CN111169629A - 一种基于四旋翼无人机的铁路接触网检测装置及检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于四旋翼无人机的铁路接触网检测装置及检测方法，从铁路接触网检测工作的巡检项目和工作环境出发，结合当前较为成熟的模块进行组合，通过四旋翼无人机（4）的飞行，实现检测装置沿接触线的移动，并同时完成对铁路接触网相关参数的检测工作，将检测数据通过无线通信模块（32）传送至地面的移动数据接收控制台（2），实现集接触网导高和拉出值测量、接触网发热故障诊断、接触悬挂状态检测等多种检测功能，以此来完成对接触网的检测工作，并且不论是检测装置的结构设计，还是相应的功能实现，均体现了设计的合理性和操作的智能化，极大地方便了工作人员的操作，有效提高了针对接触网主要状态参数进行检测和维修的工作效率。

Description

一种基于四旋翼无人机的铁路接触网检测装置及检测方法
技术领域
本发明涉及一种基于四旋翼无人机的铁路接触网检测装置及检测方法，属于铁路接触网检测技术领域。
背景技术
接触网是沿铁路线上空架设、用于向电力机车供电的输电线路，它主要由接触悬挂、支持装置、定位装置、支柱与基础等几部分组成。在我国高速电气化铁路的建设过程中都离不开高速接触网，特别是结构、性能等各方面都优越的高速接触网，这样才能充分发挥弓网的性能及其的配合。但是弓网较高的匹配程度，需要铁路建设者在长年累月的工作中积攒经验、对各项数据计算一丝不苟，并用最优的方式来匹配机车的受电弓和接触网，这样才能保证两者在最大程度上发挥性能。
随着我国铁路的高速发展，铁路接触网的检测和维护对铁路的安全运行至关重要，其安全稳定运行关系到电力机车、动车组正常运行及运输组织畅通。但是由于接触网系统是一个庞大而又复杂的综合系统，而且铁路接触网沿铁路露天布置，势必会受到恶劣自然环境的影响。另外在列车高速行驶的过程中，受电弓与接触网在接触过程之中的振动，使得接触网系统处于动态变化的过程中，从而使得接触网系统相较于同样架设在野外的电力输电线更容易发生故障，根据已有的统计研究结果，接触网系统故障率远高于整个牵引供电系统故障率。基于以上原因，高速铁路接触网安全评价需要从多方面考虑才能对接触网的运行状态做出整体评估，所以加强对电气化铁路接触网的检测,不仅可以确保列车的正常运行，同时也能够提高人们出行的安全性。铁路接触网的检测主要分为动态检测和静态检测，主要包括对接触网的几何参数、结构、高铁运行平稳程度、以及安全性能等方面进行检测。为了保证接触网安全有序的工作，制定科学合理的检修维护流程显得尤为重要。目前铁路接触网的检测技术都比较单一，只能对某一特定主要参数进行检测，而接触网的安全评价需要更为全面、系统、科学的接触网参数检测与分析，以此为现场检修工作提供真实有力的客观依据。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于四旋翼无人机的铁路接触网检测装置，采用全新驱动结构设计，能够针对检测装置实现灵活控制，有效提高接触网的检测工作效率。
本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种基于四旋翼无人机的铁路接触网检测装置，用于针对轨道交通正上方的目标接触线进行检测，包括四旋翼无人机，其中，四旋翼无人机包括无线遥控器、机身本体、设置于机身本体上的电源装置、环绕机身本体分布设置的四个旋翼动力装置、以及设置于机身本体内部的飞行控制模块和无线通信模块，飞行控制模块分别与无线通信模块、各个旋翼动力装置相连接，电源装置为机身本体上的各个用电装置进行供电；
还包括移动数据接收控制台、微处理器、主伞形齿轮、转动电机、两组悬臂吊装装置、以及指定各接触线检测装置；其中，微处理器分别与转动电机、电源装置、无线通信模块、各接触线检测装置相连接，电源装置经微处理器分别为各用电装置进行供电；
各接触线检测装置分别固定设置于机身本体表面；微处理器、主伞形齿轮、转动电机固定设置于机身本体内部，转动电机的转动轴所在直线与四旋翼无人机前后飞行方向所在直线相垂直，主伞形齿轮的中心孔固定套设于转动电机的转动轴上；机身本体上对应其前后飞行方向的两侧面、分别设置贯穿其内外空间的通孔；
