CN211831002U - 一种基于北斗系统的无人机燃气管网巡检系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于北斗系统的无人机燃气管网巡检系统，包括无人机、高清相机、激光甲烷探测仪、电源管理单元PMU和显示模块，无人机包括起落架、无人机旋翼和飞控主板；高清相机安装在无人机的底部，激光甲烷探测仪安装在机身上，电源管理单元PMU向MCU供电；电源管理单元PMU中的一个拓展接口与显示模块连接；北斗接收机、高清相机和激光甲烷探测仪分别通过USART接入MCU。该巡检系统将北斗系统运用于无人机平台，以实时获取位置信息，并在无人机上搭载相机和具备远距离甲烷浓度精准探测功能的测量装置以获取图像信息与甲烷泄露信息，相关信息可通过外放接口传入飞控主板进行同步处理，最终形成检测报告传回地面站。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种无人机燃气管网巡检系统，尤其涉及一种基于北斗系统的无人机燃气管网巡检系统。
背景技术
燃气输配系统是城市基础设施建设的重要组成部分之一。燃气输配系统主要由燃气门站、燃气管网、储气设施、调压设施、管理设施等组成。随着我国天然气消费的快速增长，巨大的天然气用量对天然气输配系统的要求日益提高，燃气管网的安全运行压力巨大。
目前，国内燃气公司为监控燃气管网的运行状态、发现燃气管网存在的隐患，基本采用人工巡线的方式对燃气管网进行安全性检查。然而，人工巡线的工作方式存在效率低下、被检管道覆盖面较小、人工成本高等缺陷，同时存在因不同巡线人员的数据孤立导致巡线数据无法充分利用的问题。
随着无人机技术的成熟与使用成本的不断降低，国内部分燃气公司开始尝试利用无人机进行巡线工作。但是目前国内几乎所有类型的无人机搭载的均是GPS系统，对北斗定位系统应用较少。但是燃气行业是关乎民生和社会稳定的关键产业，是人们日常生活不可缺少的必需品，所以运用我国自主开发的北斗系统以保障燃气产业相关信息的安全性和技术的自主可控性是必要的。随着我国对北斗系统的开发日益成熟，其在覆盖范围、定位精度、响应时间等方面已可与GPS系统相媲美，在安全性、可靠性、稳定性、亚太地区的定位精度方面已超越GPS系统。
针对以上情况，有必要开发一型基于北斗系统的无人机燃气管网巡检系统，实现定位系统的自主可控。同时，当前国内外对无人机巡线技术方面的研究大多是利用相机获取图像的方式获取管道外观状态，信息量有限，对燃气泄漏等图片无法反映的信息获取较为困难，因此有必要进一步开发无人机检测燃气泄漏功能，扩展无人机巡线的应用场景。
实用新型内容
针对国内绝大多数无人机仅搭载相机而无法采集燃气管道泄漏信息和使用GPS系统在信息安全性上存在不足的现状，本实用新型提供了一种基于北斗系统的无人机燃气管网巡检系统。
为了解决上述技术问题，本实用新型采用了如下技术方案：
一种基于北斗系统的无人机燃气管网巡检系统，包括无人机、高清相机、激光甲烷探测仪、电源管理单元PMU和显示模块，所述无人机包括起落架、无人机旋翼和飞控主板；
所述高清相机安装在无人机的底部且位于起落架之间；所述激光甲烷探测仪安装在无人机的机身上；
所述电源管理单元PMU与飞控主板中的MCU连接，电源管理单元PMU向MCU供电；所述电源管理单元PMU中的一个拓展接口与显示模块连接；
北斗接收机、高清相机和激光甲烷探测仪分别通过USART接入飞控主板中的MCU。
作为本实用新型的一种优选方案，所述飞控主板中的MCU通过RC及PWM驱动将控制终端发送的PWM信号用于无人机飞行姿态及电动云台控制，电动云台的有效控制可辅助搭载的激光甲烷探测仪及高清相机实现全方位的信息获取。
