CN113433963B - 一种针对磁悬浮轨道巡检的无人机多平台系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种针对磁悬浮轨道巡检的无人机多平台系统及方法，系统包括无人机硬件模块、处理器模块、磁场检测模块、数据传输模块以及多平台模块。本发明针对磁悬浮轨道的巡检技术，无人机不仅可以自主进行轨道循迹，还可以对磁悬浮轨道进行检查，解决了磁悬浮轨道检修困难、不易操作等问题。
Description
技术领域
本发明涉及设备巡检技术领域，具体涉及一种针对磁悬浮轨道巡检的无人机多平台系统及方法。
背景技术
智能化时代的到来，使得各行各业出现了各种各样的机器人，从而使得生产作业的效率进一步提升，而在众多机器人中，无人机是最为热门的一种机器人之一，它不仅可以实现运输、检测、航拍等民用活动，还可以应用于复杂环境的侦察、投射等军事活动。无人机已经越来越被人们所重视。
无人机是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机，或者由车载计算机完全地或间歇地自主操作。它具有体积小、造价低、使用方便、对作战环境要求低、战场生存能力较强等优点。无人机系统种类繁多、用途广、特点鲜明，致使其在尺寸、质量、航程、航时、飞行高度、飞行速度、飞行距离等多方面都有较大差异。无人机已经走进了各个领域，小到送快递，大到军事侦察，正因为有如此重要的作用，无人机产业已经得到了重点支持，已经成为国家战略的重要部分之一。
如今，城市交通问题愈发严重，因此我国各大城市开始寻求方法解决交通拥堵的现状，轨道交通作为近年来发展迅速的交通形式被广泛应用于我国的各大城市，磁悬浮列车作为一种新的轨道交通体系逐渐被重视，而磁悬浮轨道的完好至关重要，只有安全的轨道环境，才能够保证磁悬浮列车正常行驶。
基于上述，无人机磁悬浮轨道巡检具有广泛的应用前景，无人机巡检系统是一个复杂的集航空、输电、电力、气象、遥测遥感、通信、地理信息、图像识别、信息处理的一体系统，涉及飞行控制技术、机体稳定控制技术、数据链通讯技术、现代导航技术、机载遥测遥感技术、快速对焦摄像技术以及故障诊断等多个高尖技术领域。现代无人机具备高空、远距离、快速、自行作业的能力，可以穿越高山、河流对轨道进行快速巡检，对轨道中存有的异物、轨道受损处、进行全光谱的快速摄像和故障监测。但是当前的无人机巡检还不够完善，无法发挥最大的效用。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明旨在提供一种针对磁悬浮轨道巡检的无人机多平台系统及方法。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种针对磁悬浮轨道巡检的无人机多平台系统，包括无人机硬件模块、处理器模块、磁场检测模块、数据传输模块以及多平台模块；所述无人机硬件模块、处理器模块、磁场检测模块、数据传输模块均搭载在无人机上；
无人机硬件模块包括DOA定位单元、信息收集单元、飞行控制单元、驱动单元、能源供给单元；磁场检测模块包括高清摄像头、处理器和磁场检测仪；数据传输模块用于通过MAVLink协议实现无人机与地面控制平台和各个补给平台的数据互通；多平台模块包括地面控制平台和多个补给平台；
所述能源供给单元用于为无人机硬件模块、处理器模块、磁场检测模块、数据传输模块提供能量；
地面控制平台用于向补给平台发送需要巡检的轨道信息，各补给平台用于接收需要巡检的轨道信息，需要巡检的轨道段邻近的补给平台发出标注信号，DOA定位单元用于依靠DOA技术根据标注信号判断需要巡检的轨道段的方向和距离，无人机的飞行控制单元通过控制驱动单元，使无人机沿着DOA定位单元判断得到的方向和距离巡检；DOA定位单元还用于在飞行的过程中实时发出定位信号，各邻近补给平台和地面控制平台接收DOA定位单元发送的定位信号，邻近补给平台据此得到自身与无人机之间的相对位置并发送给地面控制平台，地面控制平台根据定位信号得到自身与无人机之间的相对位置；