两组悬臂吊装装置的结构彼此相同，各组悬臂吊装装置分别均包括L形悬挂臂、滑轮、副伞形齿轮、转轴、连杆，各组悬臂吊装装置中的副伞形齿轮的中心孔分别固定套设于对应转轴上，并设置于机身本体内部，且各转轴所在直线均与四旋翼无人机前后飞行方向所在直线相平行；各组悬臂吊装装置中的副伞形齿轮的齿纹分别与主伞形齿轮的齿纹相互咬合对接，两个副伞形齿轮分别随主伞形齿轮的转动而同步转动，且两个副伞形齿轮的转动方向彼此相反；各组悬臂吊装装置中L形悬挂臂的长臂端部与连杆的其中一端固定连接，且连杆与所连L形悬挂臂共面，以及连杆与所连L形悬挂臂上的短臂均位于其长臂的同侧；两组悬臂吊装装置中连杆的另一端、分别由机身本体两侧的通孔穿入至机身本体内部，各连杆的另一端分别与对应转轴的侧面固定连接，且各L形悬挂臂的短臂均位于机身本体的上方，各L形悬挂臂所在面均与对应转轴所在直线相垂直，各L形悬挂臂分别经对应连杆随对应转轴的转动而转动；各组悬臂吊装装置中的滑轮分别活动设置于对应L形悬挂臂上短臂的内侧，且滑轮的中心轴所在直线与四旋翼无人机前后飞行方向所在直线相垂直；基于转动电机的转动控制，两L形悬挂臂彼此反向同步转动、向机身本体的两侧展开，以及两L形悬挂臂彼此相向同步转动、使得两滑轮的滑槽所在面彼此共面，实现两滑轮共同在目标接触线上的滑动，完成四旋翼无人机相对目标接触线的悬挂移动；
移动数据接收控制台工作于地面，各接触线检测装置针对目标接触线进行数据采集、并上传微处理器，由微处理器经无线通信模块向移动数据接收控制台进行传输，由移动数据接收控制台完成对目标接触线的检测。
作为本发明的一种优选技术方案：所述各组悬臂吊装装置分别还包括C形夹，各组悬臂吊装装置中C形夹的外侧边分别固定对接对应L形悬挂臂的短臂，基于各组悬臂吊装装置中滑轮共同在目标接触线上的滑动，各组悬臂吊装装置中C形夹的开口卡位于目标接触线上。
作为本发明的一种优选技术方案：所述各接触线检测装置包括红外热像仪、红外激光测距仪、CMOS图像传感器、微型激光测距仪；其中，红外热像仪通过设置于机身本体顶面的红外热像仪底座进行安装，且红外热像仪的工作端部向上；红外激光测距仪通过设置于机身本体顶面的红外激光测距仪支架进行安装，且红外激光测距仪的工作端部向上；CMOS图像传感器通过设置于机身本体顶面的CMOS图像传感器底座进行安装，且CMOS图像传感器的工作端部向上；微型激光测距仪设置于机身本体底面，且微型激光测距仪的工作端竖直向下。
作为本发明的一种优选技术方案：所述电源装置包括太阳能电板、太阳能控制器、蓄电池，太阳能电板设置于机身本体的表面，蓄电池分别与太阳能电板、太阳能控制器相连接，太阳能控制器与蓄电池固定设置于机身本体内部，太阳能电板向蓄电池输送电能进行存储，太阳能控制器针对蓄电池进行控制，实现对所述各用电设备的供电。
作为本发明的一种优选技术方案：还包括警报模块，所述微处理器与警报模块相连接，警报模块设置于机身本体内部。
作为本发明的一种优选技术方案：所述无线通信模块为GPRS移动通信模块。
与上述相对应，本发明所要解决的技术问题是提供一种基于四旋翼无人机的铁路接触网检测装置的检测方法，集多种检测于一体，能够针对接触网实现高效、全面的安全检测，提高工作效率。
本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种基于四旋翼无人机的铁路接触网检测装置的检测方法，用于实现对目标接触线的检测，包括如下步骤：
步骤A.由无线遥控器经无线通信模块向微处理器发送控制信号，控制转动电机工作转动，基于主伞形齿轮带动两个副伞形齿轮彼此反向同步转动，分别经各组悬臂吊装装置中的转轴、连杆，带动两对应L形悬挂臂向机身本体的两侧展开，然后进入步骤B；
步骤B.由无线遥控器经无线通信模块向飞行控制模块发送控制信号，通过对四个旋翼动力装置的控制，控制四旋翼无人机飞至目标接触线的正下方，然后控制四旋翼无人机垂直向上飞行，并按步骤A方法，控制两L形悬挂臂彼此相向同步转动，使得两滑轮共同置于目标接触线上，且各组悬臂吊装装置中C形夹的开口卡位于目标接触线上，然后进入步骤C；
步骤C.由无线遥控器经无线通信模块向飞行控制模块发送控制信号，通过对四个旋翼动力装置的控制,控制四旋翼无人机前后飞行，实现沿目标接触线的移动，然后进入步骤D；
步骤D.各接触线检测装置分别工作，针对目标接触线进行数据采集，并上传微处理器，由微处理器经无线通信模块向移动数据接收控制台进行传输，由移动数据接收控制台完成对目标接触线的检测。
作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤D中，包括发热故障诊断检测，用于实现对目标接触线各检测点位置进行发热故障检测，即如下步骤：
步骤A1.获得目标接触线位置预设数量的历史无发热故障红外图像，并获得该各副红外图像中目标接触线温度的平均温度，作为目标接触线所对应基准温度T1，上传至微处理器，然后进入步骤A2；
步骤A2.应用红外热像仪采集目标接触线的一个检测点位置的实时红外图像，并提取实时红外图像中的最高温度Tmax，上传至微处理器，然后进入步骤A3；
