CN114637324A - 一种无人机自主巡检续航系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种无人机自主巡检续航系统及方法，本发明集无人机控制、通信、高精度定位、视觉降落、自动充电等多功能于一体，增强了无人机系统的泛化能力，实现全自动、无人化巡检，让巡检控制和范围突破距离限制，并可实时获取所需的数据和影像形成统一监控管理，可为相关决策提供依据，大幅度提高巡检工作的效率。

Description

一种无人机自主巡检续航系统及方法

技术领域

本发明属于无人机自动控制技术领域，具体涉及一种无人机自主巡检续航系统及方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

随着科技的发展，目前无人机的应用日益广泛，比如河流巡检、公路巡检、森林巡检、航拍测绘等领域。与此同时，完备的地面端设备已经成为整套无人机安全、稳定高效运行的关键。

目前，无人机的应用形式主要是靠专业飞手使用遥控器控制无人机进行飞行任务，同时还需要配备多名工作人员，分别负责检查无人机状态、为无人机更换电池、查看无人机接收数据有效性等工作，以此来保证无人机安全、高效地执行飞行任务。因此，无人机执行一次任务，需要耗费大量人力和时间，尤其是在一些需要无人机频繁工作的场景，耗资将更加巨大。另外，在一些地势险峻恶劣的场景下，人力难以到达，更无法完成巡检任务。

同时，无人机电池续航问题是长久以来的难题，使用人工更换电池费时费力，对于一些高频率应用的场合该劣势尤为突出。此外，若无人机执行长距离巡检任务，需考虑电池续航能力，来保证无人机能够返航，因此巡检距离会受到限制。另外，巡检区域一般位于人类活动较少的区域，出动人力成本较高，网络通信也较为不稳定。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种无人机自主巡检续航系统及方法，本发明集无人机控制、通信、高精度定位、视觉降落、自动充电等多功能于一体，增强了无人机系统的泛化能力，实现全自动、无人化巡检，让巡检控制和范围突破距离限制，并可实时获取所需的数据和影像形成统一监控管理，可为相关决策提供依据，大幅度提高巡检工作的效率。

根据一些实施例，本发明采用如下技术方案：

一种无人机自主巡检续航系统，包括调控平台、无人机机载端系统和无人机智能起落站，其中：

所述调控平台用于根据无人机状态，设置巡检任务，向相应的无人机下发飞行任务，确定向所述无人机提供充电续航的无人机智能起落站，接收并分析无人机巡检数据，以得到巡检区域特征，与无人机智能起落站双向通信；

所述无人机机载端系统，搭载于无人机上，用于进行飞行和降落状态控制，和调控平台、无人机智能起落站进行数据通信；

所述无人机智能起落站，包括若干个，分别设置于巡检航线不同地点上，用于接收所述调控平台的指令，开启舱门以供无人机降落，并为相应无人机提供无线充电服务，实现无人机续航。

作为可选择的实施方式，所述调控平台，包括无人机调度平台和数据分析平台，所述无人机调度平台用于控制无人机，获取无人机状态，制定巡检任务，向无人机下发飞行任务，实现无人机巡检任务的调度；所述数据分析平台，用于接收并存储无人机巡检数据，通过分析巡检数据分析巡检区域特征。

作为可选择的实施方式，所述巡检数据包括影像数据、飞行状态数据和环境监测数据。

作为可选择的实施方式，所述无人机智能起落站，包括起落站本体，起落站本体内设置有数据传输模块和自主充电模块，所述数据传输模块，用于实时接收无人机以及调度平台传输数据指令；

所述自主充电模块，包括充电装置，所述充电装置上设置有充电接头，充电接头上设置有充电突出槽，凸槽上设置有电池正极，所述充电装置设置有充电端，用于识别和对接电池端，完成对巡检无人机的自动充电；所述充电端设置有两个条形凹槽，凹糟中安装有电磁铁，确保无人机与充电装置稳定连接，保证充电效率。

