CN110162076A - 一种基于无人机的接触网全自动智能巡检***及巡检方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于无人机的接触网全自动智能巡检***，涉及接触网巡检装置技术领域，其包括无人机和与无人机通信连接的工作机，无人机中包括主控芯片以及分别电连接于主控芯片上的飞控模块、GPS模块、图像采集模块、数据传输模块；工作机包括无人机飞行路径设置模块和图像处理模块。无人机根据GPS模块实时反馈的位置信息控制飞控模块按照预定轨迹飞行，并通过图像采集模块沿途拍摄接触网的图像信息并存储到图像采集模块中设置的存储器上，待无人机返航后，通过数据传输模块与工作机无线通信将采集的图像信息传输到工作机中，通过工作机的分析计算得出巡检结果。解决了现有技术中通过人工巡检接触网效率低、巡检不全面的问题。
Description
技术领域
本发明涉及接触网巡检装置技术领域，特别是涉及一种基于无人机的接触网全自动智能巡检***。
背景技术
在中国的铁路***中，电力牵引因其功率大、能源清洁的优点，成为主要牵引动力。接触网作为电力牵引的重要组成部分，它起着向电力机车输送电能的重要任务，而且要保证输送的连续性和可靠性。接触网是由接触悬挂、支持装置、定位装置以及支柱和基础四部分共同构成的，在运作过程中将电能通过接触网和受电弓输送到列车上，以此来保证列车的基本电能供应。接触网架设于铁路沿线、无备用，受自然条件影响大，很容易发生故障。因此，如何对接触网的状态进行实时监测，掌握接触网的运行状态就显得尤为重要。
目前中国国内接触网巡检技术多为人工目视巡检，时间规划不灵活，且人工巡检耗时长，巡检效率低，人工巡检多在接触网下方巡检，存在一定的视野盲区，无法全面巡检整个接触网***。
发明内容
针对现有技术中的上述问题，本发明提供了一种基于无人机的接触网全自动智能巡检***，解决了现有技术中通过人工巡检接触网效率低、巡检不全面的问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：
提供一种基于无人机的接触网全自动智能巡检***，其包括：
用以沿着接触网按照预设轨迹飞行并多个角度采集接触网图片信息并存储的无人机；以及
用于接收返航后的无人机采集的图片信息并对图片信息进行分析、计算得出巡检结果的工作机。
进一步地，无人机包括：
GPS模块，用于实时将无人机所处的经、纬度位置信息反馈给主控芯片，通过主控芯片控制飞控模块使无人机始终沿着预设的飞行轨迹飞行；
飞控模块，用于控制无人机的启停、飞行方向和飞行速度；
图像采集模块，用于采集无人机飞行沿途的接触网图像信息并存储；
数据传输模块，用于接收所述工作机设置的无人机飞行路径信息以及将图像采集模块采集的图像信息传输到工作机中；
主控芯片，用于接收并存储从工作机传输的飞行路径信息，并实时判断GPS模块反馈的位置信息与飞行路径的匹配度，并根据该匹配度实时控制飞行模块的动作；用于接收图像采集模块反馈的无人机所处的竖直高度信息控制飞行模块使无人机进入最优图像采集高度范围内；
主控芯片分别与GPS模块、飞控模块、图像采集模块和数据传输模块电连接。
进一步地，图像采集模块包括：
镜头，用于采集图像信息；
CMOS图像传感器，将镜头采集的图像模拟信号转化为数字信号传输到图像采集控制芯片上；
海拔高度传感器，实时检测所处的海拔高度信息并将信息传输到图像采集控制芯片上；
图像采集控制芯片，接收CMOS图像传感器传输的图像信息并存储，以及判断海拔高度传感器传输的位置信息是否在预设的最佳图像采集高度范围内，若在，则控制镜头进行图像采集，若不在，则向主控芯片传输信息使主控芯片控制飞控模块改变无人机的飞行高度。
进一步地，图像采集控制芯片为微处理器STM8S207S6。
进一步地，CMOS图像传感器的型号为MT9M001。
进一步地，图像采集控制芯片上电连接有存储器，镜头固定于电动云台上，电动云台电连接于图像采集控制芯片上。
进一步地，工作机包括：
无人机飞行路径设置模块，根据待巡检的接触网路段所处的位置信息设置无人机的飞行路径；
USB主机模块，用于将无人机飞行路径设置模块得到的控制程序传输到无人机主控芯片上；
无线通信模块，用于在无人机返航后与无人机上的数据传输模块无线通信，并通过无线通信传输图像信息；