步骤A3.微处理器判断Tmax—T1的值是否大于预设第一温度阈值，是则进入步骤A4；否则顺序针对目标接触线的下一个检测点位置，返回步骤A2；
步骤A4.微处理器判断Tmax—T1的值是否大于预设第二温度阈值，是则进入步骤A6；否则进入步骤A5，其中，预设第二温度阈值大于预设第一温度阈值；
步骤A5.微处理器将目标接触线的该检测点位置作为发热故障疑似点，并结合基准温度T1、以及该检测点位置的最高温度Tmax，经无线通信模块发送至移动数据接收控制台；
步骤A6.微处理器将目标接触线的该检测点位置作为发热严重缺陷故障点，微处理器控制警报模块工作发出报警，并将该检测点位置基准温度T1、以及该检测点位置的最高温度Tmax，经无线通信模块向移动数据接收控制台发出发热故障检修指令。
作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤D中，还包括接触悬挂状态检测，用于针对目标接触线中接触悬挂的状态实现检测，即如下步骤：
步骤B1.应用CMOS图像传感器采集获得目标接触线位置接触悬挂的样本图像，并由CMOS图像传感器转换为数字样本图像，并上传至微处理器，然后进入步骤B2；
步骤B2.微处理器针对数字样本图像进行压缩处理，并经无线通信模块发送至移动数据接收控制台，然后进入步骤B3；
步骤B3.移动数据接收控制台针对所接收数字样本图像，基于预先存储的图像模板，应用霍夫变换与模板匹配法针对数字样本图像进行处理，分离获得数字样本图像中接触悬挂的位置，然后进入步骤B4；
步骤B4.移动数据接收控制台针对数字样本图像中接触悬挂的位置，判断其与预设标准位置是否一致，是则表示目标接触线位置接触悬挂正常，否则表示目标接触线位置接触悬挂有损坏。
本发明所述一种基于四旋翼无人机的铁路接触网检测装置及检测方法，采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
本发明所设计基于四旋翼无人机的铁路接触网检测装置及检测方法，从铁路接触网检测工作的巡检项目和工作环境出发，结合当前较为成熟的模块进行组合，通过四旋翼无人机的飞行，实现检测装置沿接触线的移动，并同时完成对铁路接触网相关参数的检测工作，将检测数据通过无线通信模块传送至地面的移动数据接收控制台，实现集接触网导高和拉出值测量、接触网发热故障诊断、接触悬挂状态检测等多种检测功能，以此来完成对接触网的检测工作，并且不论是检测装置的结构设计，还是相应的功能实现，均体现了设计的合理性和操作的智能化，极大地方便了工作人员的操作，有效提高了针对接触网主要状态参数进行检测和维修的工作效率。
附图说明
图1是本发明设计基于四旋翼无人机的铁路接触网检测装置的应用示意图；
图2是本发明设计基于四旋翼无人机的铁路接触网检测装置的结构示意图；
图3是本发明设计基于四旋翼无人机的铁路接触网检测装置的内部示意图；
图4是本发明设计关于接触线导高和拉出值测量的原理示意图；
图5是本发明设计关于接触悬挂和发热故障检测的框架示意图；
图6是本发明设计中报警模块网络拓扑结构框图；
图7是本发明设计检测方法中接触网发热故障诊断检测流程图；
图8是本发明设计检测方法中接触悬挂状态诊断检测流程图。
其中，1、无线遥控器；2、移动数据接收控制台；3、目标接触线；4、四旋翼无人机；5、机身本体；6、太阳能电板；7、旋翼动力装置；8、转轴；9、红外热像仪；10、红外热像仪底座；11、L形悬挂臂；12、C形夹；13、滑轮；14、连杆；17、红外激光测距仪；18、红外激光测距仪支架；19、CMOS图像传感器；20、CMOS图像传感器底座；23、微型激光测距仪；24、微处理器；25、主伞形齿轮；26、副伞形齿轮；27、转动电机；28、太阳能控制器；29、DC转换器；30、蓄电池；31、警报模块；32、无线通信模块。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
本发明设计了一种基于四旋翼无人机的铁路接触网检测装置，用于针对轨道交通正上方的目标接触线3进行检测，包括四旋翼无人机4，其中，四旋翼无人机4包括无线遥控器1、机身本体5、设置于机身本体5上的电源装置、环绕机身本体5分布设置的四个旋翼动力装置7、以及设置于机身本体5内部的飞行控制模块和无线通信模块32，飞行控制模块分别与无线通信模块32、各个旋翼动力装置7相连接，电源装置为机身本体5上的各个用电装置进行供电。实际应用当中，为了延长检测装置的使用寿命，针对机身本体5的外壳，可以具体应用铝合金材质。
