CN115826408A - 一种巡检无人机用自适应控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种巡检无人机用自适应控制系统，属于无人机智能控制技术领域，该自适应控制系统能够自动实现对炉膛的巡检，相较于传统巡检方式，大大减少了工作量，提升了巡检效率，且由于自动巡检的实现，避免了高空作业，降低了巡检工作的危险性；本发明能够根据炉膛内预设的对照物来实现对无人机的连续的自我定位，这种方法能够脱离GPS导航方法，在GPS信号较弱的炉膛内能够对无人机的空间位置进行快速的更新，且整个过程可以不与其他装置或者平台实现信号交互，大大降低了信号干扰带来的影响，另外在无人机执行巡检任务时，能够脱离目视范围而不影响其自主定位，大大提升了无人机的巡检范围和巡检能力。

Description

一种巡检无人机用自适应控制系统

技术领域

本发明属于无人机智能控制技术领域，具体的，涉及一种巡检无人机用自适应控制系统。

背景技术

电厂的锅炉炉膛由水冷壁延伸部分和后烟井延伸部分组成，内部布置有末级再热器和末级过热器。在水冷壁或者水平烟道受热面进行检查前，需搭设脚手架或升降平台，检验人员需佩戴安全带，携带仪器，站在升降平台或爬在几十米高的脚手架上进行检查，存在高空作业风险；另外，锅炉炉内环境通常含尘量较大、较闷热，光线不足，有受热面附着焦块掉落危险，对检查人员的健康状况、心理状态都有较高要求；最后，传统的炉内检查工作无法避开搭设摘除升降平台或脚手架工作，这项工作一般需在炉膛完全冷却后2-3天才能完成，增加了检修时间。

随着无人机技术的不断发展，给这项锅炉重要检修工作带来了新的变革创新契机，但是炉膛内部属于封闭空间，GPS信号强度较低，传统的GPS定位无法使用，为了解决上述问题，提供一种能够在如炉膛这样的密闭空间进行无人机定位导航的方法，本发明提供了以下技术方案。

发明内容

本发明的目的在于提供一种巡检无人机用自适应控制系统，解决现有技术中在封闭空间无人机导航定位难度大，精准率低下的问题。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种巡检无人机用自适应控制系统，包括：

竖向定位单元，用于对巡检无人机的竖向高度进行实时检测，并将其传输至控制单元；

动力驱动单元，用于为巡检无人机提供驱动动力，对巡检无人机的位置进行调整；

BIM单元，用于建立待检测区域的三维模型；

定位摄像单元，包括n个可以独立进行360角度调节的定位摄像头，用于获取对照物的图像信息，并将其传输至图像处理单元，其中n≥2；

巡检摄像单元，用于获取巡检对象的对应位置的图像信息，并将其传输至图像处理单元；

图像处理单元，用于对定位摄像单元以及巡检摄像单元上传的图像信息进行分析处理；

控制单元，用于接收图像处理单元的分析结果，并根据图像处理单元的分析结果来驱动动力驱动单元对无人机的空间位置进行调整；

上述的一种巡检无人机用自适应控制系统的工作方法，包括如下步骤：

S1、通过BIM单元建立待检测区域的三维模型，以该三维模型为对象建立三维坐标系；

设定对照物，获取各对照物在三维坐标系中的位置坐标；

S2、无人机起飞至预设高度值后保持飞行高度，选择n个对照物作为定位对照物；

各定位摄像头与各定位对照物一一对应，对各定位摄像头的拍摄角度进行调整，使一个定位对照物始终处于对应定位摄像头的画面中央；

根据无人机的飞行高度、一个定位对照物的位置坐标、一个定位摄像头相较于确定方向的偏转角度与偏转方向计算得到无人机的一个空间坐标(a1，b1，c1)；

对应其它定位对照物获得其它n-1个空间坐标(a2，b2，c2)、...、(an，bn，cn)；

计算获得无人机的最终计算坐标(ap，bp，cp)，其中ap＝(a1+a2+、...、an)/n，bp＝(b1+b2+、...、bn)/n、cp＝(c1+c2+、...、cn)/n；