信息收集单元用于获取无人机的飞行高度、飞行速度、飞行姿态和飞行环境气压，并将检测到的信息经过数据转换后发送至飞行控制单元；
飞行控制单元用于在通过数据传输模块接收来自地面控制平台的飞行命令或读取预先设定的命令后，控制驱动单元对无人机的姿态进行控制解算，控制无人机完成巡检任务；用于通过数据传输模块将信息收集单元收集到的信息发送至地面控制平台和补给平台；
驱动单元用于在飞行控制单元的控制下对无人机的姿态进行控制解算，驱动无人机飞行；
磁场检测仪用于在飞行过程中实时检测磁场数据并传输至处理器；处理器用于判断磁场检测仪检测到的磁场数据是否有异常，当有异常时控制高清摄像头的拍摄方向移动至异常处进行拍摄，并对高清摄像头获取的画面进行聚类和提取，得到非轨道类画面，然后将异常处的磁场数据以及非轨道类画面传输至处理器模块；高清摄像头用于在处理器的控制下拍摄异常处的画面；
处理器模块用于接收到磁场检测模块获得异常处的磁场数据和非轨道类画面图像后，利用DOA定位单元获取异常处的位置数据，通过数据传输模块将异常处的位置数据、磁场数据和非轨道类画面图像发送至地面控制平台；
所述补给平台还用于供无人机降落进行充电或避险。
进一步地，处理器模块主要由32位主处理器STM32F427、32位协处理器STM32F100和ODROID-XU4单板计算机组成。
进一步地，磁场检测模块还包括有光强传感器、照明器、固定支架、旋转器、电机和护罩，其中，光强传感器用于检测环境光照强度并传输至处理器，在环境光照强度较低时，处理器控制照明器打开，提升图像获取的清晰度；所述高清摄像头安装在旋转器上，电机在处理器的控制下驱动旋转器旋转，旋转器可实现360度旋转；所述电机、旋转器均固定在所述固定支架上；护罩罩设在整个磁场检测模块的外部。
进一步地，地面控制平台包括地面信号天线阵列、无线电平台一、图像传送平台、PC端、遥控器、支撑框架；地面信号天线阵列用于接收来自无人机和补给平台的信号以及向无人机和补给平台发送信号，地面信号天线阵列将接收的信号发送至无线电平台一和图像传送平台，经无线电平台一和图像传送平台处理后发送至PC端；操作人员可根据飞行环境，利用遥控器手动控制或利用PC端自动控制无人机巡检；支撑框架用来支撑整个地面控制平台。
进一步地，补给平台包括充电桩、备用无人机、保护罩、无线电平台二、补给平台信号天线阵列、信号处理器和信号发生器；保护罩罩设在整个补给平台的外部，用于保护补给平台内部以及供无人机进入避险，充电桩用于供无人机在电量不足可进入补给平台进行充电；所述补给平台信号天线阵列用于接收无人机和地面控制平台的信号以及向无人机和地面控制平台发送信号；信号处理器用于对接收到的信号进行处理，信号发生器用于生成标注信号并通过补给平台信号天线阵列发送出去。
本发明还提供一种利用上述系统的方法，具体过程为：
地面控制平台向补给平台发送需要巡检的轨道信息，各补给平台接收需要巡检的轨道信息，需要巡检的轨道段邻近的补给平台发出标注信号，DOA定位单元依靠DOA技术根据标注信号判断需要巡检的轨道段的方向和距离；飞行控制单元通过数据传输模块接收地面控制平台控制命令，按照DOA定位单元得到的巡检方向和巡检路径，控制驱动单元驱动无人机开始飞行巡检，信息收集单元开始收集无人机的各项飞行状态信息并传输至飞行控制单元，飞行控制单元通过数据传输模块回传至地面控制平台和补给平台；磁场检测仪开始实时获磁悬浮轨道的磁场数据并传输至处理器，当判断磁场数据有异常时，处理器控制高清摄像头的拍摄方向转向异常处，并对拍摄的画面进行聚类和提取得到非轨道类画面，处理器将异常处的磁场数据和非轨道类画面传输至处理器模块，处理器模块利用DOA定位单元获取异常处的位置信息，然后通过数据传输模块将异常处的磁场数据、非轨道类画面和位置信息传输至地面控制平台；各补给平台接收无人机的DOA定位单元发出的定位信号，在此基础上得出无人机与自身的相对位置发送给地面控制平台，地面控制平台实时接收无人机的定位信号和补给平台的相对位置数据，得到无人机距离地面控制平台与各补给平台的距离和方向并在可视化窗口显示；