基于上述四旋翼无人机4的设计，还包括移动数据接收控制台2、微处理器24、主伞形齿轮25、转动电机27、警报模块31、两组悬臂吊装装置、以及指定的各接触线检测装置；其中，微处理器24分别与转动电机27、警报模块31、电源装置、无线通信模块32、各接触线检测装置相连接，电源装置经微处理器24分别为各用电装置进行供电。
实际应用中，对应电源装置的设计应用，可以具体设计电源装置包括太阳能电板6、太阳能控制器28、蓄电池30，太阳能电板6设置于机身本体5的表面，蓄电池30分别与太阳能电板6、太阳能控制器28相连接，太阳能控制器28与蓄电池30固定设置于机身本体5内部，太阳能电板6向蓄电池30输送电能进行存储，太阳能控制器28针对蓄电池30进行控制，实现对所述各用电设备的供电。
各接触线检测装置分别固定设置于机身本体5表面；实际应用中，所述各接触线检测装置包括红外热像仪9、红外激光测距仪17、CMOS图像传感器19、微型激光测距仪23；其中，红外热像仪9通过设置于机身本体5顶面的红外热像仪底座10进行安装，且红外热像仪9的工作端部向上；红外激光测距仪17通过设置于机身本体5顶面的红外激光测距仪支架18进行安装，且红外激光测距仪17的工作端部向上；CMOS图像传感器19通过设置于机身本体5顶面的CMOS图像传感器底座20进行安装，且CMOS图像传感器19的工作端部向上；微型激光测距仪23设置于机身本体5底面，且微型激光测距仪23的工作端竖直向下。
如图3所示，微处理器24、主伞形齿轮25、转动电机27、警报模块31固定设置于机身本体5内部，转动电机27的转动轴所在直线与四旋翼无人机4前后飞行方向所在直线相垂直，主伞形齿轮25的中心孔固定套设于转动电机27的转动轴上；机身本体5上对应其前后飞行方向的两侧面、分别设置贯穿其内外空间的通孔。
实际应用当中，转动电机27可以设计采用交流转动电机，由此针对上述关于电源装置的具体设计中，在机身本体5固定加装DC转换器29，所述蓄电池30经过DC转换器29与交流转动电机相连进行供电，即由DC转换器29将蓄电池30的直流电转换为交流电对交流转动电机进行供电。
如图2和图3所示，两组悬臂吊装装置的结构彼此相同，各组悬臂吊装装置分别均包括L形悬挂臂11、滑轮13、副伞形齿轮26、转轴8、C形夹12、连杆14，各组悬臂吊装装置中的副伞形齿轮26的中心孔分别固定套设于对应转轴8上，并设置于机身本体5内部，且各转轴8所在直线均与四旋翼无人机4前后飞行方向所在直线相平行；各组悬臂吊装装置中的副伞形齿轮26的齿纹分别与主伞形齿轮25的齿纹相互咬合对接，两个副伞形齿轮26分别随主伞形齿轮25的转动而同步转动，且两个副伞形齿轮26的转动方向彼此相反；各组悬臂吊装装置中L形悬挂臂11的长臂端部与连杆14的其中一端固定连接，且连杆14与所连L形悬挂臂11共面，以及连杆14与所连L形悬挂臂11上的短臂均位于其长臂的同侧；两组悬臂吊装装置中连杆14的另一端、分别由机身本体5两侧的通孔穿入至机身本体5内部，各连杆14的另一端分别与对应转轴8的侧面固定连接，且各L形悬挂臂11的短臂均位于机身本体5的上方，各L形悬挂臂11所在面均与对应转轴8所在直线相垂直，各L形悬挂臂11分别经对应连杆14随对应转轴8的转动而转动；各组悬臂吊装装置中的滑轮13分别活动设置于对应L形悬挂臂11上短臂的内侧，且滑轮13的中心轴所在直线与四旋翼无人机4前后飞行方向所在直线相垂直；各组悬臂吊装装置中C形夹12的外侧边分别固定对接对应L形悬挂臂11的短臂；基于转动电机27的转动控制，使得两L形悬挂臂11彼此反向同步转动、向机身本体5的两侧展开，诸如设计向两侧展开60度；如图1所示，基于转动电机27的转动控制，使得两L形悬挂臂11彼此相向同步转动、使得两滑轮13的滑槽所在面彼此共面，实现两滑轮13共同在目标接触线3上的滑动，以及各组悬臂吊装装置中C形夹12的开口卡位于目标接触线3上，完成四旋翼无人机4相对目标接触线3的悬挂移动。如此配合C形夹12对目标接触线3的卡位，能够防止检测装置随目标接触线3移动过程中出现脱落。
移动数据接收控制台2工作于地面，各接触线检测装置针对目标接触线3进行数据采集、并上传微处理器24，由微处理器24经无线通信模块32向移动数据接收控制台2进行传输，由移动数据接收控制台2完成对目标接触线3的检测。实际应用当中，无线通信模块32可以设计采用GPRS移动通信模块、蓝牙通信模块、红外通信模块，用于实现检测装置与移动数据接收控制台2之间的通信。
基于上述技术方案所设计基于四旋翼无人机的铁路接触网检测装置，本发明还进一步设计了基于此的检测方法，用于实现对目标接触线3的检测，包括如下步骤A至步骤D。