S3、当无人机的飞行高度与位置变化时，对定位摄像头的拍摄角度进行调整，使对应的对照物始终处于对应的定位摄像头的画面中央；

根据一个对照物的位置坐标以及无人机的最终计算坐标计算得到无人机与该对照物之间的距离r以及对照物与无人机之间的连线与水平方向之间的夹角γ；

获取满足r2≤r≤r1以及γ≤γ1的对照物，将其标记为备选对照物；

其中r1与r2均为预设值，γ1为预设值；

在备选对照物中选择n个对照物作为定位对照物；

S4、当无人机位置变化导致对应的定位对照物发生变化时，将替换的定位对照物标记为A1、将被替换的定位对照物标记为A2；

中断定位对照A2的空间坐标输入，采用其他定位对照物的空间坐标计算无人机的最终计算坐标；

定位对照物A2对应的定位摄像头根据当前无人机的最终计算坐标以及定位对照物A1的空间坐标，对该定位摄像头的拍摄角度进行调整，使定位对照物A1始终处于该定位摄像头的画面中央；

按照步骤S2中的方法计算得到新的最终计算坐标；

按照新的最终计算坐标继续对无人机进行定位导航；

S5、根据无人机的实时最终计算坐标对无人机的位置进行调整，使无人机按照规划路线对炉膛内壁进行巡检，并通过巡检摄像单元采集图像信息进行保存。

作为本发明的进一步方案，所述竖向定位单元为红外测距传感器。

作为本发明的进一步方案，该自适应控制系统还包括补光单元，用于提供光照，提升部分位置的光照强度。

作为本发明的进一步方案，选择n个对照物作为定位对照物的方法为：

控制器通过竖向定位单元获取巡检无人机的高度值h1；

控制器读取各对照物的位置坐标，从而获取各对照物的高度值h2；

计算|h2-h1|，获取|h2-h1|最小的n个对照物作为定位对照物，其中n为定位摄像单元中定位摄像头的数量。

作为本发明的进一步方案，在获得最终计算坐标(ap，bp，cp)之前，还需要对空间坐标进行核验，具体方法为：判断|ai-a(i+1)|/[ai，a(i+1)]min≤β、|bi-b(i+1)|/[bi，b(i+1)]min≤β、|ci-c(i+1)|/[ci，c(i+1)]min≤β是否始终同时成立，若成立，则通过核验并进行最终计算坐标的计算，若不成立，则排除对应的空间坐标并重新进行核验，其中1≤i≤n-1，β为预设值。

作为本发明的进一步方案，并将排除的空间坐标对应的定位摄像头标记异常定位摄像头；

在巡检结束后，统计定位摄像头被标记为异常定位摄像头的次数，并对对应定位摄像头进行检验。

作为本发明的进一步方案，在备选对照物中选择n个对照物作为定位对照物的方法为：

首先判断当前的一个定位对照物是否属于备选对照物，若是，则不进行该定位对照物的切换，若不是，根据公式G＝α1*|r-r3|+α2*γ1计算得到各当前不属于定位对照物的备选对照物的对比系数G；

选择对比系数G最小的备选对照物作为新的定位对照物以替换对应的定位对照物。

作为本发明的进一步方案，所述图像处理单元的处理内容包括：

识别对照物以及对照物在定位摄像单元所采集图像中的位置，判断巡检摄像单元所采集画面中是否存在燃烧器喷口受热变形、积灰结焦、受热面管壁变形、腐蚀、积灰结焦。

本发明的有益效果：

(1)本发明能够自动实现对炉膛的巡检，相较于传统巡检方式，大大减少了工作量，提升了巡检效率，且由于自动巡检的实现，避免了高空作业，降低了巡检工作的危险性；

(2)本发明能够根据炉膛内预设的对照物来实现对无人机的连续的自我定位，这种方法能够脱离GPS导航方法，在GPS信号较弱的炉膛内能够对无人机的空间位置进行快速的更新，且整个过程可以不与其他装置或者平台实现信号交互，大大降低了信号干扰带来的影响，另外在无人机执行巡检任务时，能够脱离目视范围而不影响其自主定位，大大提升了无人机的巡检范围和巡检能力；

(3)本发明通过定位摄像头变换拍摄角度，使对应对照物始终处于定位摄像头的画面中央，并通过读取定位摄像头的旋转角度、无人机的高度以及对照物的坐标来计算得到无人机在三维坐标体系中的坐标位置，整体通过视觉定位，且显著降低了定位时的图像识别计算量；