地面控制平台接收到异常处的磁场数据、非轨道类画面和位置信息后，若最终判断该异常处为正常，则控制无人机继续巡检；若最终判断该异常处为非正常，发送控制命令至无人机的处理模块，无人机记录保存轨道位置信息、画面数据和时间，之后将这些数据回传，地面控制平台进行保存；
无人机在记录完后，无人机恢复成初始巡检姿态，再次获取标注信号，并再次根据标注信号得到的巡检方向和巡检距离继续巡检，直到终点位置或收到停止命令。
上述方法中，无人机在飞行过程中，飞行控制单元根据信息采集单元采集的信息随时判断周围环境是否有危险、自身设备是否正常或者电量是否充足；若一切正常，继续巡检；若不正常，飞行控制单元向地面控制平台发出就近补给平台降落请求，地面控制平台根据情况，向飞行控制单元发出答复命令；飞行控制单元收到答复命令后，如命令允许进入补给平台，则飞行控制单元控制无人机进入补给平台避险或充电。
本发明的有益效果在于：
本发明完善了针对磁悬浮轨道的巡检技术，无人机不仅可以自主进行轨道循迹，还可以对磁悬浮轨道进行检查，解决了磁悬浮轨道检修困难、不易操作等问题；
本发明利用无人机多平台进行磁悬浮轨道巡检，能够及时解决巡检过程中极端天气、设备异常等突发情况，同时可以利用多个备用无人机对多段轨道同时进行巡检，提高了巡检效率，降低了巡检成本，提升了巡检准确性；
本发明面对复杂地形如山地等以及环境较恶劣的天气进行巡检有较大优势，该技术易于操作、成本低、效率高，抗外界环境干扰能力强；
本发明可实时获取无人机飞行路况，根据路况可随时切换无人机控制方式，避免无人机受到损坏，使得无人机巡检系统的性能大大改良。
附图说明
图1为本发明实施例的系统原理示意图；
图2为本发明实施例的磁场检测模块原理示意图；
图3为深度学习目标检测算法原理示意图；
图4为本发明实施例中地面控制平台与补给平台分布示意图；
图5为本发明实施例中地面控制平台结构示意图；
图6为本发明实施例中补给平台结构示意图；
图7为本发明实施例中多段多无人机巡检示意图；
图8为本发明实施例中方法整体流程图；
具体实施方式
以下将结合附图对本发明作进一步的描述，需要说明的是，本实施例以本技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围并不限于本实施例。
本实施例提供一种针对磁悬浮轨道巡检的无人机多平台系统，如图1所示，包括无人机硬件模块、处理器模块、磁场检测模块、数据传输模块以及多平台模块；所述无人机硬件模块、处理器模块、磁场检测模块、数据传输模块均搭载在无人机上；
无人机硬件模块包括DOA定位单元、信息收集单元、飞行控制单元、驱动单元、能源供给单元；磁场检测模块包括高清摄像头、处理器和磁场检测仪；数据传输模块用于通过MAVLink协议实现无人机与地面控制平台和各个补给平台的数据互通；多平台模块包括地面控制平台和多个补给平台；
所述能源供给单元用于为无人机硬件模块、处理器模块、磁场检测模块、数据传输模块提供能量。
地面控制平台用于向补给平台发送需要巡检的轨道信息，各补给平台用于接收需要巡检的轨道信息，需要巡检的轨道段邻近的补给平台发出标注信号，DOA定位单元用于依靠DOA技术根据标注信号判断需要巡检的轨道段的方向和距离，无人机的飞行控制单元通过控制驱动单元，使无人机沿着DOA定位单元判断得到的方向和距离巡检。在飞行的过程中DOA定位单元实时发出定位信号，各邻近补给平台和地面控制平台接收DOA定位单元发送的定位信号，邻近补给平台据此得到自身与无人机之间的相对位置并发送给地面控制平台，地面控制平台根据定位信号得到自身与无人机之间的相对位置。