步骤A.由无线遥控器1经无线通信模块32向微处理器24发送控制信号，控制转动电机27工作转动，基于主伞形齿轮25带动两个副伞形齿轮26彼此反向同步转动，分别经各组悬臂吊装装置中的转轴8、连杆14，带动两对应L形悬挂臂11向机身本体5的两侧展开，然后进入步骤B。
步骤B.由无线遥控器1经无线通信模块32向飞行控制模块发送控制信号，通过对四个旋翼动力装置7的控制，控制四旋翼无人机4飞至目标接触线3的正下方，然后控制四旋翼无人机4垂直向上飞行，并按步骤A方法，控制两L形悬挂臂11彼此相向同步转动，使得两滑轮13共同置于目标接触线3上，且各组悬臂吊装装置中C形夹12的开口卡位于目标接触线3上，然后进入步骤C。
步骤C.由无线遥控器1经无线通信模块32向飞行控制模块发送控制信号，通过对四个旋翼动力装置7的控制,控制四旋翼无人机4前后飞行，实现沿目标接触线3的移动，然后进入步骤D。
步骤D.各接触线检测装置分别工作，针对目标接触线3进行数据采集，并上传微处理器24，由微处理器24经无线通信模块32向移动数据接收控制台2进行传输，由移动数据接收控制台2完成对目标接触线3的检测。
对于上述步骤D应用接触线检测装置进行检测的工作中，为了保证铁路机车的正常供电，根据我国铁路接触网安装标准，一般要求接触线与铁路的两条平行道轨所成的平面之间的高度介于5.5～6.4m之间，同时要求接触线的拉出值介于0.27～0.45m之间，所以为保证列车安全运行，要求经常测量导高、拉出值等铁路接触网的静态参数。如图4所示，其具体实现主要分为以下三部分：
1)本发明所设计铁路接触网检测装置中，针对机身本体5的上表面，采用红外热像仪9、红外激光测距仪17、以及所述CMOS图像传感器19光学观察系统相结合的测量方法。将上述设计的红外热像仪9与红外激光测距仪17安装在铁路接触网检测装置中心线a的中间(中心线a与中心线b是相互平行的)，通过旋转红外激光测距仪17的位置和方向，使红外激光测距仪17的激光点精准的瞄准所检测的接触线，另外红外激光测距仪17的光轴要与其内部瞄准镜的光轴要同轴，同时利用CMOS图像传感器19来进行校准，最终让接触网的中心与红外激光测距仪17的激光点重合时则为精确瞄准。在测量原理图中，如图4所示，C点为铁路接触网检测装置机身本体5上表面的测量基准点，D点为铁路接触网检测装置机身本体5下表面的测量基准点，A点为接触线的测量中心点，B点为A点基于两平行轨道形成平面的投影点，B'点为投影点B在中心线a的垂足，C'为测量基准点C在轨道1'的垂足轨道1'与轨道1平行，E点为D点投影在轨道1与轨道2平行平面上的垂线接触点，a为BC与CC'之间的夹角，β为AC与与BC之间的夹角。根据三角形的边角关系、以及接触线的导高和拉出值的定义可知，AB为铁路接触网检测装置上部分的导高值L3，BB'为所测接触线的拉出值f，利用红外激光测距仪17所测出测量基准点C与接触线测量中心点A之间的距离值L，其中所测接触线的拉出值f＝Lcosβcosa，铁路接触网检测装置机身本体5上表面的导高值L3＝Lsinβ。
2)本发明的铁路接触网检测装置机身本体5下表面，主要是完成检测装置与轨道1与轨道2形成的平面之间的高度值L1，该部分的检测主要是利用所述微型激光测距仪23中脉冲激光器发射出的激光，经过铁轨1与铁轨2平面中的中心线b后、反射回来后又被微型激光测距仪23中接收部分接收，微型激光测距仪23同时记录激光的往返时间t，则此时可测得L1＝ct/2。
3)综合考虑本发明的铁路接触网检测装置机身本体5上安装的检测装置、以及自身的重量等，按照各个检测装置的尺寸，建立合适的厚度L2，结合12中所测得的L3、L1，即可得到接触网的导高H＝L1+L2+L3。
上述步骤D关于对接触网的检测中，还包括发热故障诊断检测，由于接触网的发热和接触网流过的电流成正比，而接触网的电流的影响因素也比较多，另外接触网的温度还与检测时的大气环境有关，所以不能简单使用绝对温度来判断当前测量热图像中的最大温度是否超出警戒值，进而判断设备的发热故障诊断接。本发明采用是接触网的相对温度来衡量接触网的零部件是否有损伤。具体如图5和如图7所示，用于实现对目标接触线3各检测点位置进行发热故障检测，即如下步骤A1至步骤A6。
步骤A1.获得目标接触线3位置预设数量的历史无发热故障红外图像，并获得该各副红外图像中目标接触线3温度的平均温度，作为目标接触线3所对应基准温度T1，上传至微处理器24，然后进入步骤A2。
步骤A2.应用红外热像仪9采集目标接触线3的一个检测点位置的实时红外图像，并提取实时红外图像中的最高温度Tmax，上传至微处理器24，然后进入步骤A3。
步骤A3.微处理器24判断Tmax—T1的值是否大于预设第一温度阈值，是则进入步骤A4；否则顺序针对目标接触线3的下一个检测点位置，返回步骤A2。实际应用中，设计预设第一温度阈值为20℃。