(4)本发明通过同时采集两个或者两个以上的对照物，从而通过求均值的方式来降低单个对照物带来的计算误差较大的问题。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1是本发明一种巡检无人机用自适应控制系统的框架结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

一种巡检无人机用自适应控制系统，如图1所示，包括：

竖向定位单元，用于对巡检无人机的竖向高度进行实时检测，并将其传输至控制单元；

在本发明的一个实施例中，所述竖向定位单元为红外测距传感器；

动力驱动单元，用于为巡检无人机提供驱动动力，对巡检无人机的位置进行调整；

补光单元，用于提供光照，提升部分位置的光照强度；

BIM单元，用于建立待检测区域的三维模型；

定位摄像单元，包括n个可以独立进行360角度调节的定位摄像头，用于获取对照物的图像信息，并将其传输至图像处理单元；

其中n≥2；

巡检摄像单元，用于获取巡检对象的对应位置的图像信息，并将其传输至图像处理单元；

图像处理单元，用于对定位摄像单元以及巡检摄像单元上传的图像信息进行分析处理，识别对照物以及对照物在定位摄像单元所采集图像中的位置，判断巡检摄像单元所采集画面中是否存在燃烧器喷口受热变形、积灰结焦、受热面管壁变形、腐蚀、积灰结焦等情况；

控制单元，用于接收图像处理单元的分析结果，并根据图像处理单元的分析结果来驱动动力驱动单元对无人机的空间位置进行调整；

上述的一种巡检无人机用自适应控制系统的工作方法，包括如下步骤：

S1、通过BIM单元建立待检测区域的三维模型，以该三维模型为对象建立三维坐标系；

设定对照物，获取各对照物在三维坐标系中的位置坐标；

所述对照物可以为电厂炉膛内自有的结构物或者在进行巡检工作时临时设置的结构物，对照物应当在电站炉膛内具有独一性和明显性，独一性是指对照物能够与电厂炉膛内的其它结构物均存在不同，明显性是指对照物与背景以及对照物与其他结构物之间存在显著差异；

需要注意的是，对照物的体积不宜过大，过大会导致在通过定位摄像单元与巡检摄像单元对对照物进行图像采集时，对照物在图像中占据区域较大，从而导致图像处理单元的处理结果误差较大；

S2、无人机起飞至预设高度值后保持飞行高度，控制器通过竖向定位单元获取巡检无人机的高度值h1；

控制器读取各对照物的位置坐标，从而获取各对照物的高度值h2；

计算|h2-h1|，获取|h2-h1|最小的n个对照物作为定位对照物，其中n为定位摄像单元中定位摄像头的数量；

各定位摄像头与各定位对照物一一对应，对各定位摄像头的拍摄角度进行调整，使一个定位对照物始终处于对应定位摄像头的画面中央；

根据无人机的飞行高度、一个定位对照物的位置坐标、一个定位摄像头相较于确定方向的偏转角度与偏转方向计算得到无人机的一个空间坐标(a1，b1，c1)；

对应其它定位对照物获得其它n-1个空间坐标(a2，b2，c2)、...、(an，bn，cn)；

计算获得无人机的最终计算坐标(ap，bp，cp)，其中ap＝(a1+a2+、...、an)/n，bp＝(b1+b2+、...、bn)/n、cp＝(c1+c2+、...、cn)/n；

该步骤通过定位摄像头变换拍摄角度，使对应对照物始终处于定位摄像头的画面中央，并通过读取定位摄像头的旋转角度、无人机的高度以及对照物的坐标来计算得到无人机在三维坐标体系中的坐标位置；

该步骤还通过同时采集两个或者两个以上的对照物，从而通过求均值的方式来降低单个对照物带来的计算误差较大的问题；

在获得最终计算坐标(ap，bp，cp)之前，还需要对空间坐标进行核验，具体方法为：判断|ai-a(i+1)|/[ai，a(i+1)]min≤β、|bi-b(i+1)|/[bi，b(i+1)]min≤β、|ci-c(i+1)|/[ci，c(i+1)]min≤β是否始终同时成立，若成立，则通过核验并进行最终计算坐标的计算，若不成立，则排除对应的空间坐标并重新进行核验，并将排除的空间坐标对应的定位摄像头标记异常定位摄像头；