作为本实用新型的另一种优选方案，所述飞控主板中的MCU将整合的信息通过USART接入无线传输模块和SD卡。
与现有技术相比，本实用新型具有如下技术效果：
1、该无人机燃气管网巡检系统将北斗系统运用于无人机平台，以实时获取位置信息，并在无人机上搭载相机和具备远距离甲烷浓度精准探测功能的测量装置以获取图像信息与甲烷泄露信息，相关信息可通过外放接口传入飞控主板进行同步处理，最终形成检测报告传回地面站。
2、使用本实用新型所描述的燃气管网无人机巡线系统，可降低燃气管网维护人员的工作难度、节约大量人力成本，改善野外管道、埋地管道泄漏难发现、发现泄漏难处理、处理效率低的现状。同时激光远距离的检测可以提高燃气传输调度的安全性，对城市燃气管网安全高效的运行具有重大意义。
3、本系统的巡线效率明显高于人工巡线，且在发现燃气泄漏点后信息的传递具有及时性，为燃气检修或抢险救灾争取到宝贵的时间，本系统可为燃气管网的安全运行提供更大的保障。
附图说明
图1为一种基于北斗系统的无人机燃气管网巡检系统的结构示意图；
图2为无人机燃气管网巡检系统的控制系统图；
图3为无人机燃气管网巡检系统的工作流程图。
图中，1—高清相机；2—起落架；3—无人机旋翼；4—激光甲烷探测仪；5—飞控主板。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细地描述。
一种基于北斗系统的无人机燃气管网巡检系统，包括无人机、高清相机1、激光甲烷探测仪4、电源管理单元PMU和显示模块。无人机包括起落架2、无人机旋翼3和飞控主板5，如图1所示，高清相机1安装在无人机的底部且位于起落架2之间，无人机上搭载高清相机1用于获取图像信息，激光甲烷探测仪4安装在无人机的机身上，无人机上端搭载的激光甲烷探测仪4用于获取管网的燃气(主要成分为甲烷)泄露信息，通过外放接口将获取的图像信息和泄漏信息传入飞控主板5，进行统一的数据处理与传输。
图2为无人机燃气管网巡检系统的控制系统图，电源管理单元PMU与飞控主板5中的MCU(例如STM32F407系列ARM处理芯片)连接，电源管理单元PMU向MCU供电，电源管理单元PMU中的一个拓展接口与显示模块连接；北斗接收机、高清相机1和激光甲烷探测仪4分别通过USART接入飞控主板5中的MCU。飞控主板5中的MCU通过RC及PWM驱动将控制终端发送的PWM信号用于无人机飞行姿态及电动云台控制，电动云台的有效控制可辅助搭载的激光甲烷探测仪4及高清相机1实现全方位的信息获取。飞控主板5中的MCU将整合的信息通过USART接入无线传输模块和SD卡。
无人机燃气管网巡检系统的控制系统由飞控主板和外部设备两部分组成。飞控主板中的MCU(单片微型计算机)是飞控系统的核心，MCU与飞控主板内外设备利用多种通讯方式实现设备间的信息交互。根据各个单元的功能不同，飞控系统可分为如下5个功能单元：
1)电源及显示单元。PMU(电源管理单元)为飞控系统供电，并提供拓展接口，其中一个接口连接显示模块(例如彩色高亮LED灯)用于无人机工作状态显示，剩余接口可用于系统升级或系统功能拓展。
2)动力单元。飞控系统通过RC(SBUS控制信号接口)及PWM驱动将控制终端发送的PWM信号用于无人机飞行姿态及电动云台控制，电动云台的有效控制可辅助搭载的探测仪及高清相机实现全方位的信息获取。
3)信息采集单元。此单元包括北斗接收机、激光甲烷探测仪和高清相机。北斗接收机可直接运用于飞控主板，激光甲烷探测仪和高清相机的搭载需通过飞控主板外的双电动云台实现。
