CN111238477A - 一种烟囱内无人机的定位方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及工程检测技术领域，特别涉及一种烟囱内无人机的定位方法，包括：建立烟囱内部的参考直角坐标系；通过无人机在烟囱内壁上进行激光点云的采集；计算烟囱内壁的直径和无人机在参考直角坐标系中的水平位置坐标；实时测量无人机与烟囱底部的距离，计算无人机距离地面的高度，确定无人机在参考直角坐标系下的高度位置坐标；将无人机在参考直角坐标系中的水平位置坐标和高度位置坐标转化为GPS地理坐标位置。本发明还相对应的提供了一种烟囱内无人机的定位装置。本发明提供的烟囱内无人机的定位方法及装置，可实现无人机在烟囱内的准确定位，通过无人机对烟囱内部进行检测，提高了检测效率。

Description

一种烟囱内无人机的定位方法及装置

技术领域

本发明涉及工程检测技术领域，特别涉及一种烟囱内无人机的定位方法。

背景技术

混凝土烟囱主体结构及内壁防腐层持续地承受动态激励和长期高温熏烤及烟气腐蚀作用，使烟囱地基易发生不均匀沉降、烟囱筒身倾斜，筒身壁混凝土碳化、钢筋锈蚀，混凝土、耐酸胶泥、耐酸玻化砖开裂、混凝土及保温层剥落耐久性破坏，影响烟囱筒身主体结构承载能力。为了消除生产安全隐患，需要定期检测内壁结构的安全性。

例如某电厂二期烟囱高度240米，烟囱出口内径10.4米，底部内径23.39米。其采用的检测方案是吊绳法，需要人力参与高空作业，并且对安全绳的要求极高，在实际工作中，安全绳只能使用一次。又例如某钢厂初轧厂均热炉混凝土烟囱，高60米，在检测过程中，通过在56.5米标高处钢结构平台上下挂吊篮的方式对其进行检测。传统的定位方法不仅设施复杂，价格昂贵，需要大量的预备工作，而且高空作业不安全。目前，国内外尚无采用无人机进行混凝土烟囱内壁检测的研究报道。主要原因是烟囱内气压不稳定，无人机无法利用气压计确定自身高度；烟囱内无GPS信号，无人机无法确定自身水平位置；导致传统的无人机定位的方式在烟囱内定位失效。

发明内容

本发明通过提供一种烟囱内无人机的定位方法，解决了现有技术中无人机难以在烟囱中准确定位的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种烟囱内无人机的定位方法，包括：

