CN114167897B - 一种室内无人机变高飞行系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种室内无人机变高飞行系统，其特征在于，包括无人机系统、地面系统和定位系统；所述无人机系统包括无人机和无人机平台，无人机平台搭载有基于视觉和UWB的定位导航模块和数据采集模块；所述地面系统包括地面站和室内地形采集系统；所述地面站包括无人机控制模块、航线规划模块、地面定位模块和数据采集处理模块；所述室内地形采集模块，利用激光雷达扫描室内地形并生成高精度DEM；所述航线规划模块，用于根据高精度DEM和任务规划精细化变高飞行航线；所述定位系统，包括UWB定位模块和视觉定位模块。本发明实现了室内无人机变高飞行精细化巡检，既能保证巡检作业的安全，又能提高巡检效率。

Description

一种室内无人机变高飞行系统及方法
技术领域
本发明涉及室内巡检领域，尤其是一种室内无人机变高飞行系统及方法。
背景技术
目前无人机在室外巡检技术已经很成熟，但室内巡检还存在一些问题。例如：很多室内巡检依然使用摄像头、机器人、人工巡检模式，其中摄像头存在死角盲区，机器人存在无法到达区域，人工巡检存在危险性且效率低。
室内结构较为复杂，以水电站厂房内部结构为例，内部设备较多，厂房大小不一致，且高度不一，大的为150m*60m，小的7m*5m，存在很大的作业难度及安全隐患。这种情况下无人机除了室内定位与视觉避障以外，需要有更精确的飞行航线。现有技术主要解决了室内定位问题，无法做到室内变高飞行精细化巡检。
发明内容
本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，本发明提供一种室内无人机变高飞行系统及方法，通过激光雷达获取室内高精度地形DEM(数字高程模型)，根据DEM和实际的巡检任务，规划出精确的变高飞行航线，并结合视觉和UWB定位，实现室内变高飞行，并提高作业效率。
本发明采用的技术方案如下：
本发明一种室内无人机变高飞行系统，包括无人机系统、地面系统和定位系统；所述无人机系统包括无人机和无人机平台，无人机平台搭载有基于视觉和UWB的定位导航模块和数据采集模块；所述基于视觉和UWB的定位导航模块，用于接收地面站发送的定位导航信息，实现无人机的定位导航；所述数据采集模块，用于采集空气相关参数；
所述地面系统包括地面站和室内地形采集系统；所述地面站包括无人机控制模块、航线规划模块、地面定位模块和数据采集处理模块；所述室内地形采集模块，利用激光雷达扫描室内地形并生成高精度DEM；所述无人机控制模块，用于控制无人机；所述航线规划模块，用于根据高精度DEM和任务规划精细化变高飞行航线；所述地面定位模块，根据UWB定位模块的定位信息实现无人机空间位置的实时定位，利用视觉定位模块采集的相关信息，实现室内关键路径上的重点定位；所述数据采集处理模块，用于收集相关数据，实现数据汇总，并根据需求进行处理展示；
所述定位系统，包括UWB定位模块和视觉定位模块；所述UWB定位模块包括设置在室内的定位基站和安装在无人机上的定位标签；所述视觉定位模块，包括无人机搭载的摄像头，以及设置在固定位置的二维码。
进一步的，还包括智能充电巡检系统；所述智能充电巡检系统包括安装在无人机上的无人机电量检测模块、地面站的返航充电导航模块和电池更换控制模块，以及电池更换机械臂和无人机智能充电场；所述无人机电量检测模块，用于实时检测无人机的电池电量；所述返航充电导航模块，用于为无人机返航充电提供导航；所述电池更换控制模块，用于控制电池更换机械臂进行无人机电池更换；所述无人机智能充电场，用于存放无人机电池，以及为无人机电池充电。
进一步的，所述数据采集模块还用于异物检测或设备温度检测。
进一步的，所述数据采集模块包括空气质量检测设备、图像识别模块或热红外模块。
进一步的，所述地面定位模块还根据视觉定位模块采集的相关信息，指示无人机进行自主降落导航。
进一步的，所述无人机采用垂直起降无人机。
本发明一种室内无人机变高飞行方法，基于室内无人机变高飞行系统，包括以下步骤：
步骤一：利用激光雷达扫描室内地形并生成DEM；
步骤二：地面站根据DEM和任务需求规划精细化变高飞行航线；
步骤三：控制无人机起飞作业，并采集数据和回传；
步骤四：在无人机飞行中，根据UWB定位模块和视觉定位模块采集的数据，以及航线进行无人机实时定位导航；
步骤五：无人机作业完控制无人机返回起飞点自动降落。
进一步的，在无人机飞行中，实时检测无人机的电池电量，当检测到无人机电池电量低于阈值，控制无人机返航降落至无人机智能充电场进行电池更换或充电。
进一步的，在无人机降落中，通过视觉定位模块，确定降落的地点，控制无人机精准降落。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、本发明实现了室内无人机变高飞行，从而达到室内变高飞行的精细化巡检。
