CN113050671A - 一种用于检测天然气泄露的无人机系统及检测方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于检测天然气泄露的无人机系统及检测方法，无人机系统包括飞行控制系统、信息采集系统以及地面控制系统；飞行控制系统根据接收指令控制无人机进行自动起飞、自动降落以及按照航线巡检飞行；信息采集系统包括摄像模块和传感器模块，摄像模块用于对巡检过程中的图像信息进行采集，传感器模块包括获取无人机实时飞行状态信息的多种传感器以及用于检测泄露的激光甲烷测量仪；地面控制系统包括指令发送模块、通讯模块、信息处理模块以及数据库，信息处理模块通过通讯模块接收采集信息并进行处理，生成甲烷浓度的实时电子地图。本发明能够提高巡检工作的效率与质量，实现信息快速处理。
Description
技术领域
本发明属于无人机领域，具体涉及一种用于检测天然气泄露的无人机系统及检测方法。
背景技术
燃气作为一种绿色环保的清洁能源，在不断改善人们生活质量的同时，在社会生产和经济发展中的地位也在逐步提高，然而随之也带来了不断增长的风险与隐患。天然气泄漏事件造成的事故频发，不仅造成了大量的人员伤亡和财产损失，也对环境造成了破坏。与此同时，根据统计调查结果显示，燃气在运输过程中的损失可占运输量的10％，可见对燃气管道巡检工作的重要性。目前燃气公司对管线的维护工作主要依靠人工日常巡检，工作人员配备了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，这难以保证数据的完整性和准确性，而且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。
传统的无人机应用领域，通过航空拍摄，使无人机按照设计规划的航线飞行，实时接收图像。但该技术与管道巡检的不匹配之处在于，影像的精度要求使得无人机在执行巡检任务时，承担了一部分不必要的负荷，加大工作负担的同时，也降低了航程和效率。而市面上目前已有的管道巡检无人机功能单一，并不能快速以及准确的反应巡检信息。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术中管道巡检无人机不能快速、准确反应巡检信息的问题，提供一种用于检测天然气泄露的无人机系统及检测方法，提高巡检工作的效率与质量，节约成本，更加全面地掌握地面管线环境信息，实现信息快速处理，节约时间并降低风险。
为了实现上述目的，本发明有如下的技术方案：
一种用于检测天然气泄露的无人机系统，包括飞行控制系统、信息采集系统以及地面控制系统；所述的飞行控制系统根据接收指令控制无人机进行自动起飞、自动降落以及按照航线巡检飞行；所述的信息采集系统包括摄像模块和传感器模块，所述的摄像模块用于对巡检过程中的图像信息进行采集，传感器模块包括获取无人机实时飞行状态信息的多种传感器以及用于检测泄露的激光甲烷测量仪；所述的地面控制系统包括指令发送模块、通讯模块、信息处理模块以及数据库，所述的指令发送模块通过通讯模块向飞行控制系统与信息采集系统发送指令，信息处理模块通过通讯模块接收采集信息并进行处理，生成甲烷浓度的实时电子地图，数据库用于实现数据的保存和查询。
优选的，所述的飞行控制系统包括飞行控制器以及与飞行控制器相连的舵机，所述的飞行控制器能够接收指令并获取传感器采集到的无人机实时飞行状态信息，控制舵机以保持或改变飞机姿态，实现无人机进行自动起飞、自动降落以及按照航线巡检飞行。
优选的，所述的摄像模块包括图像传感器、透镜、A/D转换模块以及DSP芯片，通过图像传感器处理由透镜生成的光学图像，将其转化为电信号，再通过A/D转换模块转换为数字信号之后由DSP芯片处理，获取图像信息。
优选的，所述的传感器模块融合了能够获取三轴加速度的加速度计、能够获取三轴角度变化的陀螺仪、能够获取无人机当前海拔高度的气压传感器以及用于探测地面高度的红外测距传感器。
