CN112445237A - 无人机巡检地面站系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无人机控制技术领域，具体涉及无人机巡检地面站系统，本发明的无人机巡检地面站系统，包括数据采集单元以及管理单元；所述数据采集单元包括控制模块以及与其连接的通讯模块和显示模块，所述控制模块通过所述通讯模块与无人机设备进行无线电数据链通信，所述管理单元与所述控制模块信号连接，所述管理单元包括点云显示模块以及量测模块；所述点云显示模块显示所述控制模块处理得到的实时点云数据，所述量测模块对所述实时点云数据进行量测处理。本发明的无人机巡检地面站系统，使用方便，运维成本低，定位精准，抗干扰能力强，巡检效率高。

Description

无人机巡检地面站系统

技术领域

本发明涉及无人机控制技术领域，具体涉及无人机巡检地面站系统。

背景技术

我国电网现行高压输电线路运维模式和巡检方式，通过维护人员依靠地面交通工具或徒步行走、利用手持仪器或肉眼来巡查设施处理缺陷，不仅劳动强度大、工作条件艰苦，而且劳动效率低，特别是对山区和大跨越线路巡检，以及在冰灾、地震、水灾、滑坡、夜间条件的巡线检查，所花时间长、成本高、困难大，不能满足自然灾害巡检、重要保障供电巡检以及电网紧急故障条件下应急巡检的需要，不能适应现代化电网的发展和安全运行需要。

为适应新的电力线路巡检需求，国内外积极开发各种人工巡检的代替方案，无人机巡检是可行的方案之一。无人机巡检因为无人机设备造价相对低廉，近年来无人机设备性能和飞行控制技术都有了极大的提高，逐渐成为了研究热点。

中国专利CN108803658A公开了基于无人机的巡检系统，但是该系统巡检时需要使用到两台或两台以上的无人机，使用起来并不方便，而且也会增加运维成本。为了确保输电线路和无人机的安全，无人机电力线路安全巡检自主飞行时需要在地面站系统进行全程人工监控，进而满足无人机电力线路安全巡检的各项需要，然而，目前尚无能满足上述各项需要的成熟技术。

发明内容

为了克服现有技术所存在的缺陷，本发明提供了无人机巡检地面站系统，使用方便，运维成本低，定位精准，抗干扰能力强，巡检效率高。

为解决上述技术问题，本发明提供以下技术方案：

无人机巡检地面站系统，包括数据采集单元以及管理单元；

所述数据采集单元包括控制模块以及与其连接的通讯模块和显示模块，所述控制模块通过所述通讯模块与无人机设备进行无线电数据链通信，所述控制模块对无人机设备的状态数据进行解析处理，所述显示模块显示无人机设备的状态数据，所述状态数据包括实时点云数据，所述控制模块将操控指令通过所述通讯模块传送至无人机设备并对无人机设备运行状态进行调控；

所述管理单元与所述控制模块信号连接，所述管理单元包括点云显示模块以及量测模块；所述点云显示模块显示所述控制模块处理得到的实时点云数据，所述量测模块对所述实时点云数据进行量测处理。

进一步的，所述通讯模块包括串口发送模块、串口接收模块以及串口连接模块；所述控制模块通过所述串口发送模块和串口连接模块向无人机设备发送操控指令；所述控制模块通过所述串口接收模块和串口连接模块接收无人机设备回传的状态数据。

进一步的，还包括与所述控制模块连接的数据库，所述数据库中存储有航点及航线信息，所述控制模块调用所述航点及航线信息并转化为操控指令。

进一步的，所述数据库还存储有任务记录信息、系统配置信息以及历次飞行数据信息。

进一步的，所述数据库中创建有航线表，所述航线表内存储有航线编号以及该航线所包含的航点字符串，所述数据库中建立有每一条航线的航线内容表，所述航线内容表存储有该航线各个航点以及每个航点的速度、高度、距前一个航点的距离以及是否是穿点、超低空点、回收点。

进一步的，包括地图导航模块，所述地图导航模块中存储有电子地图，所述状态数据还包括无人机设备的经纬度和高程信息，所述控制模块根据经纬度和高程信息将无人机设备的当前位置标注在电子地图上并标注无人机设备的飞行轨迹。