作为进一步的限定，所述无人机智能起落站内置降落标志，以实现视觉引导的无人机降落，且无人机智能起落站内设置有用于储存无人机的区域。

作为进一步的限定，所述无人机智能起落站内设置有若干摄像头和探照灯，以分别用于视频获取和提高黑暗环境下充电装置与无人机的连接准确性和安全性。

作为可选择的实施方式，所述无人机机载端系统具有控制模块、数据通信模块和视觉降落模块，所述控制模块与数据通信模块和视觉降落模块通信。

作为进一步的限定，所述控制模块采用ROS框架，多线程分别运行无人机视觉降落、数据通信和无人机飞行状态控制指令，以发送订阅模式实现进程间数据的实时传输。

作为进一步的限定，所述数据通信模块，包括通信模块和无线数传通信模块，所述通信模块用于将巡检数据与飞行状态数据发送至调控平台；所述无线数传通信模块作用在于无人机起飞前由机载数传通知起落站完成主体开启，开始执行巡检任务后关闭主体；巡检完成后机载数传通知开启主体，完成后关闭主体。

作为进一步的限定，所述视觉降落模块，包括摄像模块、高精度定位模块、分析模块以及激光测距模块，高精度定位模块用于记录无人机精准位置，在降落初始阶段利用GPS差分定位算法对无人机的精确连续调整；

所述摄像模块，用于识别智能起落站降落标识，并获取巡检区域相关数据；

所述分析模块，用于通过目标检测算法对摄像模块采集的标识进行识别，识别到相应降落标识后，计算智能起落站在图像中的相对像素坐标，根据计算坐标控制无人机水平运动至智能起落站图像正上空，直至智能起落站位于图像中央满足降落精度条件；

所述激光测距模块用于测量无人机对地高度，以满足无人机视觉降落中对地测量数据的获取。

基于上述系统的控制方法，包括以下步骤：

根据无人机状态，设置巡检任务，确定无人机的飞行任务航点，向相应的无人机下发飞行任务；

确定向所述无人机在执行飞行任务时提供充电续航的无人机智能起落站，控制无人机智能起落站配合无人机，实现无人机在无人机智能起落站的降落和充电续航；

接收并分析无人机巡检数据，以得到巡检区域特征。

作为可选择的实施方式，无人机在无人机智能起落站的降落时，具体控制过程包括：对无人机进行定位，并根据起飞前记录的坐标对无人机进行x、y方向上的调整；

直至检测到降落标识；

利用目标检测算法对图像进行识别，识别到相应降落标志后，计算智能起落站在图像中的相对像素坐标，控制无人机水平运动至智能起落站图像正上方，直至智能起落站位于图像中央满足降落精度条件时，无人机根据预设速度进行自主下降，完成降落。

作为进一步的限定，利用自适应PID算法控制无人机水平运动至智能起落站图像正上方。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明通过预设航线，支持多客户端连接，调用高精度自主合成GIS区域实景地图，巡检数据云存储、实时分析，实时监控无人机与智能起落站状态，配合智能起落站协调工作；

本发明采用自主研发视觉降落方法，采用Apriltag视觉定位算法、卡尔曼滤波算法和自适应PID控制算法，配合高精度定位模块实现无人机厘米级精准降落；

本发明集无人机控制、网络通信、高精度定位、视觉降落、自动充电于一体，对巡检区域进行全自动、无人化巡视检查，实时获取巡检数据并分析，为相关决策提供可靠依据，剔除飞手限制因素，降低工作成本，真正实现无人机无人化值守作业；

无人机智能起落站与无人机协同工作构成任务系统，可执行远距离巡检任务，且不受地形限制，可做到一次安装，多次运行，突破现有巡检技术的缺点，提高巡检效率。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为无人机自主巡检续航系统示意图；

图2为智能起落站的布局示意图；

图3为无人机自主巡检续航系统流程图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

如图1所示，一种无人机自主巡检续航系统，包括：调控平台(或称为久飞平台)、无人机机载端系统和无人机智能起落站。

如图2所示，对于不同长短的巡检距离，可对无人机设定是否需要返回至起飞点。距离较短(少于设定阈值)的巡检区域可设定无人机执行完巡检任务自主返回至起飞点，进行自主降落并进行充电；距离较长(少于设定值)的巡检区域可根据巡检区域长度合理放置无人机智能起落站，无人机在巡检过程中若发现电池电量不足，可自动寻找距离其最近的起落站，即在预存起落站数据库里查找与当前位置距离最近的起落站GPS坐标位置，并向起落站飞去，执行降落，进行自主充电。