优选的，所述的激光甲烷测量仪包括甲烷探测器、对准镜头、方向调节转轴和挂架，通过挂架将甲烷探测器连接至无人机，甲烷探测器下方通过方向调节转轴连接对准镜头；所述对准镜头的光路和甲烷探测器的检测激光光路平行，镜头所拍摄画面的中心即甲烷探测器对准位置。
优选的，所述的通讯模块通过频率为433MHz、通信速率为115200b/s的数据链实现信息联络。
优选的，所述的信息处理模块基于QT5.9开发平台将摄像模块拍摄到的视频信息与激光甲烷测量仪获得的甲烷浓度信息集合到GIS地图中，通过图形界面的方式呈现甲烷浓度的实时电子地图。
优选的，甲烷浓度的实时电子地图实时显示甲烷浓度随时间变化的曲线，如果发现甲烷浓度超过事先设定的报警值，发出报警信号同时自动抓拍现场影像作为记录，实现甲烷浓度实时显示与报警。
本发明还提出一种用于检测天然气泄露的方法，包括以下步骤：
步骤一、采集无人机飞行过程中的图像信息以及甲烷浓度信息，并利用多种传感器获取无人机实时飞行状态信息，调整无人机的飞行路线，使无人机按照设定航线巡检；
步骤二、对采集到的图像信息以及甲烷浓度信息使用PCA-SIFT特征匹配算法，生成甲烷浓度的实时电子地图；
步骤三、监测甲烷浓度的实时电子地图，如果发现甲烷浓度超过事先设定的报警值，发出报警信号同时自动抓拍现场影像作为记录。
相较于现有技术，本发明至少有如下的有益效果：
目前市面上的甲烷检测装置主要由人负责操控和携带，而燃气公司的管气维护工作也主要依靠人工的日常巡检，需要工作人员手持甲烷检测装置步行或开车进行巡检工作，这不仅花费了大量的人力、物力和时间，也比较容易造成疏漏。同时部分管线位置由于环境、交通或人文等因素影响不便人工巡检。而由于恶劣环境、管气泄露状况未知，人工巡检存在着一定的安全隐患。另一方面，人工巡检由于位置处于地面，往往不能全面地了解管道的周边环境。最后，人工巡检的信息处理和汇总的效率较低，对于出现的泄露情况处理较慢，容易浪费宝贵的抢修时间。传统的无人机行业常用无人机遥感技术，通过航空拍摄，使无人机按照设计规划的航线飞行，实时接收图像。但该项技术与管道巡检的不匹配之处在于，影像的精度要求使得无人机在执行巡检任务时，承担了一部分不必要的负荷，加大工作负担的同时，降低了航程和效率。本发明使用无人机搭载激光甲烷遥测仪和摄像模块构成遥感系统。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，从而能够及时处理紧急情况等。搭载摄像模块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，并输送数据至地面站进行数据的汇总和信息处理。本发明结合无人机系统、信息采集系统、地面控制系统构成无人机检测体系，可实时绘制泄露浓度电子图，并进行数据的整合与分析，并通过图形界面的方式呈现给操作者，方便操作者随时快速掌握管道情况，对整体检修效率有一定提升。
附图说明
图1本发明无人机系统的整体结构框图；
图2本发明检测方法实施例的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。
本发明将甲烷检测技术与无人机应用相结合，将机载甲烷泄漏检测系统挂载在无人机上，进而实现巡检人员不易到达的、大范围的管道第三方破坏以及泄漏巡检。无人机巡检系统由飞行控制系统1、信息采集系统2以及地面控制系统3三部分构成，各部分组成如图1所示。
飞行控制系统1是无人机巡检系统的核心部分，主要由机载通讯模块、飞行控制器11和动力系统模块构成。其中，机载通讯模块负责地面与空中的通信；动力系统模块为无人机提供飞行动力；飞行控制器11可根据地面控制系统中控制软件下达的指令，实现自动起飞、自动降落，并按照指定的航线进行巡检作业，在紧急情况下自动安全降落并返回报警信息。
信息采集系统2主要由摄像模块21和传感器模块22构成，摄像模块21负责对图像信息进行采集；传感器模块22融合了加速度计、陀螺仪、气压传感器、红外测距传感器等部件，用于获取无人机实时飞行状态等信息，保障无人机的安全作业。