在无人机巡检过程中，磁场检测模块对需要巡检的轨道段进行实施检测；磁场检测模块的结构如图2所示。磁场检测仪9实时检测磁场数据并传输至处理器，处理器7判断磁场数据是否有异常(可以设定正常的磁场数据的预定值或预定值范围，超出预定值或预定值范围时视为异常)，当有异常时控制高清摄像头8的拍摄方向移动至异常处，并对高清摄像头获取的画面进行聚类和提取，得到非轨道类画面，然后传输至处理器模块；处理器模块利用DOA定位单元获取异常处的位置信息，然后通过数据传输单元将异常处的磁场数据、非轨道类画面图像和位置信息发送至地面控制平台。
进一步地，所述处理器模块根据磁场检测模块获得的磁场数据绘制磁场分布图记录磁场数据发送至地面控制平台。
所述处理器模块主要由32位主处理器STM32F427、32位协处理器STM32F100和ODROID-XU4单板计算机组成。在图像获取过程中以32位主处理器STM32F427、ODROID-XU4单板计算机为核心。
更进一步地，DOA定位单元使用到的是波达角定位技术，主要包含信号发生器和天线阵列，信号发生器用于生成定位信号，天线阵列用于发送定位信号和接收补给平台的标注信号。在地面控制平台和补给平台也设置有信号天线阵列，利用信号天线阵列将DOA定位单元发送的定位信号进行收集；根据采集的定位信号，补给平台得到无人机与自身的相对位置发送给地面控制平台，地面控制平台得到无人机与自身的相对位置，由此获取无人机与地面控制平台和补给平台之间的距离和方向。
需要说明的是，天线阵列的优点在于可以同时接收多个无人机定位信号和相对位置，该技术具有收敛速度快、可靠性好的特点。天线阵的工作原理可以看成是电磁波(电磁场)的叠加。对几列电磁波来讲，当它们传到同一区域时，按照叠加原理，电磁波将产生矢量叠加。叠加结果不仅与各列电磁波的振幅大小有关，而且与它们在相遇区间内相互之间的相位差有关。
飞行控制单元主要包含Pixhawk2飞控板、32位主处理器STM32F427、32位协处理器STM32F100以及ODROID-XU4单板计算机，飞行控制单元通过数据传输模块接收来自地面控制平台的飞行命令或读取预先设定的命令后，控制驱动单元对无人机的姿态进行控制解算，使无人机进行飞行以完成巡检任务。
需要说明的是，主处理器STM32F427单片机工作频率为180MHz，采用意法半导体90nm工艺和ART加速器，具有动态功耗调整功能，能够在运行模式下从Flash存储器执行程序时实现低至260μA/MHz的功耗，它能够通过并行或串行接口连接显示器，还可以利用意法半导体的Chrom-ART图形加速器进行内容创建。
需要说明的是，协处理器STM32F100，具有高处理性能和11个16位定时器，包括电机控制定时器以及1个面向高效控制应用、转换时间为1.2μs的高速12位ADC，基于工作频率高达24MHz的ARM Cortex M3内核，在成本、性能和外设之间达到了出色的平衡。
需要说明的是，所用ODROID-XU4单板计算机是新一代计算设备，具有更强大，更节能的硬件和更小的外形尺寸。该板提供开源支持，可运行各种Linux版本。通过实现eMMC5.0，USB 3.0和千兆以太网接口，ODROID-XU4拥有惊人的数据传输速度，为支持ARM设备上的高级处理能力而日益需要该功能。
需要说明的是，数据传输用到了CUVA数传器，该款产品具有稳定性好，效率高的特点。
信息收集单元用于获取无人机的飞行高度、飞行速度、飞行姿态和飞行环境气压，并将检测到的信息经过数据转换后发送至飞行控制单元；飞行控制单元通过数据传输模块发送至地面控制平台和补给平台；
进一步地，所述信息收集单元包括有加速度计、磁力计、陀螺仪和气压计，加速度计用于通过测量轴向加速度大小和方向加速度来检测无人机的受力情况；磁力计用于测量无人机的方位，测量各个方向的夹角；陀螺仪用于通过测量出三维坐标中垂直轴与无人机的夹角同时计算角速度，通过夹角和角速度识别无人机的运动状态从而测量无人机的旋转运动；气压计用于通过计算大气压力换算成高度，从而获得无人机的飞行高度。