通过上述方案，无人机可以巡检更大区域、更长距离，极大地提高了无人机巡检的效率。同时，在巡检过程中无人机可通过网络通信将巡检数据实时传输至地面控制端，如此便能够完整地监视整个巡检区域，也在一定程度上解决了信息滞后的问题。

调控平台，包括无人机调度平台和数据分析平台；无人机调度平台用于控制无人机，获取无人机状态，制定巡检任务，向无人机下发飞行任务，实现无人机巡检任务的调度；数据分析平台，接收并存储无人机巡检数据，通过分析巡检数据分析巡检区域特征；调控平台与无人机智能起落站双向通信；所述巡检数据包括影像数据、飞行状态数据和环境监测数据；

无人机机载端系统，接收基于4G/5G网络TCP服务器的调度平台发送飞行任务执行自动巡检，并实时将获取的巡检数据发送至调度平台；

无人机智能起落站，STM32作为控制单元，采用PLC控制，具有数据传输模块、摄像头、LED探照灯和自主充电模块；

所述数据传输模块，用于实时接收无人机以及调度平台传输数据指令；

所述自主充电模块，用于无人机在执行航线任务过程中，可通过非人工方式进行充电，执行无人机续航功能；起落站内置降落标志能够实现视觉引导的无人机厘米级降落；同时起落站可储存和保护无人机。所述自主充电模块，包括充电装置主体，所述充电装置主体上设置有充电接头，充电接头上设置有充电凸槽，凸槽上设置有电池正极和摄像头与LED探照灯。充电装置设置的充电端用于识别和对接电池端，完成对巡检无人机的自动充电；所述充电端设置有两个条形凹槽，凹糟中安装有电磁铁，确保无人机与充电装置稳定连接，保证充电效率。

所述摄像头和LED探照灯可以提高黑暗环境下充电装置与无人机的连接准确性和安全性。

无人机机载端系统具有TX2控制模块、数据通信模块和视觉降落模块。

所述TX2控制模块软件采用ROS框架，框架具有高度的编程语言兼容性，可同时多进程地运行无人机视觉降落、数据通信、无人机飞行状态控制等程序，以发送订阅模式实现进程间数据的实时传输，有效保证无人机各项控制传输功能的稳定运行；可根据后续巡检需求模块化加入图像检测分析算法，丰富机载算法整体功能。

所述数据通信模块，包括4G/5G通信模块和无线数传通信模块。所述4G/5G通信模块用于将巡检数据与飞行状态数据发送至调控平台；所述无线数传通信模块作用在于无人机起飞前由机载数传通知起落站完成壳体开启，开始执行巡检任务后关闭壳体；巡检完成后机载数传通知开启壳体，完成后关闭壳体。

所述视觉降落模块，包括摄像模块、高精度定位模块以及激光测距模块。高精度定位模块用于记录无人机精准位置，应用于可稳定视觉检测前的降落初始阶段，本阶段利用GPS差分定位算法实现对无人机的精确连续调整；

摄像模块用于识别智能起落站降落标识，通过Apriltag目标检测算法对标识进行识别，识别到相应降落标识后，计算智能起落站在图像中的相对像素坐标，根据计算坐标采用自适应PID算法控制无人机水平运动至智能起落站图像正上空，直至智能起落站位于图像中央满足降落精度条件时，无人机根据预设速度进行自主降落；

摄像模块还用于获取巡检区域相关数据。

此外，激光测距模块用于测量无人机对地高度，以满足无人机视觉降落中对地测量数据的实时高精度获取。

本实施例中，数据获取频率为10Hz，此项数据受模块性能影响。

本实施例中的无人机首选多旋翼无人机。

下面对本系统的工作流程作详细说明，如图3所示，以海域巡检为实施例：

1、调控平台与无人机智能起落站进行双向通信，控制开启无人机智能起落站舱门，控制无人机电池开启。无人机上电后与调控平台建立TCP网络连接，平台制定飞行任务，并向无人机发送任务航点；