建立烟囱内部的参考直角坐标系；

通过无人机在烟囱内壁进行激光点云的采集；采集的数据包括烟囱内壁上不同观测点在极坐标系下的角度θ和距离ρ；

根据霍夫变换算法计算烟囱内壁的直径和无人机在所述参考直角坐标系中的水平位置坐标；

实时测量无人机与烟囱底部的距离，计算无人机距离地面的高度，确定无人机在所述参考直角坐标系下的高度位置坐标；

将无人机在所述参考直角坐标系中的水平位置坐标和高度位置坐标转化为GPS地理坐标位置，上传GPS地理坐标位置至飞行控制器。

进一步的，所述参考直角坐标系的原点为烟囱底部中心、Y轴为磁北向、Z轴为烟囱高度方向。

进一步的，所述根据霍夫变换算法计算烟囱内壁的直径和无人机在所述参考直角坐标系中的水平位置坐标值，包括：

将烟囱内壁上不同观测点在极坐标系下的角度θ和距离ρ转换至所述参考直角坐标系中的坐标值(x，y)；其中，

将参考直角坐标系中的任意三个采集点的坐标值得到一组圆的参数(x_c，y_c，r_c)；其中，

y_c＝k₀₁×x_c+d₀₁，

所述

所述x_c为无人机在参考直角坐标系中水平横坐标值，所述y_c为无人机在参考直角坐标系中水平纵坐标值，所述r_c为对应的烟囱内壁半径。

进一步的，所述实时测量无人机与烟囱底部的距离，计算无人机距离地面的高度，确定无人机在所述参考直角坐标系下的高度位置坐标，包括：

通过无人机上安装的超宽带UWB定位标签实时测量无人机与烟囱底部的原点处架设的超宽带UWB基站的距离L；

通过公式

计算无人机距离地面的高度H；

生成无人机在所述参考直角坐标系下的坐标(x，y，H)。

进一步的，将参考直角坐标系中的任意三个采集点的坐标值得到一组圆的参数(x_c，y_c，r_c)后，对所述圆的参数(x_c，y_c，r_c)进行如下修正步骤：

将圆的参数(x_c，y_c，r_c)记为向量P，将n个所述向量P组成的向量组Pn；

选择所述向量组Pn中的至少两个向量P，每两个向量P进行模的差值运算，直至选择的所有的向量参与运算；

设定一个阈值，若向量组Pn中的两个向量的模的差值小于所述阈值，则两个向量视为相等；

统计各相等向量的数量，并寻找出数量最多的相等向量x₁，y₁，r₁)；

选择数量最多的相等向量(x₁，y₁，r₁)为修正后的圆的参数，无人机所处的水平位置的修正坐标为(x₁，y₁)，烟囱内壁的半径修正值为R₁。

进一步的，所述GPS地理坐标位置信息上传至飞行控制器采用NMEA协议。

本发明还提供了一种烟囱内无人机的定位装置，包括：

建模单元，用于建立烟囱内部的参考直角坐标系；

采集单元，用于控制无人机在烟囱内壁进行激光点云的采集；采集的数据包括烟囱内壁上不同观测点在极坐标系下的角度θ和距离ρ；

水平坐标计算单元，用于根据根据霍夫变换算法计算烟囱内壁的直径和无人机在所述参考直角坐标系中的水平位置坐标；

高度坐标计算单元，实时测量无人机与烟囱底部的距离，计算无人机距离地面的高度，确定无人机在所述参考直角坐标系下的高度位置坐标；

处理单元，将无人机在所述参考直角坐标系中的水平位置坐标和高度位置坐标转化为GPS地理坐标位置，上传GPS地理坐标位置至飞行控制器。

进一步的，所述水平坐标计算单元包括：

第一计算模块，用于从所述采集单元获取烟囱内壁上不同观测点在极坐标系下的角度θ和距离ρ，并将所述角度θ和距离ρ转换至所述参考直角坐标系中的坐标值(x，y)；其中，

第二计算模块，用于从所述第一计算模块获取多个采集点的坐标，将转参考直角坐标系中的任意三个采集点的坐标进行霍夫变换算法得到一组圆的参数(x_c，y_c，r_c)；其中，

y_c＝k₀₁×x_c+d₀₁，

所述

所述x_c为无人机在参考直角坐标系中水平横坐标值，所述y_c为无人机在参考直角坐标系中水平纵坐标值，所述r_c为对应的烟囱内壁半径。

进一步的，所述高度坐标计算单元包括：

距离测量模块，通过无人机上安装的超宽带UWB定位标签实时测量无人机与烟囱底部的原点处架设的超宽带UWB基站的距离L；

第三计算模块，用于从所述距离测量模块获取距离L，从所述水平坐标计算单元获取无人机在参考直角坐标系中水平坐标，通过公式

计算无人机距离地面的高度H；

坐标确定模块，用于从所述水平坐标计算单元获取无人机在参考直角坐标系中水平坐标，从所述第三计算模块获取无人机距离地面的高度H；生成无人机在所述参考直角坐标系下的坐标(x_c，y_c，H)。

本发明提供的一种或多种技术方案，至少具备以下有益效果或优点：

本发明例提供的烟囱内无人机的定位方法及装置，建立烟囱内部的参考直角坐标系；通过无人机在烟囱内壁的同一圆周上进行激光点云的采集，同步计算出烟囱内壁的直径和无人机在参考直角坐标系中的水平位置坐标；实时测量无人机与烟囱底部的距离，计算无人机距离地面的高度，确定无人机在参考直角坐标系下的高度位置坐标；将无人机在参考直角坐标系中的水平位置坐标和高度位置坐标转化为GPS地理坐标位置，最终实现无人机在烟囱内的准确定位，可通过无人机对烟囱内部进行检测，提高了检测效率，同时节省了大量的人力及物力。

附图说明

图1为本发明实施例提供的烟囱内无人机的定位方法流程图。

具体实施方式

本发明实施例通过提供一种烟囱内无人机的定位方法，解决了现有技术中无人机难以在烟囱中准确定位的技术问题。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1，本发明实施例提供了一种烟囱内无人机的定位方法，包括如下步骤S1-S4：