进一步地，所述信息采集单元包括有超声波传感器，采用超声波传感器的目的是为了使无人机在高空或者是低空能够稳定飞行，不会受到大风的瞬时影响，而失去无人机的高度控制。超声波传感器利用的是超声波碰到一切物质会反弹的特性，这是气压计无法具备的优势。超声波传感器和气压计结合，可以使得飞行更加稳定。
进一步地，所述信息采集单元包括有视觉传感器。视觉传感器选用的是FLIR的新型传感器模块Hadron，该款传感器是一款轻巧、紧凑、低功耗的可见光传感器模块，非常适合小型无人机。Hadron包括一个12兆像素的可见摄像头和一个FLIRBoson320×240分辨率的热像仪。
进一步地，所述驱动单元包含无刷电机、电子调速器、螺旋桨叶，驱动单元决定了无人机的飞行速度、载重能力以及续航时间，通过接收飞行控制单元的控制命令实现对无人机飞行姿态的控制。
进一步地，如图2所示，磁场检测模块还包括有光强传感器1、照明器2、固定支架3、旋转器4、电机5和护罩6，其中，光强传感器1用于检测环境光照强度并传输至处理器7，在环境光照强度较低时，处理器7控制照明器2打开，提升图像获取的清晰度；所述高清摄像头8安装在旋转器4上，电机5在处理器7的控制下驱动旋转器4旋转，旋转器4可实现360度旋转；所述电机5、旋转器4均固定在所述固定支架3上，减少抖动；护罩6罩设在整个磁场检测模块的外部，用于减少外界环境对高清摄像头的影响。
需要说明的是，轨道环境聚类提取是基于聚类算法和深度学习目标检测技术。聚类算法的原理是聚类算法是将N个点聚到K个簇里面，聚类之后，类之间具有异质性，而同一类里面具有同质性。如图3所示，深度学习原理是将目标图像作为网络的输入，直接在输出层回归bounding box的位置和bounding box所属类别。首先将输入图像划分为SxS的网格，对于每个网格，预测为B个边框(包括每个边框是目标的置信度以及每个边框区域在多个类别上的概念)，之后，可以预测SxSxB个目标窗口，然后根据阈值，去除可能性比较低的目标窗口，最好NMS去除冗余窗口。
需要说明的是，所述高清摄像头为KNC-HMS6330-iB-KT&C-IPCamera摄像机，具有1080p高清分辨率，1/2.8英寸2.13MP索尼STARVI S CMOS，提供3.6mm固定镜头或4.3mm针孔镜头，内置影像感应器为1/2.8逐行扫描SONY STARVIS CMOS具有体积小、重量轻、不受磁场影响、具有抗震动和撞击特性。
如图4所示，在磁悬浮轨道的起点处设置地面控制平台，根据轨道长度，沿着磁悬浮轨道均匀设置多个补给平台。如图5所示，地面控制平台包括信号天线阵列10、无线电平台一11、图像传送平台12、PC端13、遥控器14、支撑框架15。信号天线阵列用于接收来自无人机和补给平台的各项数据，再将接收的数据发送至无线电平台一和图像传送平台，经无线电平台一和图像传送平台处理后发送至PC端；操作人员可根据飞行环境，利用遥控器手动控制或PC端自动控制无人机巡检；支撑框架用来支撑整个地面控制平台。
如图6所示，补给平台包括充电桩16、备用无人机17、保护罩18、无线电平台二19、信号天线阵列20、信号处理器21和信号发生器22。无人机在电量不足可进入补给平台利用充电桩进行充电，遇见极端天气时进入补给平台可利用保护罩避开极端天气，补给平台与地面控制平台使用无线传输，补给平台可随时接收地面控制平台的命令；当某段磁悬浮轨道出现异常时，就近补给平台对故障段进行信号标注，补给平台内备用无人机起飞巡检，对故障段进行巡检。还可以给补给平台配置自动门23。如图7所示当多段轨道出现故障时，地面控制平台可以同时操作多个补给平台中的多个备用无人机，实现多无人机多轨道巡检。
需要说明的是，所述无线电平台一和无线电平台二均包括PC、USB 3.0、FPGA、DDRⅡ、RF收发器、收发天线。
