6进行姿态稳定和惯性坐标下的螺旋线状扫描，形成对于条带状燃气管线8的有效覆盖，实现高效可靠巡检。

本发明为了基于激光遥测技术的燃气泄漏无人机巡检技术提供了燃气泄漏测量装置、风修正下的条带状目标扫描覆盖方法、复杂地形和多障碍物环境下的飞行优化包线，可以提高燃气管线真实环境下的激光遥测的性能，对于远距离非接触高效燃气泄漏的新型检测装的总体设计、技术突破和装备应用是具有十分重要的意义。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种燃气泄漏无人机巡检装置，其特征在于：包括无人机、燃气泄漏测量主控板、无人机自动驾驶仪、多轴稳定平台和激光甲烷传感器，

所述激光甲烷传感器安装于多轴稳定平台上，多轴稳定平台安装在无人机下方；所述燃气泄漏测量主控板和无人机自动驾驶仪安装在无人机的内部；

所述燃气泄漏测量主控板根据待巡检燃气管线的路线坐标信息和无人机GPS位置信息，通过无人机自动驾驶仪进行无人机的阶段性飞行轨迹控制，通过向多轴稳定平台发送控制指令实现对激光甲烷传感器的扫描轨迹的控制。

2.根据权利要求1所述的一种燃气泄漏无人机巡检装置，其特征在于：还包括风向风速仪，风向风速仪安装在无人机的上方，提供风向风速数据给所述燃气泄漏测量主控板，燃气泄漏测量主控板根据风向风速数据对扫描轨迹进行修正。

3.根据权利要求1或2所述的一种燃气泄漏无人机巡检装置的飞行控制方法，其特征在于包括如下内容：基于多轴稳定平台实现激光甲烷传感器对带状燃气管线的螺旋线状扫描轨迹，螺旋线可以是由多种周期扫描曲线形成，需要周期性重复扫描管线区域，包括圆形波、椭圆形波、三角形波；

圆形的螺旋线状扫描轨迹实现方法包括：P_uav表示无人机1的位置坐标，P₀表示扫描中心的坐标，在P₀的基础上形成圆形轨迹P，圆形半径为D/2；P-Puav为激光甲烷传感器的光学轴线的指向矢量的单位向量。

4.根据权利要求3所述的飞行控制方法，其特征在于：所述多轴稳定平台为二轴稳定平台或者三轴稳定平台，基于多轴稳定平台实现激光甲烷传感器对带状燃气管线的扫描轨迹控制的实现方法，包括如下内容：

1)燃气泄漏测量主控板根据内置的待巡检燃气管线的路线坐标信息计算出沿着燃气管线的扫描中心P₀，扫描中心P₀沿着燃气管线的移动速度V₉可以根据参数设置；

2)根据扫描轨迹，由指向矢量计算得到二轴稳定平台的偏航ψ、俯仰θ的角度的基准值(ψ₀，θ₀)，或者三轴稳定平台的偏航ψ、俯仰θ、滚转φ的角度的基准值(ψ₀，θ₀，φ₀)，形成螺旋线扫描轨迹，计算公式如下：

因此：

二轴稳定平台偏航ψ、俯仰θ或三轴稳定平台偏航ψ、俯仰θ、滚转φ的指令为

公式中：

P_uav表示无人机1的位置坐标，P₀表示扫描中心的坐标，P-Puav为激光甲烷传感器的光学轴线的指向矢量的单位向量；其中ω＝2πi，f为螺旋线的扫描频率；t为扫描时间。

5.根据权利要求3所述的飞行控制方法，其特征在于还包括：基于风向风速修正由圆形波形成的螺旋线扫描轨迹的方法，包括如下内容：

通过风向风速仪将采集的当前的风向风速V_wind数据，发送给燃气泄漏测量主控板，燃气泄漏测量主控板进行计算，根据风速数据计算新的圆形轨迹扫描半径为dD/2，dD＝D+K_wind*V_wind，K_wind是扫描半径调节参数；

扫描中心坐标P₀向外偏移dy，dy＝K_offset*V_wind，K_offset是向外偏移调节参数；偏移方向为风向在管线的下风向方向。

6.根据权利要求3所述的飞行控制方法，其特征在于：基于地形和障碍物修正无人机的飞行包线，无人机激光甲烷遥测约束下的飞行优化包线满足如下约束条件：

在燃气管线途径的高程图内；

在无人机飞行高度和偏离管线位置的探测灵敏度可行包线内；

在最低飞行高度以上；

在激光能量边界以内，在激光传感器最大测量距离Rmax之内；

在燃气管线正上方线的外侧；

绕开障碍物的边界。