2、无人机接收巡检航点后按照预设巡检航线对海域进行巡检作业。当发生海上危险事故、不明来历船只等情况下，无人机采集险情信息与现场取证信息并实时回传至调控平台，由数据分析平台进行数据分析，由指挥中心根据险情大小做出判断，决定下一步的执行计划。

3、巡检任务结束后，无人机返回至起飞点上方，此时高精度定位模块和视觉降落模块开始工作。

作为对本实施例的进一步细化，降落阶段分为两个阶段：由于无人机巡检高度超过摄像头的观察范围，同时为确保下降过程中摄像头能够识别到降落标识，故第一阶段由高精度定位模块控制无人机进行降落，并根据起飞前记录的坐标对无人机进行x、y方向上的调整，提高下降过程中无人机的抗干扰性，直至摄像头识别到降落标识，第一阶段结束；第二阶段由视觉降落算法对无人机进行位置调整，利用Apriltag目标检测算法对图像进行识别，识别到相应降落标志后，计算智能起落站在图像中的相对像素坐标，采用自适应PID算法控制无人机水平运动至智能起落站图像正上方，直至智能起落站位于图像中央满足降落精度条件时，无人机根据预设速度进行自主下降，完成降落。

4、降落完成后，智能起落站自动关闭舱门，无人机断电，起落站中设置的固定装置对无人机进行固定，使无人机保持稳定，同时自动充电装置与无人机电池端连接，实现自动充电。至此巡检工作完成。

本实施例以海域巡检为例，描述了本发明的具体工作流程，但应注意并不限于此工作流程，可依据巡检区域实际情况自主设定工作流程。

作为对上述实施例的再一具体应用，在防洪抢险或其他紧急事件管理方面，本系统能够降低人力成本，提高工作效率，本发明的无人机能够实时跟踪洪水的演进过程，对于水域中泥沙堆积问题，无人机在巡视过程中能够实时回传淤积的影像。

作为对上述实施例的再一具体应用，在公路巡检方面，本发明能够代替人工进行巡检工作，确保巡检人员安全；同时可对违法违规、事故现场进行拍照录像并实时传输至平台，由监管人员根据图像数据进行判断并做出决策，提高工作效率。

作为对上述实施例的再一具体应用，本发明可应用在森林巡检方面，无人机按照规划航线对森林火灾、偷猎盗伐等现象进行巡检，一旦发现险情，立马上报监管人员及时处置。

综上，本无人机自主巡检续航系统，可以实现针对海域、河流、公路、森林的全流程无人化的自主巡检、起降以及无人机的回收工作。

本发明设置多TCP连接的远程调度平台，实现跨地域的远程无人机巡检系统的运行调度；

本发明采用自主合成的高精度GIS高清实景地图，以本地地图服务器作为航迹规划服务提供者，增强航迹规划功能稳定性，保障巡检过程安全可控；

本发明采用基于视觉的无人机多级降落算法，实现降落过程的逐级求精控制，有效规避GPS信号不稳定或电子干扰情况下无人机漂移问题，实现无人机厘米级精准降落。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种无人机自主巡检续航系统，其特征是，包括调控平台、无人机机载端系统和无人机智能起落站，其中：

所述调控平台用于根据无人机状态，设置巡检任务，向相应的无人机下发飞行任务，确定向所述无人机提供充电续航的无人机智能起落站，接收并分析无人机巡检数据，以得到巡检区域特征，与无人机智能起落站双向通信；

所述无人机机载端系统，搭载于无人机上，用于进行飞行和降落状态控制，和调控平台、无人机智能起落站进行数据通信；

所述无人机智能起落站，包括若干个，分别设置于巡检航线不同地点上，用于接收所述调控平台的指令，开启舱门以供无人机降落，并为相应无人机提供充电服务，实现无人机续航。

2.如权利要求1所述的一种无人机自主巡检续航系统，其特征是，所述调控平台，包括无人机调度平台和数据分析平台，所述无人机调度平台用于控制无人机，获取无人机状态，制定巡检任务，向无人机下发飞行任务，实现无人机巡检任务的调度；所述数据分析平台，用于接收并存储无人机巡检数据，通过分析巡检数据分析巡检区域特征。