其中1≤i≤n-1，β为预设值；

在巡检结束后，统计定位摄像头被标记为异常定位摄像头的次数，并对对应定位摄像头进行检验；

S3、当无人机的飞行高度与位置变化时，对定位摄像头的拍摄角度进行调整，使对应的对照物始终处于对应的定位摄像头的画面中央；

根据一个对照物的位置坐标以及无人机的最终计算坐标计算得到无人机与该对照物之间的距离r以及对照物与无人机之间的连线与水平方向之间的夹角γ；

获取满足r2≤r≤r1以及γ≤γ1的对照物，将其标记为备选对照物；

其中r1与r2均为预设值，r1与r2的取值应当能够保证无人机与对应对照物之间的距离合适，γ1为预设值，γ1的取值应当能够保证无人机与对应对照物之间的夹角合适；

避免对照物与无人机之间的距离过近、过远或者夹角过大导致图像处理单元的处理结果失准；

在备选对照物中选择n个对照物作为定位对照物；

在本发明的一个实施例中，在备选对照物中选择n个对照物作为定位对照物的方法为：

首先判断当前的一个定位对照物是否属于备选对照物，若是，则不进行该定位对照物的切换，若不是，根据公式G＝α1*|r-r3|+α2*γ1计算得到各当前不属于定位对照物的备选对照物的对比系数G；

选择对比系数G最小的备选对照物作为新的定位对照物以替换对应的定位对照物；

S4、当无人机位置变化导致对应的定位对照物发生变化时，将替换的定位对照物标记为A1、将被替换的定位对照物标记为A2；

中断定位对照A2的空间坐标输入，采用其他定位对照物的空间坐标计算无人机的最终计算坐标；

定位对照物A2对应的定位摄像头根据当前无人机的最终计算坐标以及定位对照物A1的空间坐标，对该定位摄像头的拍摄角度进行调整，使定位对照物A1始终处于该定位摄像头的画面中央；

按照步骤S2中的方法计算得到新的最终计算坐标；

按照新的最终计算坐标继续对无人机进行定位导航；

本发明能够根据炉膛内预设的对照物来实现对无人机的连续的自我定位，这种方法能够脱离GPS导航方法，在GPS信号较弱的炉膛内能够对无人机的空间位置进行快速的更新，且整个过程可以不与其他装置或者平台实现信号交互，大大降低了信号干扰带来的影响，另外在无人机执行巡检任务时，能够脱离目视范围而不影响其自主定位，大大提升了无人机的巡检范围和巡检能力；

S5、根据无人机的实时最终计算坐标对无人机的位置进行调整，使无人机按照规划路线对炉膛内壁进行巡检，并通过巡检摄像单元采集图像信息进行保存。

本发明能够自动实现对炉膛的巡检，相较于传统巡检方式，大大减少了工作量，提升了巡检效率，且由于自动巡检的实现，避免了高空作业，降低了巡检工作的危险性；

在说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上内容仅仅是对本发明所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种巡检无人机用自适应控制系统，其特征在于，包括：

竖向定位单元，用于对巡检无人机的竖向高度进行实时检测，并将其传输至控制单元；

动力驱动单元，用于为巡检无人机提供驱动动力，对巡检无人机的位置进行调整；

BIM单元，用于建立待检测区域的三维模型；

定位摄像单元，包括n个可以独立进行360角度调节的定位摄像头，用于获取对照物的图像信息，并将其传输至图像处理单元，其中n≥2；

巡检摄像单元，用于获取巡检对象的对应位置的图像信息，并将其传输至图像处理单元；

图像处理单元，用于对定位摄像单元以及巡检摄像单元上传的图像信息进行分析处理；

控制单元，用于接收图像处理单元的分析结果，并根据图像处理单元的分析结果来驱动动力驱动单元对无人机的空间位置进行调整；

上述的一种巡检无人机用自适应控制系统的工作方法，包括如下步骤：

S1、通过BIM单元建立待检测区域的三维模型，以该三维模型为对象建立三维坐标系；

设定对照物，获取各对照物在三维坐标系中的位置坐标；

S2、无人机起飞至预设高度值后保持飞行高度，选择n个对照物作为定位对照物；

各定位摄像头与各定位对照物一一对应，对各定位摄像头的拍摄角度进行调整，使一个定位对照物始终处于对应定位摄像头的画面中央；

根据无人机的飞行高度、一个定位对照物的位置坐标、一个定位摄像头相较于确定方向的偏转角度与偏转方向计算得到无人机的一个空间坐标(a1，b1，c1)；

对应其它定位对照物获得其它n-1个空间坐标(a2，b2，c2)、...、(an，bn，cn)；

计算获得无人机的最终计算坐标(ap，bp，cp)，其中ap＝(a1+a2+、...、an)/n，bp＝(b1+b2+、...、bn)/n、cp＝(c1+c2+、...、cn)/n；