图像处理模块，以预先通过接触网故障图片训练的图像数据集识别新接收的图像信息中是否存在故障，并将以文字的形式得出巡检结果。
利用上述基于无人机的接触网全自动智能巡检***巡检接触网的方法包括：
配置图像处理模块；
通过无人机飞行路径设置模块设置无人机的飞行路径，并将该飞行路径通过USB传输到无人机的主控芯片上，主控芯片通过实时接收GPS模块反馈的位置信息来控制飞控模块沿着预设路径飞行；
待进入接触网图像采集区域，图像采集模块中的海拔高度传感器实时检测无人机的飞行高度，并将该飞行高度传输到图像采集控制芯片中，
若飞行高度大于或小于预设的高度范围，则将高度差信号反馈给主控芯片，通过主控芯片控制飞控模块使无人机降低飞行高度或升高飞行高度；
若飞行高度介于预设的高度范围值内，则控制CMOS图像传感器采集图像信息，并结合GPS模块反馈的所采集图像处的位置信息进行存储；
无人机完成预设路径的飞行以后，通过数据传输模块与工作机无线通信，将新采集的图像信息传输到工作机中，通过图像处理模块以预先通过接触网故障图片训练的图像数据集识别新接收的图像信息中是否存在故障，并将以文字的形式得出是否存在故障以及故障所处的具***置信息。
进一步地，配置图像处理模块的方法包括：
采集接触网的故障图像，通过故障图像训练图像处理模块的数据集，使图像处理模块中认识故障图像并具有能够在新导入的图像中发现故障图像的能力；
设置图像处理模块的存储路径。
进一步地，无人机飞行路径设置模块设置无人机的飞行路径的方法包括：
对待巡检的接触网进行分段编号，根据该编号和相应段所处的经、纬度位置信息生成巡检路径。
本发明的有益效果为：通过无人机沿着接触网飞行采集接触网的实时图像，并在返航后将采集的图像无线传输到工作机中，通过工作机自动分析得出巡检结果，自动化、智能化程度高，效率高；通过对无人机路径的设置灵活设置无人机的飞行路径，使无人机能够通过多方向拍摄图像来增加接触网图像信息采集的全面性，得出的巡检结果更加准确、可靠；无人机的图像采集过程不与接触网接触，对列车的运行没有影响，保障了列车运行的安全性。
无人机依靠GPS模块实时反馈的位置信息实时控制飞控模块，调整无人机的飞行方向，使无人机始终沿着预设的路径自动飞行，不需要人工操作无人机的飞行，使无人机自动化程度更高，不仅节省人力且飞行更加稳定、可靠；无人机沿着接触网飞行过程中自动完成接触网图像的采集，将采集的图像信息进行存储，并在返航后再与工作机通信，使工作机不需要与无人机始终保持通信，降低了对信号强度的要求，使无人机单次巡航的距离更长。
附图说明
图1为基于无人机的接触网全自动智能巡检***元器件逻辑关系示意图。
图2为基于无人机的接触网全自动智能巡检***的工作原理示意图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1、图2所示，该基于无人机的接触网全自动智能巡检***包括无人机和与无人机通信连接的工作机。工作机为一台X86高性能PC，主要包含无人机飞行路径设置模块和图像处理模块，无人机飞行路径设置模块包括开发规划自主飞行路径的主控芯片SDK和将主控芯片SDK得出的控制程序烧录到主控芯片中的USB主机模块。USB是一种主从结构，数据交换只能发生在主机和设备之间，通过数据线连接USB主机模块和设置在无人机上的USB外设模块连接，将主控芯片SDK开发出的控制程序烧录到无人机的主控芯片上。
图像处理模块包括图像分析软件和与数据传输模块无线通信的通讯芯片，该无线通讯芯片为2.4G ISM通讯芯片。无人机返航后与工作机通过2.4G频段的无线网络进行通信，将采集到的新的图像信息传送到工作机中。
无人机中包括主控芯片以及分别电连接于主控芯片上的飞控模块、GPS模块、图像采集模块、数据传输模块。主控芯片根据GPS模块实时反馈的位置信息控制飞控模块按照预定轨迹飞行。飞控模块包括设置于无人机机身上多个方向上的多个旋翼，每个旋翼上均设置有驱动旋翼旋转的马达，马达电连接于马达控制器上，马达控制器电连接于主控芯片上，马达上还电连接有蓄电池。
飞控模块还包括MS-5611高度计、整合三轴陀螺仪与三轴加速度计的六轴MPU6000传感器、HMC5883磁力计和以ATMEGA2560微控制单元为核心的飞控板，该***用于调整无人机的飞行姿态，矫正飞行偏差。