进一步的，所述量测模块量测处理的内容包括单点属性量测、距离量测、高度量测和角度量测。

进一步的，所述显示模块的显示信息包括GPS信息、RTK状态、IMU状态、激光数据大小、航向角误差、主天线PDOP、从天线PDOP、主天线卫星数以及从天线卫星数。

进一步的，所述点云显示模块的显示模式包括按高程、强度和RGB进行显示。

进一步的，根据所述数据库中存储的航点及航线信息，若两条航线矢量的夹角大于10度，在电子地图上实时绘制航线的方法为：

目标航点不需要穿点情况下，设置无人机飞行航线中的三个点为a，b，c；其中，a为无人机刚飞过的航点，b为目标航点，c为目标航点的下一个航点；

航线ab与航线bc的矢量夹角大于10度，b为不穿点航点；

无人机设备沿航线a-b-c的顺序飞行，设矢量ab与bc的夹角为θ，航点b不需要穿点，构造一段圆弧，将ab与bc连接；

设置无人机设备当前横滚角为Φ，速度为V，重力加速度为g，则当前向心加速度矢量：

a＝g tanφ； (1)

加速度公式：

a＝ω²r＝V²/r； (2)

ω为转弯角速率，r为半径，则由公式(1)和(2)可得转弯半径为：

r＝V²/g tanΦ (3)

故圆弧与ab航线的交点距b的距离，由公式(3)可得，为：

r tan(θ/2)＝V²tan(θ/2)/(g tanΦ) (4)

其中，横滚角Φ为常值35度，该常值根据无人机设备模型的不同进行调整。

采用上述技术方案，本发明提供的无人机巡检地面站系统的有益效果有：

本发明的无人机巡检地面站系统，调控方便，运维成本低，定位精准，抗干扰能力强，巡检效率高，利用本发明的无人机巡检地面站系统，可以实现对无人机设备进行实时数据传输，进而下载无人机状态信息，并通过显示模块进行显示，同时，通过量测模块对实时点云数据进行量测处理，便于对无人机设备飞行状态进行调控。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述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是本发明的无人机巡检地面站系统的结构示意图；

图2是本发明的无人机巡检地面站系统中，目标航点为不穿点时航迹绘制原理图；

图3是转弯半径与速度和横滚角的关系示意图；

图4是目标航点为穿点时航迹绘制原理图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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。

本发明实施例包括：

实施例一：

如图1所示，本发明的无人机巡检地面站系统，包括数据采集单元和管理单元；

数据采集单元包括控制模块以及与其连接的通讯模块和显示模块，控制模块通过通讯模块与无人机设备进行无线电数据链通信，控制模块对无人机设备的状态数据进行解析处理，显示模块显示无人机设备的状态数据，状态数据包括实时点云数据，控制模块将操控指令通过通讯模块传送至无人机设备并对无人机设备运行状态进行调控；

管理单元与控制模块信号连接，管理单元包括点云显示模块以及量测模块；点云显示模块显示控制模块处理得到的实时点云数据，量测模块对实时点云数据进行量测处理。

在本实施例中，通讯模块包括串口发送模块、串口接收模块以及串口连接模块；控制模块通过串口发送模块和串口连接模块向无人机设备发送操控指令；控制模块通过串口接收模块和串口连接模块接收无人机设备回传的状态数据。

串行数据传送的特点是：数据传送按位顺序进行，最少只需要一根传输线即可完成，节省传输线，与并行通信相比，串行通信较为显著的优点是传输距离长、通信时钟频率容易提高以及抗干扰能力十分强。

串行通信又称为串口通信，串口的数据传送模式可分为单工、半双工和全双工三种。单工形式的数据传送是单向的，通信双方中，一方固定为发送端，另一方则固定为接收端，信息只能沿一个方向传送，使用一根传输线；半双工通信使用同一根传输线，即可发送数据又可接收数据，但不能同时发送和接收，在任何时刻只能由其中的一方发送数据，另一方接收数据，因此半双工形式即可以使用一条数据线，也可以使用两条数据线；全双工数据通信分别由两根可以在两个不同的站点同时发送和接收的传输线进行传送，通信双方都能在同一时刻进行发送和接收操作。