步骤A4.微处理器24判断Tmax—T1的值是否大于预设第二温度阈值，是则进入步骤A6；否则进入步骤A5，其中，预设第二温度阈值大于预设第一温度阈值，实际应用中，设计预设第二温度阈值为50℃。
步骤A5.微处理器24将目标接触线3的该检测点位置作为发热故障疑似点，并结合基准温度T1、以及该检测点位置的最高温度Tmax，经无线通信模块32发送至移动数据接收控制台2。后期可以利用红外分析软件对检测数据进行数据分析，进行接触网发热故障确定。
步骤A6.微处理器24将目标接触线3的该检测点位置作为发热严重缺陷故障点，微处理器24控制警报模块31工作发出报警，提醒检测人员需立即发热故障的确认，然后采取相应处理措施来进行处理故障，同时微处理器24将该检测点位置基准温度T1、以及该检测点位置的最高温度Tmax，经无线通信模块32向移动数据接收控制台2发出发热故障检修指令。
如图6所示，警报模块31作为检测结果的提示与故障提醒的装置，对安全有序进行铁路接触网的检测，扮演着重要的角色。本发明的警报模块31采用总线制方式设计，可以让本报警系统可以让报警信号、设备故障信号、线路故障信号等情况发生时，通过总线及时的向主控制器发送信号，从而让报警系统设备有效的结合，完成对整个铁路接触网装置故障的监控。
实际应用中，如图6所示，警报模块31设计主要由蜂鸣器、报警控制主机、报警子模块组成，其具体实施过程为：报警控制主机和微处理器24进行相连，根据微处理器24中执行发热故障诊断检测所获的相对温度值，控制数据信号传输给报警控制主机，由报警控制主机进行判断，如若数据信号超过设定值则立即启动蜂鸣器发出提示音，与此同时，报警控制主机也通过无线通信模块32、经地面的接警机，发送至地面的报警子模块，由报警子模块处理后送至地面相应客户端。其他故障信号发生器均连接到报警控制主机，其工作流程如上述一样完成报警提示功能。
如此通过上述步骤，利用红外图像法来检测接触网的相对温度，实现在线实时检测，能够及时发现接触网的发热故障，并且根据不同差值，可以初步判断接触网是零部件发生松动、还是被氧化、以及其他故障引起的发热故障。
上述步骤D关于对接触网的检测中，还包括接触悬挂状态检测，关系到高速铁路的供电系统的正常运行，如若接触悬挂的零部件出现故障，相应的供电系统也会发生故障。本发明的接触悬挂状态检测，采取图像匹配和系统识别相结合的方法完成其检测任务，实际应用当中，具体如图5和如图8所示，用于针对目标接触线3中接触悬挂的状态实现检测，即如下步骤B1至步骤B4。
步骤B1.应用CMOS图像传感器19采集获得目标接触线3位置接触悬挂的样本图像，并由CMOS图像传感器19转换为数字样本图像，并上传至微处理器24，然后进入步骤B2。
步骤B2.微处理器24针对数字样本图像进行压缩处理，并经无线通信模块32发送至移动数据接收控制台2，然后进入步骤B3。
步骤B3.移动数据接收控制台2针对所接收数字样本图像，基于预先存储的图像模板，应用霍夫变换与模板匹配法针对数字样本图像进行处理，分离获得数字样本图像中接触悬挂的位置，然后进入步骤B4。
步骤B4.移动数据接收控制台2针对数字样本图像中接触悬挂的位置，判断其与预设标准位置是否一致，是则表示目标接触线3位置接触悬挂正常，否则表示目标接触线3位置接触悬挂有损坏，需要检修人员对接触悬挂中损坏的零部件进行维修或者更换，从而保证接触网的供电系统正常给电力机车输送电能。
上述技术方案所设计基于四旋翼无人机的铁路接触网检测装置及检测方法，从铁路接触网检测工作的巡检项目和工作环境出发，结合当前较为成熟的模块进行组合，通过四旋翼无人机4的飞行，实现检测装置沿接触线的移动，并同时完成对铁路接触网相关参数的检测工作，将检测数据通过无线通信模块32传送至地面的移动数据接收控制台2，实现集接触网导高和拉出值测量、接触网发热故障诊断、接触悬挂状态检测等多种检测功能，以此来完成对接触网的检测工作，并且不论是检测装置的结构设计，还是相应的功能实现，均体现了设计的合理性和操作的智能化，极大地方便了工作人员的操作，有效提高了针对接触网主要状态参数进行检测和维修的工作效率。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (9)

1.一种基于四旋翼无人机的铁路接触网检测装置，用于针对轨道交通正上方的目标接触线（3）进行检测，包括四旋翼无人机（4），其中，四旋翼无人机（4）包括无线遥控器（1）、机身本体（5）、设置于机身本体（5）上的电源装置、环绕机身本体（5）分布设置的四个旋翼动力装置（7）、以及设置于机身本体（5）内部的飞行控制模块和无线通信模块（32），飞行控制模块分别与无线通信模块（32）、各个旋翼动力装置（7）相连接，电源装置为机身本体（5）上的各个用电装置进行供电；