需要说明的是，从地面控制平台和补给平台发送信号，需要通过C或C++编写SDR程序，SDR程序中已经包含了通信系统完整的协议栈，PC通过USB3.0把数据传送给LimeSDR，SDR的发送控制模块和数字上变频模块用FPGA实现，发送控制模块用来控制整个USRP的发送，数字上变频模块用来把PC产生的数据变频到中频，之后经过DAC化为模拟数据，期间需要进行滤波使得信号更加的平滑，最后再经功率放大器发出。
地面控制平台在接收信号时，首先将噪声减少再进行放大，放大之后的信号与晶振产生的信号相乘，信号变为中频，再经过低通滤波器使得信号变得更加光滑，之后经过ADC转换，将信号转化为数字信号，再送入FPGA模块处理，FPGA里面包含两个模块，数字下变频和接收控制。接收控制用来控制整个系统的接收流程，数字下变频即DDC，用于把信号从中频下变频到基带。
需要说明的是，图像传送平台用到了DJI GS Pro，DJI GS Pro可将飞行任务、执行记录、飞行器信息、飞行日志等数据上传至云端存储，实现全面的数据备份。在接收到无人机发送的图像数据后，与PC端通信发送至PC端。
如图8所示，利用上述系统实现磁悬浮轨道巡检的整体流程为预巡检状态、升空巡检和标注信号读取、巡检环境监控、飞行状态监控以及轨道异常监测四项任务。
1)初始化时，处理器模块通过数据传输模块获取地面控制平台的命令并发送至处理器和飞行控制单元，处理器控制高清摄像头获取轨道画面；飞行控制单元通过处理器模块获取轨道画面，并将轨道画面划分为若干子区域；飞行控制单元建立三维笛卡尔坐标系、轨道坐标系和机体坐标系。三维笛卡尔坐标系用于描述空间任一点位置；轨道坐标系用于描述无人机相对于轨道的位置以及运动状态；机体坐标系用于描述无人机本身的旋转运动；三种坐标系存在数学关系，可通过一定方式互相转换；建立完坐标系后，飞行控制单元判断起飞环境是否异常，若存在异常，则重新进行初始化，若不存在异常则无人机升空，初始化结束；
2)地面控制平台向补给平台发送需要巡检的轨道信息，各补给平台接收需要巡检的轨道信息，需要巡检的轨道段邻近的补给平台发出标注信号，DOA定位单元依靠DOA技术根据标注信号判断需要巡检的轨道段的方向和距离；飞行控制单元通过数据传输模块接收地面控制平台控制命令，按照DOA定位单元得到的巡检方向和巡检路径，控制驱动单元驱动无人机开始飞行巡检，信息收集单元开始收集无人机的各项飞行状态信息并传输至飞行控制单元，飞行控制单元通过数据传输模块回传至地面控制平台和补给平台；磁场检测仪开始实时获磁悬浮轨道的磁场数据并传输至处理器，当判断磁场数据有异常时，处理器控制高清摄像头的拍摄方向转向异常处，并对拍摄的画面进行聚类和提取得到非轨道类画面，处理器将异常处的磁场数据和非轨道类画面传输至处理器模块，处理器模块利用DOA定位单元获取异常处的位置信息，然后通过数据传输模块将异常处的磁场数据、非轨道类画面和位置信息传输至地面控制平台；各补给平台接收无人机的DOA定位单元发出的定位信号，在此基础上得出无人机与自身的相对位置发送给地面控制平台，地面控制平台实时接收无人机的定位信号和补给平台的相对位置数据，得到无人机距离地面控制平台与各补给平台的距离和方向并在可视化窗口显示；
需要说明的是，无人机利用DOA技术，读取补给平台发送的标注信号，据此开始巡检。无人机巡检过程中只有检测到磁场和标注信号才能够正常执行巡检任务；若发现无人机偏离飞行轨道，无人机将偏离警报信号立刻反馈给地面控制平台，地面控制平台和补给平台根据实时画面，自动修正并将新的控制命令传输给无人机，也可切换至人工控制，利用遥控器将无人机的飞行轨道修正。
4)地面控制平台接收到异常处的磁场数据、非轨道类画面和位置信息后，若最终判断该异常处为正常，则控制无人机继续巡检；若最终判断该异常处为非正常，跳转至下一步；
5)地面控制平台发送控制命令至无人机，无人机记录保存轨道位置信息、画面数据和时间，之后将这些数据回传，地面控制平台进行保存。
6)无人机在记录完后，无人机恢复成初始巡检姿态，再次获取标注信号，并再次根据标注信号得到的巡检方向和巡检距离继续巡检，直到终点位置或收到停止命令；