3.如权利要求1所述的一种无人机自主巡检续航系统，其特征是，所述巡检数据包括影像数据、飞行状态数据和环境监测数据。

4.如权利要求1所述的一种无人机自主巡检续航系统，其特征是，所述无人机智能起落站，包括起落站本体，起落站本体内设置有数据传输模块和自主充电模块，所述数据传输模块，用于实时接收无人机以及调度平台传输数据指令；

所述自主充电模块，包括充电装置，所述充电装置上设置有充电接头，充电接头上设置有充电突出槽，凸槽上设置有电池正极，所述充电装置设置有充电端，用于识别和对接电池端，完成对巡检无人机的自动充电；所述充电端设置有两个条形凹槽，凹糟中安装有电磁铁。

5.如权利要求4所述的一种无人机自主巡检续航系统，其特征是，所述无人机智能起落站内置降落标志，以实现视觉引导的无人机降落，且无人机智能起落站内设置有用于储存无人机的区域；

或，所述无人机智能起落站内设置有若干摄像头和探照灯，以分别用于视频获取和提高黑暗环境下充电装置与无人机的连接准确性和安全性。

6.如权利要求1所述的一种无人机自主巡检续航系统，其特征是，所述无人机机载端系统具有控制模块、数据通信模块和视觉降落模块，所述控制模块与数据通信模块和视觉降落模块通信。

7.如权利要求6所述的一种无人机自主巡检续航系统，其特征是，所述控制模块采用ROS框架，多线程分别运行无人机视觉降落、数据通信和无人机飞行状态控制指令，以发送订阅模式实现进程间数据的实时传输；

或，所述数据通信模块，包括通信模块和无线数传通信模块，所述通信模块用于将巡检数据与飞行状态数据发送至调控平台；所述无线数传通信模块作用在于无人机起飞前由机载数传通知起落站完成主体开启，开始执行巡检任务后关闭主体；巡检完成后机载数传通知开启主体，完成后关闭主体；

或，所述视觉降落模块，包括摄像模块、高精度定位模块、分析模块以及激光测距模块，高精度定位模块用于记录无人机精准位置，在降落初始阶段利用GPS差分定位算法对无人机的精确连续调整；

所述摄像模块，用于识别智能起落站降落标识，并获取巡检区域相关数据；

所述分析模块，用于通过目标检测算法对摄像模块采集的标识进行识别，识别到相应降落标识后，计算智能起落站在图像中的相对像素坐标，根据计算坐标控制无人机水平运动至智能起落站图像正上空，直至智能起落站位于图像中央满足降落精度条件；

所述激光测距模块用于测量无人机对地高度，以满足无人机视觉降落中对地测量数据的获取。

8.基于权利要求1-7中任一项所述的系统的控制方法，其特征是，包括以下步骤：

根据无人机状态，设置巡检任务，确定无人机的飞行任务航点，向相应的无人机下发飞行任务；

确定向所述无人机在执行飞行任务时提供充电续航的无人机智能起落站，控制无人机智能起落站配合无人机，实现无人机在无人机智能起落站的降落和充电续航；

接收并分析无人机巡检数据，以得到巡检区域特征。

9.如权利要求8所述的控制方法，其特征是，无人机在无人机智能起落站的降落时，具体控制过程包括：对无人机进行定位，并根据起飞前记录的坐标对无人机进行x、y方向上的调整；

直至检测到降落标识；

利用目标检测算法对图像进行识别，识别到相应降落标志后，计算智能起落站在图像中的相对像素坐标，控制无人机水平运动至智能起落站图像正上方，直至智能起落站位于图像中央满足降落精度条件时，无人机根据预设速度进行自主下降，完成降落。

10.如权利要求9所述的控制方法，其特征是，利用自适应PID算法控制无人机水平运动至智能起落站图像正上方。

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