其特征在于：还包括移动数据接收控制台（2）、微处理器（24）、主伞形齿轮（25）、转动电机（27）、两组悬臂吊装装置、以及指定各接触线检测装置；其中，微处理器（24）分别与转动电机（27）、电源装置、无线通信模块（32）、各接触线检测装置相连接，电源装置经微处理器（24）分别为各用电装置进行供电；
各接触线检测装置分别固定设置于机身本体（5）表面；微处理器（24）、主伞形齿轮（25）、转动电机（27）固定设置于机身本体（5）内部，转动电机（27）的转动轴所在直线与四旋翼无人机（4）前后飞行方向所在直线相垂直，主伞形齿轮（25）的中心孔固定套设于转动电机（27）的转动轴上；机身本体（5）上对应其前后飞行方向的两侧面、分别设置贯穿其内外空间的通孔；
两组悬臂吊装装置的结构彼此相同，各组悬臂吊装装置分别均包括L形悬挂臂（11）、滑轮（13）、副伞形齿轮（26）、转轴（8）、连杆（14），各组悬臂吊装装置中的副伞形齿轮（26）的中心孔分别固定套设于对应转轴（8）上，并设置于机身本体（5）内部，且各转轴（8）所在直线均与四旋翼无人机（4）前后飞行方向所在直线相平行；各组悬臂吊装装置中的副伞形齿轮（26）的齿纹分别与主伞形齿轮（25）的齿纹相互咬合对接，两个副伞形齿轮（26）分别随主伞形齿轮（25）的转动而同步转动，且两个副伞形齿轮（26）的转动方向彼此相反；各组悬臂吊装装置中L形悬挂臂（11）的长臂端部与连杆（14）的其中一端固定连接，且连杆（14）与所连L形悬挂臂（11）共面，以及连杆（14）与所连L形悬挂臂（11）上的短臂均位于其长臂的同侧；两组悬臂吊装装置中连杆（14）的另一端、分别由机身本体（5）两侧的通孔穿入至机身本体（5）内部，各连杆（14）的另一端分别与对应转轴（8）的侧面固定连接，且各L形悬挂臂（11）的短臂均位于机身本体（5）的上方，各L形悬挂臂（11）所在面均与对应转轴（8）所在直线相垂直，各L形悬挂臂（11）分别经对应连杆（14）随对应转轴（8）的转动而转动；各组悬臂吊装装置中的滑轮（13）分别活动设置于对应L形悬挂臂（11）上短臂的内侧，且滑轮（13）的中心轴所在直线与四旋翼无人机（4）前后飞行方向所在直线相垂直；基于转动电机（27）的转动控制，两L形悬挂臂（11）彼此反向同步转动、向机身本体（5）的两侧展开，以及两L形悬挂臂（11）彼此相向同步转动、使得两滑轮（13）的滑槽所在面彼此共面，实现两滑轮（13）共同在目标接触线（3）上的滑动，完成四旋翼无人机（4）相对目标接触线（3）的悬挂移动；
移动数据接收控制台（2）工作于地面，各接触线检测装置针对目标接触线（3）进行数据采集、并上传微处理器（24），由微处理器（24）经无线通信模块（32）向移动数据接收控制台（2）进行传输，由移动数据接收控制台（2）完成对目标接触线（3）的检测。
2.根据权利要求1所述一种基于四旋翼无人机的铁路接触网检测装置，其特征在于：所述各组悬臂吊装装置分别还包括C形夹（12），各组悬臂吊装装置中C形夹（12）的外侧边分别固定对接对应L形悬挂臂（11）的短臂，基于各组悬臂吊装装置中滑轮（13）共同在目标接触线（3）上的滑动，各组悬臂吊装装置中C形夹（12）的开口卡位于目标接触线（3）上。
3.根据权利要求2所述一种基于四旋翼无人机的铁路接触网检测装置，其特征在于：所述各接触线检测装置包括红外热像仪（9）、红外激光测距仪（17）、CMOS图像传感器（19）、微型激光测距仪（23）；其中，红外热像仪（9）通过设置于机身本体（5）顶面的红外热像仪底座（10）进行安装，且红外热像仪（9）的工作端部向上；红外激光测距仪（17）通过设置于机身本体（5）顶面的红外激光测距仪支架（18）进行安装，且红外激光测距仪（17）的工作端部向上；CMOS图像传感器（19）通过设置于机身本体（5）顶面的CMOS图像传感器底座（20）进行安装，且CMOS图像传感器（19）的工作端部向上；微型激光测距仪（23）设置于机身本体（5）底面，且微型激光测距仪（23）的工作端竖直向下。
4.根据权利要求3所述一种基于四旋翼无人机的铁路接触网检测装置，其特征在于：所述电源装置包括太阳能电板（6）、太阳能控制器（28）、蓄电池（30），太阳能电板（6）设置于机身本体（5）的表面，蓄电池（30）分别与太阳能电板（6）、太阳能控制器（28）相连接，太阳能控制器（28）与蓄电池（30）固定设置于机身本体（5）内部，太阳能电板（6）向蓄电池（30）输送电能进行存储，太阳能控制器（28）针对蓄电池（30）进行控制，实现对所述各用电设备的供电。