7)无人机在飞行过程中，飞行控制单元根据信息采集单元采集的信息随时判断周围环境是否有危险、自身设备是否正常或者电量是否充足；若一切正常，继续巡检；若不正常，飞行控制单元向地面控制平台发出就近补给平台降落请求，地面控制平台根据情况，向无人机发出答复命令；
8)当某段轨道存在问题时，地面控制平台可以对就近补给平台发出命令，使补给平台内的备用无人机开始对特定段进行巡检；当多段轨道出现异常时，地面控制平台利用多无人机协同控制技术，可以同时控制多个备用无人机。
对于本领域的技术人员来说，可以根据以上的技术方案和构思，给出各种相应的改变和变形，而所有的这些改变和变形，都应该包括在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种针对磁悬浮轨道巡检的无人机多平台系统，其特征在于，包括无人机硬件模块、处理器模块、磁场检测模块、数据传输模块以及多平台模块；所述无人机硬件模块、处理器模块、磁场检测模块、数据传输模块均搭载在无人机上；
无人机硬件模块包括DOA定位单元、信息收集单元、飞行控制单元、驱动单元、能源供给单元；磁场检测模块包括高清摄像头、处理器和磁场检测仪；数据传输模块用于通过MAVLink协议实现无人机与地面控制平台和各个补给平台的数据互通；多平台模块包括地面控制平台和多个补给平台；
所述能源供给单元用于为无人机硬件模块、处理器模块、磁场检测模块、数据传输模块提供能量；
地面控制平台用于向补给平台发送需要巡检的轨道信息，各补给平台用于接收需要巡检的轨道信息，需要巡检的轨道段邻近的补给平台发出标注信号，DOA定位单元用于依靠DOA技术根据标注信号判断需要巡检的轨道段的方向和距离，无人机的飞行控制单元通过控制驱动单元，使无人机沿着DOA定位单元判断得到的方向和距离巡检；DOA定位单元还用于在飞行的过程中实时发出定位信号，各邻近补给平台和地面控制平台接收DOA定位单元发送的定位信号，邻近补给平台据此得到自身与无人机之间的相对位置并发送给地面控制平台，地面控制平台根据定位信号得到自身与无人机之间的相对位置；
信息收集单元用于获取无人机的飞行高度、飞行速度、飞行姿态和飞行环境气压，并将检测到的信息经过数据转换后发送至飞行控制单元；
飞行控制单元用于在通过数据传输模块接收来自地面控制平台的飞行命令或读取预先设定的命令后，控制驱动单元对无人机的姿态进行控制解算，控制无人机完成巡检任务；用于通过数据传输模块将信息收集单元收集到的信息发送至地面控制平台和补给平台；
驱动单元用于在飞行控制单元的控制下对无人机的姿态进行控制解算，驱动无人机飞行；
磁场检测仪用于在飞行过程中实时检测磁场数据并传输至处理器；处理器用于判断磁场检测仪检测到的磁场数据是否有异常，当有异常时控制高清摄像头的拍摄方向移动至异常处进行拍摄，并对高清摄像头获取的画面进行聚类和提取，得到非轨道类画面，然后将异常处的磁场数据以及非轨道类画面传输至处理器模块；高清摄像头用于在处理器的控制下拍摄异常处的画面；
处理器模块用于接收到磁场检测模块获得异常处的磁场数据和非轨道类画面图像后，利用DOA定位单元获取异常处的位置数据，通过数据传输模块将异常处的位置数据、磁场数据和非轨道类画面图像发送至地面控制平台；
所述补给平台还用于供无人机降落进行充电或避险。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，处理器模块主要由32位主处理器STM32F427、32位协处理器STM32F100和ODROID-XU4单板计算机组成。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，磁场检测模块还包括有光强传感器、照明器、固定支架、旋转器、电机和护罩，其中，光强传感器用于检测环境光照强度并传输至处理器，在环境光照强度较低时，处理器控制照明器打开，提升图像获取的清晰度；所述高清摄像头安装在旋转器上，电机在处理器的控制下驱动旋转器旋转，旋转器可实现360度旋转；所述电机、旋转器均固定在所述固定支架上；护罩罩设在整个磁场检测模块的外部。