2、本发明通过获取室内地形生成DEM，用于无人机定位导航，可以保障无人机安全飞行，并且可以提高作业效率。
3、本发明变高飞行的精细化巡检可以检测室内气体和分布情况，及时发现气体泄露或空气污染情况，以及检测室内的设备，为安全、高效生产提供有效保障。
4、本发明实现室内无人机飞行、数据采集、数据分析、智能充电等的一体化。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1是本发明一种室内无人机变高飞行系统的结构示意图。
图2是本发明一种室内无人机变高飞行方法的流程图。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书(包括任何附加权利要求、摘要)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
如图1所示，本发明公开了一种室内无人机变高飞行系统，包括无人机系统、地面系统和定位系统；所述无人机系统包括无人机和无人机平台，无人机平台搭载有基于视觉和UWB的定位导航模块和数据采集模块；所述基于视觉和UWB的定位导航模块，用于接收地面站发送的定位导航信息，实现无人机的定位导航；所述数据采集模块，用于采集空气相关参数；
所述地面系统包括地面站和室内地形采集系统；所述地面站包括无人机控制模块、航线规划模块、地面定位模块和数据采集处理模块；所述室内地形采集模块，利用激光雷达扫描室内地形并生成高精度DEM；所述无人机控制模块，用于控制无人机；所述航线规划模块，用于根据高精度DEM和任务规划精细化变高飞行航线；所述地面定位模块，根据UWB定位模块的定位信息实现无人机空间位置的实时定位，利用视觉定位模块采集的相关信息，实现室内关键路径上的重点定位；所述数据采集处理模块，用于收集相关数据，实现数据汇总，并根据需求进行处理展示；
所述定位系统，包括UWB定位模块和视觉定位模块；所述UWB定位模块包括设置在室内的定位基站和安装在无人机上的定位标签；所述视觉定位模块，包括无人机搭载的摄像头，以及设置在固定位置的二维码。
在一个实施例中，还包括智能充电巡检系统；所述智能充电巡检系统包括安装在无人机上的无人机电量检测模块、地面站的返航充电导航模块和电池更换控制模块，以及电池更换机械臂和无人机智能充电场；所述无人机电量检测模块，用于实时检测无人机的电池电量；所述返航充电导航模块，用于为无人机返航充电提供导航；所述电池更换控制模块，用于控制电池更换机械臂进行无人机电池更换；所述无人机智能充电场，用于存放无人机电池，以及为无人机电池充电。
在实施例中，数据采集模块不仅用于采集空气相关参数，还用于异物检测或设备温度检测；数据采集模块包括机载的空气质量检测设备、图像识别模块或热红外模块；通过图像识别模块检测是否由异物；通过热红外模块来检测设备温度。
在另一个实施例中，地面定位模块还根据视觉定位模块采集的相关信息，指示无人机进行自主降落导航，即视觉辅助降落；利用二维码技术，无人机搭载微型摄像头，可实现关键路径点的重点定位，实现精确定位的观测，同时可提供视觉辅助定位技术，实现室内的精准自主降落，避免由于传感器误差导致的降落不准确的问题，为自主充电的实现提供了重返的基础。
在一个实施例中，采用EY-40无人机，EY-40是一款小型全电动垂直起降无人机系统，采用常规四旋翼布局形式以简单可靠的方式解决了起降场地不足的难题，兼具无人机的长航时、大载重、可靠性高的特点。它能在山区、丘陵、丛林等复杂地形和建筑物密集的区域顺利作业，极大扩展了无人机应用范围。EY-40同时可搭载空气质量传感器，利用无人机取代传统的人工样监测，可快速追溯分析污染指数及污染源。EY-40系统结构简单、模块化设计，可实现快速装配；可实现任务模块的替换更换；飞行控制实现高精度定位控制；全自主起飞，无需遥感器，自主起飞，可实现航线飞行作业机自主降落。
UWB定位系统：UWB即超宽带，包括基站和信标(标签)，其中每个室内需安装4个基站作为锚点，信标安装于无人机上，通过信标与锚点的无线通信，确定信标的实时位置，根据室内巡线的需求，可设计2维的定位导航和三维的定位导航，实现室内的整体实时定位。
数据采集处理模块采用EQ-60气体检测仪器，EQ-60为专业便携式监测仪器，配备智能可视化分析软件，搭载于无人机、汽车等移动载具，实时获取精确的空气污染空间分布信息，为环保、巡检、应急等行业提供及时有效的决策支持，并帮助他们显著提升工作效率、降低安全风险与成本。一次任务，精确采集最多9项空气污染物浓度分布数据，可进行拓展。
如图2所示，本发明公开了一种室内无人机变高飞行方法，基于室内无人机变高飞行系统，包括以下步骤：
步骤一：利用激光雷达扫描室内地形并生成DEM；
步骤二：根据DEM和任务需求规划精细化变高飞行航线，地面站航线输入；