5.根据权利要求4所述一种基于四旋翼无人机的铁路接触网检测装置，其特征在于：还包括警报模块（31），所述微处理器（24）与警报模块（31）相连接，警报模块（31）设置于机身本体（5）内部。
6.根据权利要求5所述一种基于四旋翼无人机的铁路接触网检测装置，其特征在于：所述无线通信模块（32）为GPRS移动通信模块。
7.一种基于权利要求6所述一种基于四旋翼无人机的铁路接触网检测装置的检测方法，用于实现对目标接触线（3）的检测，其特征在于，包括如下步骤：
步骤A. 由无线遥控器（1）经无线通信模块（32）向微处理器（24）发送控制信号，控制转动电机（27）工作转动，基于主伞形齿轮（25）带动两个副伞形齿轮（26）彼此反向同步转动，分别经各组悬臂吊装装置中的转轴（8）、连杆（14），带动两对应L形悬挂臂（11）向机身本体（5）的两侧展开，然后进入步骤B；
步骤B. 由无线遥控器（1）经无线通信模块（32）向飞行控制模块发送控制信号，通过对四个旋翼动力装置（7）的控制，控制四旋翼无人机（4）飞至目标接触线（3）的正下方，然后控制四旋翼无人机（4）垂直向上飞行，并按步骤A方法，控制两L形悬挂臂（11）彼此相向同步转动，使得两滑轮（13）共同置于目标接触线（3）上，且各组悬臂吊装装置中C形夹（12）的开口卡位于目标接触线（3）上，然后进入步骤C；
步骤C. 由无线遥控器（1）经无线通信模块（32）向飞行控制模块发送控制信号，通过对四个旋翼动力装置（7）的控制, 控制四旋翼无人机（4）前后飞行，实现沿目标接触线（3）的移动，然后进入步骤D；
步骤D. 各接触线检测装置分别工作，针对目标接触线（3）进行数据采集，并上传微处理器（24），由微处理器（24）经无线通信模块（32）向移动数据接收控制台（2）进行传输，由移动数据接收控制台（2）完成对目标接触线（3）的检测。
8.根据权利要求7所述一种基于四旋翼无人机的铁路接触网检测装置的检测方法，其特征在于，所述步骤D中，包括发热故障诊断检测，用于实现对目标接触线（3）各检测点位置进行发热故障检测，即如下步骤：
步骤A1. 获得目标接触线（3）位置预设数量的历史无发热故障红外图像，并获得该各副红外图像中目标接触线（3）温度的平均温度，作为目标接触线（3）所对应基准温度T1，上传至微处理器（24），然后进入步骤A2；
步骤A2. 应用红外热像仪（9）采集目标接触线（3）的一个检测点位置的实时红外图像，并提取实时红外图像中的最高温度Tmax，上传至微处理器（24），然后进入步骤A3；
步骤A3. 微处理器（24）判断Tmax—T1的值是否大于预设第一温度阈值，是则进入步骤A4；否则顺序针对目标接触线（3）的下一个检测点位置，返回步骤A2；
步骤A4. 微处理器（24）判断Tmax—T1的值是否大于预设第二温度阈值，是则进入步骤A6；否则进入步骤A5，其中，预设第二温度阈值大于预设第一温度阈值；
步骤A5. 微处理器（24）将目标接触线（3）的该检测点位置作为发热故障疑似点，并结合基准温度T1、以及该检测点位置的最高温度Tmax，经无线通信模块（32）发送至移动数据接收控制台（2）；
步骤A6. 微处理器（24）将目标接触线（3）的该检测点位置作为发热严重缺陷故障点，微处理器（24）控制警报模块（31）工作发出报警，并将该检测点位置基准温度T1、以及该检测点位置的最高温度Tmax，经无线通信模块（32）向移动数据接收控制台（2）发出发热故障检修指令。
9.根据权利要求8所述一种基于四旋翼无人机的铁路接触网检测装置的检测方法，其特征在于，所述步骤D中，还包括接触悬挂状态检测，用于针对目标接触线（3）中接触悬挂的状态实现检测，即如下步骤：
步骤B1. 应用CMOS图像传感器（19）采集获得目标接触线（3）位置接触悬挂的样本图像，并由CMOS图像传感器（19）转换为数字样本图像，并上传至微处理器（24），然后进入步骤B2；
步骤B2. 微处理器（24）针对数字样本图像进行压缩处理，并经无线通信模块（32）发送至移动数据接收控制台（2），然后进入步骤B3；
步骤B3. 移动数据接收控制台（2）针对所接收数字样本图像，基于预先存储的图像模板，应用霍夫变换与模板匹配法针对数字样本图像进行处理，分离获得数字样本图像中接触悬挂的位置，然后进入步骤B4；
步骤B4. 移动数据接收控制台（2）针对数字样本图像中接触悬挂的位置，判断其与预设标准位置是否一致，是则表示目标接触线（3）位置接触悬挂正常，否则表示目标接触线（3）位置接触悬挂有损坏。
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