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，地面控制平台包括地面信号天线阵列、无线电平台一、图像传送平台、PC端、遥控器、支撑框架；地面信号天线阵列用于接收来自无人机和补给平台的信号以及向无人机和补给平台发送信号，地面信号天线阵列将接收的信号发送至无线电平台一和图像传送平台，经无线电平台一和图像传送平台处理后发送至PC端；操作人员可根据飞行环境，利用遥控器手动控制或利用PC端自动控制无人机巡检；支撑框架用来支撑整个地面控制平台。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，补给平台包括充电桩、备用无人机、保护罩、无线电平台二、补给平台信号天线阵列、信号处理器和信号发生器；保护罩罩设在整个补给平台的外部，用于保护补给平台内部以及供无人机进入避险，充电桩用于供无人机在电量不足可进入补给平台进行充电；所述补给平台信号天线阵列用于接收无人机和地面控制平台的信号以及向无人机和地面控制平台发送信号；信号处理器用于对接收到的信号进行处理，信号发生器用于生成标注信号并通过补给平台信号天线阵列发送出去。
6.一种利用权利要求1-5任一所述针对磁悬浮轨道巡检的无人机多平台系统的方法，其特征在于，具体过程为：
地面控制平台向补给平台发送需要巡检的轨道信息，各补给平台接收需要巡检的轨道信息，需要巡检的轨道段邻近的补给平台发出标注信号，DOA定位单元依靠DOA技术根据标注信号判断需要巡检的轨道段的方向和距离；飞行控制单元通过数据传输模块接收地面控制平台控制命令，按照DOA定位单元得到的巡检方向和巡检路径，控制驱动单元驱动无人机开始飞行巡检，信息收集单元开始收集无人机的各项飞行状态信息并传输至飞行控制单元，飞行控制单元通过数据传输模块回传至地面控制平台和补给平台；磁场检测仪开始实时获磁悬浮轨道的磁场数据并传输至处理器，当判断磁场数据有异常时，处理器控制高清摄像头的拍摄方向转向异常处，并对拍摄的画面进行聚类和提取得到非轨道类画面，处理器将异常处的磁场数据和非轨道类画面传输至处理器模块，处理器模块利用DOA定位单元获取异常处的位置信息，然后通过数据传输模块将异常处的磁场数据、非轨道类画面和位置信息传输至地面控制平台；各补给平台接收无人机的DOA定位单元发出的定位信号，在此基础上得出无人机与自身的相对位置发送给地面控制平台，地面控制平台实时接收无人机的定位信号和补给平台的相对位置数据，得到无人机距离地面控制平台与各补给平台的距离和方向并在可视化窗口显示；
地面控制平台接收到异常处的磁场数据、非轨道类画面和位置信息后，若最终判断该异常处为正常，则控制无人机继续巡检；若最终判断该异常处为非正常，发送控制命令至无人机的处理模块，无人机记录保存轨道位置信息、画面数据和时间，之后将这些数据回传，地面控制平台进行保存；
无人机在记录完后，无人机恢复成初始巡检姿态，再次获取标注信号，并再次根据标注信号得到的巡检方向和巡检距离继续巡检，直到终点位置或收到停止命令。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，无人机在飞行过程中，飞行控制单元根据信息采集单元采集的信息随时判断周围环境是否有危险、自身设备是否正常或者电量是否充足；若一切正常，继续巡检；若不正常，飞行控制单元向地面控制平台发出就近补给平台降落请求，地面控制平台根据情况，向飞行控制单元发出答复命令；飞行控制单元收到答复命令后，如命令允许进入补给平台，则飞行控制单元控制无人机进入补给平台避险或充电。
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