步骤S1、建立烟囱内部的参考直角坐标系。

其中，参考直角坐标系的可采用原点为烟囱底部中心、Y轴为磁北向、Z轴为烟囱高度方向。无人机内置磁力计，便于寻找参考直角坐标系的磁北向。

步骤S2、通过无人机在烟囱内壁进行激光点云的采集；采集的数据包括烟囱内壁上不同观测点在极坐标系下的角度θ和距离ρ。

例如，飞行过程中激光雷达采集到11组数据:(0.2966，1093.0)、(10.3711，1101.0)、(20.4510，1075.0)、(30.0586，1027.0)、(40.2924，946.0)、(60.3259，734.0)、(70.2466，609.0)、(80.2606，489.0)、(240.5896，130.0)、(250.7629，154.0)、(280.0140，343.0)。其中，每组数据中的参数分别表示观测点在极坐标系下的角度(单位为°)和距离(单位为mm)。

步骤S3、根据霍夫变换算法计算烟囱内壁的直径和无人机在参考直角坐标系中的水平位置坐标。

一具体实施例中，步骤S3包括如下步骤S31-S32：

步骤S31、将烟囱内壁上不同观测点在极坐标系下的角度θ和距离ρ转换至所述参考直角坐标系中的坐标值(x，y)；其中，

例如，将步骤S22中的11组极坐标数据通过步骤22中记载的公式转化为平面直角坐标系下的数据点，并分别记为点D1至D11。

步骤S32、将转参考直角坐标系中的任意三个采集点的坐标值进行霍夫变换算法得到一组圆的参数(x_c，y_c，r_c)；其中，

y_c＝k₀₁×x_c+d₀₁，

所述

所述x_c为无人机在参考直角坐标系中水平横坐标值，所述y_c为无人机在参考直角坐标系中水平纵坐标值，所述r_c为对应的烟囱内壁半径。

显然，受数据单一因素的影响，步骤S32所得到的圆的参数具有较大的偶然性或误差，因此采用霍夫变换算法得到一组圆的参数(x，y，R)后，可采用如下步骤S24-S28对圆的参数(x，y，R)进一步修正：

步骤S33、将圆的参数(x_c，y_c，r_c)记为向量P，将n个所述向量P组成的向量组Pn；

步骤S34、选择所述向量组Pn中的至少两个向量P，每两个向量P进行模的差值运算，直至选择的所有的向量参与运算；

步骤S35、设定一个阈值，若向量组Pn中的两个向量的模的差值小于所述阈值，则两个向量视为相等；

步骤S36、统计各相等向量的数量，并寻找出数量最多的相等向量(x₁，y₁，r₁)；

步骤S37、选择数量最多的相等向量(x₁，y₁，r₁)为修正后的圆的参数，无人机所处的水平位置的修正坐标为(x₁，y₁)，烟囱内壁的半径修正值为R₁。

例如，从D1-D11十一个点中选取7组数据，分别为D1、D3、D5；D2、D4、D6；D3、D5、D7；D4、D6、D8；D5、D7、D9；D6、D8、D10；D7、D9、D11。通过步骤23中记载的公式可以计算出7组定位参数：(65，510，585)、(61，505，593)、(57，503，595)、(54，503，600)、(60，503，593)、(65，497，587)、(56，511，599)，分别记为向量S1-S7。若两个向量差的模小于某个阈值，可以把这两个向量视为相等，这里取阈值为5。将p(n)记为与第n个向量相等的向量个数。则p(1)＝0，p(2)＝2，p(3)＝3，p(4)＝1，p(5)＝2，p(6)＝0，p(7)＝0。显然p(3)的值最大，取(Xc，Yc，Rc)＝(57，503，595)，即无人机水平坐标为(57mm，503mm)，圆的半径为r＝595mm。

步骤S4、实时测量无人机与烟囱底部的距离，计算无人机距离地面的高度，确定无人机在参考直角坐标系下的高度位置坐标。

一具体实施例中，步骤S30包括：

步骤S41、通过无人机上安装的超宽带UWB(Ultra Wideband，超宽带)定位标签实时测量无人机与烟囱底部的原点处架设的超宽带UWB基站的距离L。步骤S42、通过公式

计算无人机距离地面的高度H；所述参考直角坐标系下的坐标(x，y，H)。

例如，UWB测得的距离L＝10000mm，人机水平坐标为(57mm，503mm)，通过步骤S303中记载的公式计算无人机距离地面的高度H＝9987mm。无人机在参考直角坐标系下的坐标为(57,503,9987)。