S3、当无人机的飞行高度与位置变化时，对定位摄像头的拍摄角度进行调整，使对应的对照物始终处于对应的定位摄像头的画面中央；

根据一个对照物的位置坐标以及无人机的最终计算坐标计算得到无人机与该对照物之间的距离r以及对照物与无人机之间的连线与水平方向之间的夹角γ；

获取满足r2≤r≤r1以及γ≤γ1的对照物，将其标记为备选对照物；

其中r1与r2均为预设值，γ1为预设值；

在备选对照物中选择n个对照物作为定位对照物；

S4、当无人机位置变化导致对应的定位对照物发生变化时，将替换的定位对照物标记为A1、将被替换的定位对照物标记为A2；

中断定位对照A2的空间坐标输入，采用其他定位对照物的空间坐标计算无人机的最终计算坐标；

定位对照物A2对应的定位摄像头根据当前无人机的最终计算坐标以及定位对照物A1的空间坐标，对该定位摄像头的拍摄角度进行调整，使定位对照物A1始终处于该定位摄像头的画面中央；

计算得到新的最终计算坐标；

按照新的最终计算坐标继续对无人机进行定位导航；

S5、根据无人机的实时最终计算坐标对无人机的位置进行调整，使无人机按照规划路线对炉膛内壁进行巡检，并通过巡检摄像单元采集图像信息进行保存。

2.根据权利要求1所述的一种巡检无人机用自适应控制系统，其特征在于，所述竖向定位单元为红外测距传感器。

3.根据权利要求1所述的一种巡检无人机用自适应控制系统，其特征在于，该自适应控制系统还包括补光单元，用于提供光照，提升部分位置的光照强度。

4.根据权利要求1所述的一种巡检无人机用自适应控制系统，其特征在于，选择n个对照物作为定位对照物的方法为：

控制器通过竖向定位单元获取巡检无人机的高度值h1；

控制器读取各对照物的位置坐标，从而获取各对照物的高度值h2；

计算|h2-h1|，获取|h2-h1|最小的n个对照物作为定位对照物，其中n为定位摄像单元中定位摄像头的数量。

5.根据权利要求1所述的一种巡检无人机用自适应控制系统，其特征在于，在获得最终计算坐标(ap，bp，cp)之前，还需要对空间坐标进行核验，具体方法为：判断|ai-a(i+1)|/[ai，a(i+1)]min≤β、|bi-b(i+1)|/[bi，b(i+1)]min≤β、|ci-c(i+1)|/[ci，c(i+1)]min≤β是否始终同时成立，若成立，则通过核验并进行最终计算坐标的计算，若不成立，则排除对应的空间坐标并重新进行核验，其中1≤i≤n-1，β为预设值。

6.根据权利要求5所述的一种巡检无人机用自适应控制系统，其特征在于，并将排除的空间坐标对应的定位摄像头标记异常定位摄像头；

在巡检结束后，统计定位摄像头被标记为异常定位摄像头的次数，并对对应定位摄像头进行检验。

7.根据权利要求1所述的一种巡检无人机用自适应控制系统，其特征在于，在备选对照物中选择n个对照物作为定位对照物的方法为：

首先判断当前的一个定位对照物是否属于备选对照物，若是，则不进行该定位对照物的切换，若不是，根据公式G＝α1*|r-r3|+α2*γ1计算得到各当前不属于定位对照物的备选对照物的对比系数G；

选择对比系数G最小的备选对照物作为新的定位对照物以替换对应的定位对照物。

8.根据权利要求1所述的一种巡检无人机用自适应控制系统，其特征在于，所述图像处理单元的处理内容包括：

识别对照物以及对照物在定位摄像单元所采集图像中的位置，判断巡检摄像单元所采集画面中是否存在燃烧器喷口受热变形、积灰结焦、受热面管壁变形、腐蚀、积灰结焦。

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