地面控制系统3主要由指令发送模块31、通讯模块32、信息处理模块33以及数据库34构成，通讯模块32负责地面与空中的通信；指令发送模块31通过软硬件的配合完成任务规划、航线制定、无人机状态监测等功能；信息处理模块33对采集的图像进行图像融合及图像拼接作业；数据库34提供图文信息的保存及查询等功能。
无人机搭载激光甲烷测量仪测量系统的工作过程，如下图2所示。无人机平台是任务载荷和测控数据链机载设备的载体，用于为激光甲烷检测仪测量系统提供空中对地观测平台。任务载荷是激光甲烷检测仪测量系统的对地观测手段，用于采集任务绘制目标的图像、视频和采集甲烷泄露情况。数据链是激光甲烷检测仪测量系统的空中部分与地面部分相互联络的信息通道，用于将任务载荷获取的信息实时回传给地面，同时将无人机的下行遥测信息发送至地面站，并将上行遥控信息发送至飞机和任务载荷。地面站是激光甲烷检测仪测量系统的指挥中心。它通过软硬件等设备的配合对无人机系统进行任务规划、控制无人机起降，实时监测系统的工作状态、发出系统的各种控制指令，并完成飞行过程相关数据的存储。
本发明的一种具体实施例中，飞行控制系统1包括飞行控制器11以及与飞行控制器11相连的舵机12，飞行控制器11能够接收指令并获取传感器采集到的无人机实时飞行状态信息，控制舵机12以保持或改变飞机姿态，实现无人机进行自动起飞、自动降落以及按照航线巡检飞行。摄像模块21包括图像传感器211、透镜212、A/D转换模块213以及DSP芯片214，通过图像传感器37处理由透镜212生成的光学图像，将其转化为电信号，再通过A/D转换模块213转换为数字信号之后由DSP芯片214处理，获取图像信息。激光甲烷测量仪包括甲烷探测器、对准镜头、方向调节转轴和挂架，通过挂架将甲烷探测器连接至无人机，甲烷探测器下方通过方向调节转轴连接对准镜头；方向调节转轴可控制镜头的俯仰角；对准镜头的光路和甲烷探测器的检测激光光路平行，镜头所拍摄画面的中心即甲烷探测器对准位置。通讯模块32通过频率为433MHz、通信速率为115200b/s的数据链实现信息联络。
本发明的一种具体实施例中，信息处理模块33能够将无人机拍摄的高清视频、甲烷泄漏遥测仪获得的甲烷浓度信息集合到GIS地图中，进行数据的整合与分析，并通过图形界面的方式呈现给操作者，使操作者能够多维度综合分析管道周围环境与隐患，并且易于将巡检数据归纳存档。本部分基于QT5.9开发平台，采用C++编程语言编写功能软件，通过采用高级图像处理技术、深度学习(如卷积神经网络等)技术对可见光相机的视频图像数据进行智能分析，检测出图像的异常特征，实现第三方破坏自动识别与反馈。另一方面，巡检过程中能实时显示甲烷浓度随时间变化的曲线，如发现甲烷浓度超过事先设定的报警值，本模块将发出报警信号，同时甲烷泄漏遥测设备下方的对准摄像头会自动抓拍现场影像作为记录，操作者也可以手动添加事件点进行文字记录，实现甲烷浓度实时显示与报警。
本发明还提出一种用于检测天然气泄露的方法，包括以下步骤：
步骤一、采集无人机飞行过程中的图像信息以及甲烷浓度信息，并利用多种传感器获取无人机实时飞行状态信息，调整无人机的飞行路线，使无人机按照设定航线巡检；
步骤二、对采集到的信息使用PCA-SIFT特征匹配算法，生成甲烷浓度的实时电子地图；SIFT算法具有尺度不变性、旋转不变性，且对于光照变化不敏感，非常适合于轻小型无人机遥感影像匹配，提取的特征鲁棒性较强。PCA主要用于数据降维，针对轻小型无人机低空遥感，影像分辨率高，SIFT算法得到的不同特征点之间描述向量距离明显，对128维特征点向量进行主成分分析，生成较低的k维主成分特征向量，对不同特征点之间的差异性以及保持特征点向量的独特性影响不大，且可以大大减小特征点描述和匹配的计算复杂度。
步骤三、利用甲烷浓度的实时电子地图，进行数据的整合与分析，并通过图形界面的方式呈现给操作者，使操作者能够多维度综合分析管道周围环境与隐患，并且易于将巡检数据归纳存档，实现快速发现故障或事故地点，节约抢救维修时间。