步骤三：控制无人机起飞作业，并采集数据和回传；
步骤四：在无人机飞行中，根据UWB定位模块和视觉定位模块采集的数据，以及航线进行无人机实时定位导航；
步骤五：无人机作业完控制无人机返回起飞点自动降落。
在无人机飞行中，实时检测无人机的电池电量，当检测到无人机电池电量低于阈值，控制无人机返航降落至无人机智能充电场进行电池更换或充电。在无人机降落中，通过视觉定位模块，确定降落的地点，控制无人机精准降落。
由于室内的结构基本不会发生变化，使用激光雷达扫描室内结构生成DEM(数字高程模型),可以保障无人机安全飞行且设计变高飞行航线可以提高作业效率。变高飞行的精细化巡检可以完成厂房内部的各种标记，设备表面、气体等巡检，为安全、高效生产提供有效保障。本发明室内地形采集系统:利用激光雷达扫描室内地形并生成高精度DEM(数字高程模型)，精度满足10cm以内；地面站以DEM(数字高程模型)为基准，规划精细化变高飞行航线，无人机系统利用现有的无人机平台搭载基于视觉和UWB的定位导航模块实现室内区域导航，同时搭载数据采集模块实现空气相关参数；数据采集处理模块：收集相关数据，实现数据汇总，并根据需求进行处理展示；智能充电巡检系统：在无人机到达安全电量以后，智能返航至无人机智能充电场，使用机械臂更换电池，同时进行自主充电，并设定定时巡检计划，实现室内无人机从飞行、数据采集、数据分析、智能充电一体化解决方案。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (9)

1.一种室内无人机变高飞行系统，其特征在于，包括无人机系统、地面系统和定位系统；所述无人机系统包括无人机和无人机平台，无人机平台搭载有基于视觉和UWB的定位导航模块和数据采集模块；所述基于视觉和UWB的定位导航模块，用于接收地面站发送的定位导航信息，实现无人机的定位导航；所述数据采集模块，用于采集空气相关参数；
所述地面系统包括地面站和室内地形采集系统；所述地面站包括无人机控制模块、航线规划模块、地面定位模块和数据采集处理模块；所述室内地形采集模块，利用激光雷达扫描室内地形并生成高精度DEM；所述无人机控制模块，用于控制无人机；所述航线规划模块，用于根据高精度DEM和任务规划精细化变高飞行航线；所述地面定位模块，根据UWB定位模块的定位信息实现无人机空间位置的实时定位，利用视觉定位模块采集的相关信息，实现室内关键路径上的重点定位；所述数据采集处理模块，用于收集相关数据，实现数据汇总，并根据需求进行处理展示；
所述定位系统，包括UWB定位模块和视觉定位模块；所述UWB定位模块包括设置在室内的定位基站和安装在无人机上的定位标签；所述视觉定位模块，包括无人机搭载的摄像头，以及设置在固定位置的二维码。
2.根据权利要求1所述室内无人机变高飞行系统，其特征在于，还包括智能充电巡检系统；所述智能充电巡检系统包括安装在无人机上的无人机电量检测模块、地面站的返航充电导航模块和电池更换控制模块，以及电池更换机械臂和无人机智能充电场；所述无人机电量检测模块，用于实时检测无人机的电池电量；所述返航充电导航模块，用于为无人机返航充电提供导航；所述电池更换控制模块，用于控制电池更换机械臂进行无人机电池更换；所述无人机智能充电场，用于存放无人机电池，以及为无人机电池充电。
3.根据权利要求1所述室内无人机变高飞行系统，其特征在于，所述数据采集模块还用于异物检测或设备温度检测。
4.根据权利要求1或3所述室内无人机变高飞行系统，其特征在于，所述数据采集模块包括空气质量检测设备、图像识别模块或热红外模块。
5.根据权利要求1所述室内无人机变高飞行系统，其特征在于，所述地面定位模块还根据视觉定位模块采集的相关信息，指示无人机进行自主降落导航。
6.根据权利要求1所述室内无人机变高飞行系统，其特征在于，所述无人机采用垂直起降无人机。
7.一种室内无人机变高飞行方法，其特征在于，基于权利要求1-6之一所述的室内无人机变高飞行系统，包括以下步骤：
步骤一：利用激光雷达扫描室内地形并生成DEM；
步骤二：地面站根据DEM和任务需求规划精细化变高飞行航线；
步骤三：控制无人机起飞作业，并采集数据和回传；
步骤四：在无人机飞行中，根据UWB定位模块和视觉定位模块采集的数据，以及航线进行无人机实时定位导航；
步骤五：无人机作业完控制无人机返回起飞点自动降落。
8.根据权利要求7所述的室内无人机变高飞行方法，其特征在于，在无人机飞行中，实时检测无人机的电池电量，当检测到无人机电池电量低于阈值，控制无人机返航降落至无人机智能充电场进行电池更换或充电。
9.根据权利要求7或8所述的室内无人机变高飞行方法，其特征在于，在无人机降落中，通过视觉定位模块，确定降落的地点，控制无人机精准降落。
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