主控芯片优先采用高通骁龙Flight平台，骁龙Flight是一块58x40mm开发板，包含一颗骁龙801SoC(由四颗主频为2.26GHz的核心组成)，支持GPS、4K视频拍摄，具有强劲的连接性以及先进的无人机软件和开发工具，双通道Wi-Fi和蓝牙模块，支持实时飞行控制***，拥有全球导航卫星***(GNSS)接收器，支持4K视频处理，支持快速充电技术。
图像采集模块为图像采集控制芯片、镜头、云台、CMOS图像传感器、海拔高度传感器和存储器等相关电子设备和传输介质组成的一个整体。图像采集控制芯片优选型号为8位微处理器STM8S207S6，它运行速度快，最高可以达到24M，内部资源丰富，拥有32KB的***内可编程Flash，2KB的内部RAM，l024B的EEPROM，2个可编程的串行UART接口，一个最高速度可达400bit/s的硬件I2C接口，一个可工作在主从模式的最高速度可达10bit/s的硬件SPI接口等，并且它的开发工具简单，易于使用。
CMOS图像传感器优选型号为MT9M001，海拔高度传感器优选型号为MS5611/5607，存储器优选为Micro SD卡，最大支持128GB容量。云台为电动云台，电动云台用于安装、固定和支撑镜头，并通过电动控制来调整镜头的方向，电动云台通过图像采集控制芯片控制。镜头和CMOS图像传感器负责图像的采集，采集的图像数据由图像采集控制芯片实时读取。由于图像采集控制芯片的内部RAM只有2K，存不下一帧图像，所以选择了Micro SD卡作为图像存储器，图像采集控制芯片将读取的图像数据转存入存储器中。
图像采集模块沿途拍摄接触网的图像信息并存储到图像采集模块中的存储器上，具体包括自动拍摄接触网的吊弦、接触线、承力索、支柱、腕臂、拉杆这些接触网组成部分。预先在主控芯片控制程序中加入图像采集模块的拍摄方式和拍摄参数。
GPS模块优选型号为SKG12A SKG12BL，其集成了RF射频芯片、基带芯片和核心CPU，并加上相关***电路而组成的一个集成电路。具有高灵敏度、低功耗、小型化、其极高追踪灵敏度，大大扩大了其定位的覆盖面，在普通GPS接收模块不能定位的地方，如狭窄都市天空下、密集的丛林环境，SKG12ASKG12BL型号的GPS模块都能高精度定位，非常适用于移动中的无人机中。
数据传输模块包括USB外设模块和2.4G ISM通信芯片。USB外设模块用于与工作机上的USB主机模块连接后烧录控制程序；2.4G ISM通信芯片优选型号为SI4432-B1-FM。
一种利用上述基于无人机的接触网全自动智能巡检***的巡检接触网的方法，其包括：
配置图像处理模块，采集接触网的故障图像，通过故障图像训练图像处理模块的数据集，使图像处理模块中认识故障图像并具有能够在新导入的图像中发现故障图像的能力，训练图像处理模块是采用基于Tensor Flow框架的图像检测器；设置图像处理模块的存储路径；
通过无人机飞行路径设置模块设置无人机的飞行路径，设置飞行路径的方法包括对待巡检的接触网进行分段编号，根据该编号和相应段所处的经、纬度位置信息生成巡检路径，并以控制程序的方式通过USB烧录到主控芯片上；
无人机通过实时接收GPS模块反馈的位置信息来控制飞控模块沿着预设路径飞行；
图像采集模块中的海拔高度传感器实时检测无人机的飞行高度，并将该飞行高度传输到图像采集控制芯片中，
若飞行高度大于或小于预设的高度范围，则将高度差信号反馈给主控芯片，通过主控芯片控制飞控模块使无人机降低飞行高度或升高飞行高度；
若飞行高度介于预设的高度范围值内，则控制CMOS图像传感器采集图像信息，并结合GPS模块反馈的所采集图像处的位置信息进行存储；
无人机完成预设路径的飞行以后，通过数据传输模块与工作机无线通信，将新采集的图像信息传输到工作机中，通过图像处理模块以预先通过接触网故障图片训练的图像数据集识别新接收的图像信息中是否存在故障，并将以文字的形式得出是否存在故障以及故障所处的具***置信息。
Claims (10)
1.一种基于无人机的接触网全自动智能巡检***，其特征在于，包括：
用以沿着接触网按照预设轨迹飞行并多个角度采集接触网图片信息并存储的无人机；以及
用于接收返航后的无人机采集的图片信息并对图片信息进行分析、计算得出巡检结果的工作机。
2.根据权利要求1所述的一种基于无人机的接触网全自动智能巡检***，其特征在于，所述无人机包括：