以上所述的仅仅是本发明的较佳实施例，并不用以对本发明的技术方案进行任何限制，本领域技术人员应当理解的是，在不脱离本发明精神和原则的前提下，该技术方案还可以进行若干简单的修改和替换，这些修改和替换也均属于权利要求书所涵盖的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种用于检测天然气泄露的无人机系统，其特征在于：包括飞行控制系统(1)、信息采集系统(2)以及地面控制系统(3)；所述的飞行控制系统(1)根据接收指令控制无人机进行自动起飞、自动降落以及按照航线巡检飞行；所述的信息采集系统(2)包括摄像模块(21)和传感器模块(22)，所述的摄像模块(21)用于对巡检过程中的图像信息进行采集，传感器模块(22)包括获取无人机实时飞行状态信息的多种传感器以及用于检测泄露的激光甲烷测量仪；所述的地面控制系统(3)包括指令发送模块(31)、通讯模块(32)、信息处理模块(33)以及数据库(34)，所述的指令发送模块(31)通过通讯模块(32)向飞行控制系统(1)与信息采集系统(2)发送指令，信息处理模块(33)通过通讯模块(32)接收采集信息并进行处理，生成甲烷浓度的实时电子地图，数据库(34)用于实现数据的保存和查询。
2.根据权利要求1所述用于检测天然气泄露的无人机系统，其特征在于：所述的飞行控制系统(1)包括飞行控制器(11)以及与飞行控制器(11)相连的舵机(12)，所述的飞行控制器(11)能够接收指令并获取传感器采集到的无人机实时飞行状态信息，控制舵机(12)以保持或改变飞机姿态，实现无人机进行自动起飞、自动降落以及按照航线巡检飞行。
3.根据权利要求1所述用于检测天然气泄露的无人机系统，其特征在于：所述的摄像模块(21)包括图像传感器(211)、透镜(212)、A/D转换模块(213)以及DSP芯片(214)，通过图像传感器(37)处理由透镜(212)生成的光学图像，将其转化为电信号，再通过A/D转换模块(213)转换为数字信号之后由DSP芯片(214)处理，获取图像信息。
4.根据权利要求1所述用于检测天然气泄露的无人机系统，其特征在于：所述的传感器模块(31)融合了能够获取三轴加速度的加速度计、能够获取三轴角度变化的陀螺仪、能够获取无人机当前海拔高度的气压传感器以及用于探测地面高度的红外测距传感器。
5.根据权利要求1所述用于检测天然气泄露的无人机系统，其特征在于：所述的激光甲烷测量仪包括甲烷探测器、对准镜头、方向调节转轴和挂架，通过挂架将甲烷探测器连接至无人机，甲烷探测器下方通过方向调节转轴连接对准镜头；所述对准镜头的光路和甲烷探测器的检测激光光路平行，镜头所拍摄画面的中心即甲烷探测器对准位置。
6.根据权利要求1所述用于检测天然气泄露的无人机系统，其特征在于：所述的通讯模块(32)通过频率为433MHz、通信速率为115200b/s的数据链实现信息联络。
7.根据权利要求1所述用于检测天然气泄露的无人机系统，其特征在于：所述的信息处理模块(33)基于QT5.9开发平台将摄像模块(21)拍摄到的视频信息与激光甲烷测量仪获得的甲烷浓度信息集合到GIS地图中，通过图形界面的方式呈现甲烷浓度的实时电子地图。
8.根据权利要求7所述用于检测天然气泄露的无人机系统，其特征在于：甲烷浓度的实时电子地图实时显示甲烷浓度随时间变化的曲线，如果发现甲烷浓度超过事先设定的报警值，发出报警信号同时自动抓拍现场影像作为记录，实现甲烷浓度实时显示与报警。
9.一种用于检测天然气泄露的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、采集无人机飞行过程中的图像信息以及甲烷浓度信息，并利用多种传感器获取无人机实时飞行状态信息，调整无人机的飞行路线，使无人机按照设定航线巡检；
步骤二、对采集到的图像信息以及甲烷浓度信息使用PCA-SIFT特征匹配算法，生成甲烷浓度的实时电子地图；
步骤三、监测甲烷浓度的实时电子地图，如果发现甲烷浓度超过事先设定的报警值，发出报警信号同时自动抓拍现场影像作为记录。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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