4)信息同步传输单元。本单元采用的USART(通用同步串行收发器)，其收、发模块使用相同的时钟发生器，保证相同时间触发数据传输，使北斗接收机、激光甲烷探测仪和高清相机获取的信息可同步传输至MCU进行数据处理。
5)信息远传及存储单元。MCU将整合的信息通过USART接入无线传输模块和SD卡，无线传输模块可利用抗干扰能力强的无线信号向控制终端传输整合信息，SD卡备份的信息可在无人机返航后取出使用。
系统搭载的北斗接收机的组成包括以下5个模块：
1)射频天线模块，用于接收各个卫星的无线电波。
2)射频前端处理模块，用于过滤相应频段以外信号，然后对射频信号进行功率放大、下变频和A/D采样处理后得到数字基带信号。
3)基带信号处理模块，对数字基带信号进行捕获、解扩、解调处理后恢复出数据码。
4)MCU模块，用于解析数据码从而得到定位、时间、速度等信息，并协调系统各模块工作。
5)外放接口或显示模块，可将最终信息传出或在北斗接收机显示。
系统搭载的北斗接收机采用RTK(实时动态)载波相位差分技术，北斗接收机和具有高定位精度的基准站同步观测同一组北斗卫星，基准站通过数据链将其修正参数传输给北斗接收机，北斗接收机通过实时处理来自基准站的修正参数和自身的观测值，从而得到亚米级定位信息。
系统所用探测仪是基于可调谐激光吸收光谱(TDLAS)原理制造成的激光甲烷探测仪。首先，激光甲烷探测仪向天然气管道附近发射甲烷分子强吸收波长的红外检测激光，然后激光会在天然气管道附近发生漫反射现象，最后探测仪接收到经甲烷气体吸收的激光束，通过分析其光强度变化值计算出燃气管道附近的甲烷浓度。
本系统的具体工作流程如图3所示：
1)开机调试。对无人机、相机、探测仪进行安全检查，确认无异常情况后打开电源，设置巡线方式、巡线距离等相关参数。
2)起飞与系统启动。打开相机和探测仪的电源，并启动无人机。通过多个旋翼的旋转，无人机可在起降台垂直起飞，搭载的相关设备同步开始工作。
3)巡线与传输。无人机将按规划的飞行路线进行巡线。飞行过程中，北斗接收机将获取实时的位置信息，同时高清相机、探测仪将分别获取实时的图像信息和泄露信息。飞行过程中获取的信息将通过外放接口传入主控板进行数据处理，最终将整合的检测报告传回地面站。
4)降落。完成巡线后，无人机按原飞行路线返航，并通过起降台的引导精准降落。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。
Claims (3)
1.一种基于北斗系统的无人机燃气管网巡检系统，包括无人机，所述无人机包括起落架(2)、无人机旋翼(3)和飞控主板(5)，其特征在于：还包括高清相机(1)、激光甲烷探测仪(4)、电源管理单元PMU和显示模块；
所述高清相机(1)安装在无人机的底部且位于起落架(2)之间；所述激光甲烷探测仪(4)安装在无人机的机身上；
所述电源管理单元PMU与飞控主板(5)中的MCU连接，电源管理单元PMU向MCU供电；所述电源管理单元PMU中的一个拓展接口与显示模块连接；
北斗接收机、高清相机(1)和激光甲烷探测仪(4)分别通过USART接入飞控主板(5)中的MCU。
2.根据权利要求1所述的一种基于北斗系统的无人机燃气管网巡检系统，其特征在于：所述飞控主板(5)中的MCU通过RC及PWM驱动将控制终端发送的PWM信号用于无人机飞行姿态及电动云台控制，电动云台的有效控制可辅助搭载的激光甲烷探测仪(4)及高清相机(1)实现全方位的信息获取。
3.根据权利要求1所述的一种基于北斗系统的无人机燃气管网巡检系统，其特征在于：所述飞控主板(5)中的MCU将整合的信息通过USART接入无线传输模块和SD卡。
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