GPS模块，用于实时将无人机所处的经、纬度位置信息反馈给主控芯片，通过主控芯片控制飞控模块使无人机始终沿着预设的飞行轨迹飞行；
飞控模块，用于控制无人机的启停、飞行方向和飞行速度；
图像采集模块，用于采集无人机飞行沿途的接触网图像信息并存储；
数据传输模块，用于接收所述工作机设置的无人机飞行路径信息以及将图像采集模块采集的图像信息传输到工作机中；
主控芯片，用于接收并存储从工作机传输的飞行路径信息，并实时判断GPS模块反馈的位置信息与飞行路径的匹配度，并根据该匹配度实时控制飞行模块的动作；用于接收图像采集模块反馈的无人机所处的竖直高度信息控制飞行模块使无人机进入最优图像采集高度范围内；
所述主控芯片分别与GPS模块、飞控模块、图像采集模块和数据传输模块电连接。
3.根据权利要求2所述的一种基于无人机的接触网全自动智能巡检***，其特征在于，所述图像采集模块包括：
镜头，用于采集图像信息；
CMOS图像传感器，将镜头采集的图像模拟信号转化为数字信号传输到图像采集控制芯片上；
海拔高度传感器，实时检测所处的海拔高度信息并将信息传输到图像采集控制芯片上；
图像采集控制芯片，接收CMOS图像传感器传输的图像信息并存储，以及判断海拔高度传感器传输的位置信息是否在预设的最佳图像采集高度范围内，若在，则控制镜头进行图像采集，若不在，则向主控芯片传输信息使主控芯片控制飞控模块改变无人机的飞行高度。
4.根据权利要求3所述的一种基于无人机的接触网全自动智能巡检***，其特征在于，所述图像采集控制芯片为微处理器STM8S207S6。
5.根据权利要求3所述的一种基于无人机的接触网全自动智能巡检***，其特征在于，所述CMOS图像传感器的型号为MT9M001。
6.根据权利要求3所述的一种基于无人机的接触网全自动智能巡检***，其特征在于，所述图像采集控制芯片上电连接有存储器，所述镜头固定于电动云台上，所述电动云台电连接于图像采集控制芯片上。
7.根据权利要求1所述的一种基于无人机的接触网全自动智能巡检***，其特征在于，所述工作机包括：
无人机飞行路径设置模块，根据待巡检的接触网路段所处的位置信息设置无人机的飞行路径；
USB主机模块，用于将无人机飞行路径设置模块得到的控制程序传输到无人机主控芯片上；
无线通信模块，用于在无人机返航后与无人机上的数据传输模块无线通信，并通过无线通信传输图像信息；
图像处理模块，以预先通过接触网故障图片训练的图像数据集识别新接收的图像信息中是否存在故障，并将以文字的形式得出巡检结果。
8.一种利用权利要求1～7任一所述的基于无人机的接触网全自动智能巡检***巡检接触网的方法，其特征在于，包括：
配置图像处理模块；
通过无人机飞行路径设置模块设置无人机的飞行路径，并将所述飞行路径通过USB传输到无人机的主控芯片上，主控芯片通过实时接收GPS模块反馈的位置信息来控制飞控模块沿着预设路径飞行；
待进入接触网图像采集区域，图像采集模块中的海拔高度传感器实时检测无人机的飞行高度，并将该飞行高度传输到图像采集控制芯片中；
若飞行高度大于或小于预设的高度范围，则将高度差信号反馈给主控芯片，通过主控芯片控制飞控模块使无人机降低飞行高度或升高飞行高度；
若飞行高度介于预设的高度范围值内，则控制CMOS图像传感器采集图像信息，并结合GPS模块反馈的所采集图像处的位置信息进行存储；
无人机完成预设路径的飞行以后，通过数据传输模块与工作机无线通信，将新采集的图像信息传输到工作机中，通过图像处理模块以预先通过接触网故障图片训练的图像数据集识别新接收的图像信息中是否存在故障，并将以文字的形式得出是否存在故障以及故障所处的具***置信息。
9.根据权利要求8所述的利用基于无人机的接触网全自动智能巡检***的巡检接触网的方法，其特征在于，配置图像处理模块的方法包括：
采集接触网的故障图像，通过故障图像训练图像处理模块的数据集，并设置图像处理模块的存储路径。
10.根据权利要求8所述的利用基于无人机的接触网全自动智能巡检***的巡检接触网的方法，其特征在于，无人机飞行路径设置模块设置无人机的飞行路径的方法包括对待巡检的接触网进行分段编号，根据编号和相应段所处的经、纬度位置信息生成巡检路径。
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