其中，为提高数据传输的准确性，可通过NMEA协议的格式将GPS地理坐标位置信息上传至飞行控制器。

此外，本发明实施例还提供了一种烟囱内无人机的定位装置，包括：彼此之间建立数据通信的建模单元、采集单元、水平坐标计算单元、高度坐标计算单元及处理单元。其中：

建模单元，用于建立烟囱内部的参考直角坐标系；

采集单元，用于控制无人机在烟囱内壁进行激光点云的采集；采集的数据包括烟囱内壁上不同观测点在极坐标系下的角度θ和距离ρ；

水平坐标计算单元，用于根据根据霍夫变换算法计算烟囱内壁的直径和无人机在参考直角坐标系中的水平位置坐标；

高度坐标计算单元，实时测量无人机与烟囱底部的距离，计算无人机距离地面的高度，确定无人机在参考直角坐标系下的高度位置坐标；

处理单元，将无人机在参考直角坐标系中的水平位置坐标和高度位置坐标转化为GPS地理坐标位置，上传GPS地理坐标位置至飞行控制器。

一优选实施例中，水平坐标计算单元可包括彼此建立数据通信的第一计算模块和第二计算模块。其中：

第一计算模块，用于从采集单元获取烟囱内壁上不同观测点在极坐标系下的角度θ和距离ρ，并将角度θ和距离ρ转换至参考直角坐标系中的坐标值(x，y)；其中，

第二计算模块，用于从第一计算模块获取多个采集点的坐标，将转参考直角坐标系中的任意三个采集点的坐标进行霍夫变换算法得到一组圆的参数(x_c，y_c，r_c)；其中，

y_c＝k₀₁×x_c+d₀₁，

x_c为无人机在参考直角坐标系中水平横坐标值，y_c为无人机在参考直角坐标系中水平纵坐标值，r_c为对应的烟囱内壁半径。

一优选实施例中，高度坐标计算单元可包括彼此建立数据通信的距离测量模块、第三计算模块及坐标确定模块。其中：

距离测量模块，通过无人机上安装的超宽带UWB定位标签实时测量无人机与烟囱底部的原点处架设的超宽带UWB基站的距离L；

第三计算模块，用于从距离测量模块获取距离L，从水平坐标计算单元获取无人机在参考直角坐标系中水平坐标，通过公式

计算无人机距离地面的高度H；

坐标确定模块，用于从水平坐标计算单元获取无人机在参考直角坐标系中水平坐标，从第三计算模块获取无人机距离地面的高度H；生成无人机在参考直角坐标系下的坐标(x_c，y_c，H)。

本发明实施例提供的一种或多种技术方案，至少具备以下有益效果:

本发明实施例提供的烟囱内无人机的定位方法及装置，建立烟囱内部的参考直角坐标系；通过无人机在烟囱内壁的同一圆周上进行激光点云的采集，同步计算出烟囱内壁的直径和无人机在参考直角坐标系中的水平位置坐标；实时测量无人机与烟囱底部的距离，计算无人机距离地面的高度，确定无人机在参考直角坐标系下的高度位置坐标；将无人机在参考直角坐标系中的水平位置坐标和高度位置坐标转化为GPS地理坐标位置，最终实现无人机在烟囱内的准确定位，可通过无人机对烟囱内部进行检测，提高了检测效率，同时节省了大量的人力及物力。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种烟囱内无人机的定位方法，其特征在于，包括：