串行传输中，由于接收方和发送方的时钟控制误差，会造成数据传输过程出现差错。为了解决出差错问题，可以用同步传输和异步传输来解决问题。

同步传输方式中，数据被封装成多个字节的帧进行传输，发送端与接收端通过一条独立的时钟线路链接或者采用嵌有时钟信息的数据编码，保证双方同步且稳定接收比特流。异步传输方式中，字符可连续可随机的发送，但一旦开始发送，组成这个字符的数据位将被连续的发送过去，收、发双方以约定的传输速率，在时钟的作用下，传送这个字符中的每一位，这样接收端能正确的恢复数据。

在本实施例中，还包括与控制模块连接的数据库，数据库中存储有航点及航线信息，控制模块调用航点及航线信息并转化为操控指令。

在本实施例中，数据库还存储有任务记录信息、系统配置信息以及历次飞行数据信息，便于工作人员进行调用。

在本实施例中，数据库中创建有航线表，航线表内存储有航线编号以及该航线所包含的航点字符串，数据库中建立有每一条航线的航线内容表，航线内容表存储有该航线各个航点以及每个航点的速度、高度、距前一个航点的距离以及是否是穿点、超低空点、回收点。

在本实施例中，包括地图导航模块，地图导航模块中存储有电子地图，状态数据还包括无人机设备的经纬度和高程信息，控制模块根据经纬度和高程信息将无人机设备的当前位置标注在电子地图上并标注无人机设备的飞行轨迹。

在本实施例中，量测模块量测处理的内容包括单点属性量测、距离量测、高度量测和角度量测，控制人员根据量测信息，可以得出待采集信息的数据，例如树木信息、杆塔信息等。

在本实施例中，显示模块的显示信息包括GPS信息、RTK状态、IMU状态、激光数据大小、航向角误差、主天线PDOP、从天线PDOP、主天线卫星数以及从天线卫星数。

在本实施例中，点云显示模块的显示模式包括按高程、强度和RGB进行显示。

在本实施例中，根据数据库中存储的航点及航线信息，可以在地图上实时绘制航线，数据库中的航点根据是否穿点的要求不同可以分为两种，以航点数据结构中航点标志的最低位来表示，1表示穿点，O表示不穿点，因而进行航线飞行时的航迹规划也分为两类。

如果两条航线矢量的夹角大于10度，则用下面方法规划航迹：

1.目标航点不需要穿点：

如图2所示，设无人机飞行航线中的三个点为a，b，c。

a为无人机刚飞过的航点，b为目标航点，即为下一个即将要飞临的航点，c为目标航点的下一个航点。

航线ab与航线bc的矢量夹角大于10度，b为不穿点航点。

无人机设备沿航线a-b-c的顺序飞行，目标航点为b点，设矢量ab与bc的夹角为θ，因为航点b不需要穿点，因此构造一段圆弧，将ab与bc连接起来。

如图3所示，无人机设备的转弯半径与当前的速度和无人机设备的横滚角有关。

设置无人机设备当前横滚角为Φ，速度为V，重力加速度为g，则当前向心加速度矢量：

a＝g tanφ； (1)

加速度公式：

a＝ω²r＝V²/r； (2)

ω为转弯角速率，r为半径，则由公式(1)和(2)可得转弯半径为：

r＝V²/g tanΦ (3)

故圆弧与ab航线的交点距b的距离，由公式(3)可得，为：

r tan(θ/2)＝V²tan(θ/2)/(g tanΦ) (4)

现在的无人机地面站中，横滚角Φ暂定为常值35度，该常值可能根据无人机设备模型的不同进行调整。

2.目标航点需要穿点：

如图4所示，当目标航点为穿点时，无人机必须要经过此点才算完成规定任务。

无人机设备沿航线a-b-c的顺序飞行，当前目标航点为b点，航点b需要穿点飞行，则在矢量ab的延长线上构造以虚拟航点P。然后以P为目标航点进行航迹规划，规划方法与目标航点不穿点的情况相同。