建立烟囱内部的参考直角坐标系；

通过无人机在烟囱内壁进行激光点云的采集；采集的数据包括烟囱内壁上不同观测点在极坐标系下的角度θ和距离ρ；

根据霍夫变换算法计算烟囱内壁的直径和无人机在所述参考直角坐标系中的水平位置坐标；

实时测量无人机与烟囱底部的距离，计算无人机距离地面的高度，确定无人机在所述参考直角坐标系下的高度位置坐标；

将无人机在所述参考直角坐标系中的水平位置坐标和高度位置坐标转化为GPS地理坐标位置，上传GPS地理坐标位置至飞行控制器。

2.根据权利要求1所述的烟囱内无人机的定位方法，其特征在于，所述参考直角坐标系的原点为烟囱底部中心、Y轴为磁北向、Z轴为烟囱高度方向。

3.根据权利要求1或2所述的烟囱内无人机的定位方法，其特征在于，所述根据霍夫变换算法计算烟囱内壁的直径和无人机在所述参考直角坐标系中的水平位置坐标值，包括：

将烟囱内壁上不同观测点在极坐标系下的角度θ和距离ρ转换至所述参考直角坐标系中的坐标值(x，y)；其中，

将参考直角坐标系中的任意三个采集点的坐标值得到一组圆的参数(x_c，y_c，r_c)；其中，

y_c＝k₀₁×x_c+d₀₁，

所述

所述x_c为无人机在参考直角坐标系中水平横坐标值，所述y_c为无人机在参考直角坐标系中水平纵坐标值，所述r_c为对应的烟囱内壁半径。

4.根据权利要求3所述的烟囱内无人机的定位方法，其特征在于，所述实时测量无人机与烟囱底部的距离，计算无人机距离地面的高度，确定无人机在所述参考直角坐标系下的高度位置坐标，包括：

通过无人机上安装的超宽带UWB定位标签实时测量无人机与烟囱底部的原点处架设的超宽带UWB基站的距离L；

通过公式

计算无人机距离地面的高度H；

生成无人机在所述参考直角坐标系下的坐标(x_c，y_c，H)。

5.根据权利要求3所述的基于无人机的烟囱内壁定位方法，其特征在于，将参考直角坐标系中的任意三个采集点的坐标值得到一组圆的参数(x_c，y_c，r_c)后，对所述圆的参数(x_c，y_c，r_c)进行如下修正步骤：

将圆的参数(x_c，y_c，r_c)记为向量P，将n个所述向量P组成的向量组Pn；

选择向量组Pn中的至少两个向量P，每两个向量P进行模的差值运算，直至选择的所有的向量参与运算；

设定一个阈值，若向量组Pn中的两个向量的模的差值小于所述阈值，则两个向量视为相等；

统计各相等向量的数量，并寻找出数量最多的相等向量(x₁，y₁，r₁)；

将所述相等向量(x₁，y₁，r₁)为修正后的圆的参数，无人机所处的水平位置的修正坐标为(x₁，y₁)，烟囱内壁的半径修正值为R₁。

6.根据权利要求1所述的烟囱内无人机的定位方法，其特征在于，所述GPS地理坐标位置信息上传至飞行控制器采用NMEA协议。

7.一种烟囱内无人机的定位装置，其特征在于，包括：

建模单元，用于建立烟囱内部的参考直角坐标系；

采集单元，用于控制无人机在烟囱内壁进行激光点云的采集；采集的数据包括烟囱内壁上不同观测点在极坐标系下的角度θ和距离ρ；

水平坐标计算单元，用于根据根据霍夫变换算法计算烟囱内壁的直径和无人机在所述参考直角坐标系中的水平位置坐标；

高度坐标计算单元，实时测量无人机与烟囱底部的距离，计算无人机距离地面的高度，确定无人机在所述参考直角坐标系下的高度位置坐标；

处理单元，将无人机在所述参考直角坐标系中的水平位置坐标和高度位置坐标转化为GPS地理坐标位置，上传GPS地理坐标位置至飞行控制器。

8.根据权利要求7所述的烟囱内无人机的定位装置，其特征在于，所述水平坐标计算单元包括：

第一计算模块，用于从所述采集单元获取烟囱内壁上不同观测点在极坐标系下的角度θ和距离ρ，并将所述角度θ和距离ρ转换至所述参考直角坐标系中的坐标值(x，y)；其中，

第二计算模块，用于从所述第一计算模块获取多个采集点的坐标，将转参考直角坐标系中的任意三个采集点的坐标进行霍夫变换算法得到一组圆的参数(x_c，y_c，r_c)；其中，

y_c＝k₀₁×x_c+d₀₁，

所述

所述x_c为无人机在参考直角坐标系中水平横坐标值，所述y_c为无人机在参考直角坐标系中水平纵坐标值，所述r_c为对应的烟囱内壁半径。

9.根据权利要求8所述的烟囱内无人机的定位装置，其特征在于，所述高度坐标计算单元包括：

距离测量模块，通过无人机上安装的超宽带UWB定位标签实时测量无人机与烟囱底部的原点处架设的超宽带UWB基站的距离L；

第三计算模块，用于从所述距离测量模块获取距离L，从所述水平坐标计算单元获取无人机在参考直角坐标系中水平坐标，通过公式

计算无人机距离地面的高度H；

坐标确定模块，用于从所述水平坐标计算单元获取无人机在参考直角坐标系中水平坐标，从所述第三计算模块获取无人机距离地面的高度H；生成无人机在所述参考直角坐标系下的坐标(x_c，y_c，H)。

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