虚拟航点P的构造方法为：取航点c的下一航点d(c不为回收点，若c为回收点，b点按不穿点处理)，则矢量ab的延长线与cd的反向延长线的交点为点P。

利用本发明的无人机巡检地面站系统，可以实现对无人机设备进行实时数据传输，进而下载无人机状态信息，并通过显示模块进行显示，同时，通过量测模块对实时点云数据进行量测处理，便于对无人机设备飞行状态进行调控。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.无人机巡检地面站系统，其特征在于，包括数据采集单元以及管理单元；

所述数据采集单元包括控制模块以及与其连接的通讯模块和显示模块，所述控制模块通过所述通讯模块与无人机设备进行无线电数据链通信，所述控制模块对无人机设备的状态数据进行解析处理，所述显示模块显示无人机设备的状态数据，所述状态数据包括实时点云数据，所述控制模块将操控指令通过所述通讯模块传送至无人机设备并对无人机设备运行状态进行调控；

所述管理单元与所述控制模块信号连接，所述管理单元包括点云显示模块以及量测模块；所述点云显示模块显示所述控制模块处理得到的实时点云数据，所述量测模块对所述实时点云数据进行量测处理。

2.根据权利要求1所述的无人机巡检地面站系统，其特征在于，所述通讯模块包括串口发送模块、串口接收模块以及串口连接模块；所述控制模块通过所述串口发送模块和串口连接模块向无人机设备发送操控指令；所述控制模块通过所述串口接收模块和串口连接模块接收无人机设备回传的状态数据。

3.根据权利要求1所述的无人机巡检地面站系统，其特征在于，还包括与所述控制模块连接的数据库，所述数据库中存储有航点及航线信息，所述控制模块调用所述航点及航线信息并转化为操控指令。

4.根据权利要求3所述的无人机巡检地面站系统，其特征在于，所述数据库还存储有任务记录信息、系统配置信息以及历次飞行数据信息。

5.根据权利要求4所述的无人机巡检地面站系统，其特征在于，所述数据库中创建有航线表，所述航线表内存储有航线编号以及该航线所包含的航点字符串，所述数据库中建立有每一条航线的航线内容表，所述航线内容表存储有该航线各个航点以及每个航点的速度、高度、距前一个航点的距离以及是否是穿点、超低空点、回收点。

6.根据权利要求1所述的无人机巡检地面站系统，其特征在于，包括地图导航模块，所述地图导航模块中存储有电子地图，所述状态数据还包括无人机设备的经纬度和高程信息，所述控制模块根据经纬度和高程信息将无人机设备的当前位置标注在电子地图上并标注无人机设备的飞行轨迹。

7.根据权利要求1所述的无人机巡检地面站系统，其特征在于，所述量测模块量测处理的内容包括单点属性量测、距离量测、高度量测和角度量测。

8.根据权利要求1所述的无人机巡检地面站系统，其特征在于，所述显示模块的显示信息包括GPS信息、RTK状态、IMU状态、激光数据大小、航向角误差、主天线PDOP、从天线PDOP、主天线卫星数以及从天线卫星数。

9.根据权利要求1所述的无人机巡检地面站系统，其特征在于，所述点云显示模块的显示模式包括按高程、强度和RGB进行显示。

10.根据权利要求6所述的无人机巡检地面站系统，其特征在于，根据所述数据库中存储的航点及航线信息，若两条航线矢量的夹角大于10度，在电子地图上实时绘制航线的方法为：

目标航点不需要穿点情况下，设置无人机飞行航线中的三个点为a，b，c；

其中，a为无人机刚飞过的航点，b为目标航点，c为目标航点的下一个航点；

航线ab与航线bc的矢量夹角大于10度，b为不穿点航点；

无人机设备沿航线a-b-c的顺序飞行，设矢量ab与bc的夹角为θ，航点b不需要穿点，构造一段圆弧，将ab与bc连接；

设置无人机设备当前横滚角为Φ，速度为V，重力加速度为g，则当前向心加速度矢量为：

a＝gtanφ； (1)

加速度公式：

a＝ω²r＝V²/r； (2)

ω为转弯角速率，r为半径，则由公式(1)和(2)可得转弯半径为：

r＝V²/gtanΦ (3)

故圆弧与ab航线的交点距b的距离，由公式(3)可得，为：

rtan(θ/2)＝V²tan(θ/2)/(gtanΦ) (4)

其中，横滚角Φ为常值35度。

Images