CN113848983B - 一种针对大坝缺陷检测的无人机群自动巡检***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种针对大坝缺陷检测的无人机群自动巡检***及方法。针对大坝缺陷检测的无人机群自动巡检***包括机载控制模块、地面控制模块、机械控制模块和数据通信模块四个主要部分，其中机载控制模块、地面控制模块、机械控制模块之间通过数据通信模块进行消息传输。本发明同时提出了一种针对大坝缺陷检测的无人机群自动巡检方法，实现了大坝全过程自动化无人检测，显著提高了坝面病害检测自动化与智能程度，提高了监测效率，降低了人工成本。
Description
技术领域
本发明属于无人机应用于大坝缺陷检测技术领域，特别是涉及一种针对大坝缺陷检测的无人机群自动巡检***及方法。
背景技术
现有水工混凝土结构缺陷检测任务主要依靠人工搭建观测平台并操作观测仪器，主观性强、效率低下、干扰因素多、人工成本高。并且由于观测仪器距离坝体较远，难以获得高精度的坝体影像，无法清楚识别坝体上的裂缝和缺陷。而采用传统高空悬垂作业的方式开展坝面检查，周期长、效率低、准确性差、费用高、距离坝面远、安全风险大。采用无人机搭载相机进行近距离采集坝面数据，无需人工操作，检测效率高，采集数据精度高。由于拱坝坝面高差大、剖面呈现双曲线型，单一无人机作业无法快速、全面获得坝面数据，为了能够快速、准确、全面地采集到拱坝坝面数据，本发明组建无人机群协同作业，分区采集。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供一种针对大坝缺陷检测的无人机群自动巡检***及方法，实现了大坝全过程自动化无人检测，提高了监测效率，降低了人工成本。
为了达到上述目的，本发明提供的技术方案是一种针对大坝缺陷检测的无人机群自动巡检***，包括四个主要部分：机载控制模块、地面控制模块、机械控制模块和数据通信模块，其中机载控制模块、地面控制模块、机械控制模块之间通过数据通信模块进行消息传输。
所述机载控制模块基于Mobile SDK接口二次开发而成，使用ProtoBuf进行数据序列化，通过数据通信模块MQTT消息队列遥测传输协议与地面控制模块进行消息传输。机载控制模块具有以下功能：发送无人机自检信息到地面程序，巡检任务中发送无人机实时位置和状态信息到地面程序，接收航线飞行任务指令，按设定航线执行飞行任务，按设定参数采集数据，发送采集数据到地面控制模块。
所述地面控制模块通过数据通信模块MQTT消息队列遥测传输协议与机载控制模块进行消息传输，通过数据通信模块TCP协议与机械***进行消息传输，通过网络接口与环境监测设备进行消息传输。地面控制模块通过在无人机遥控器上安装基于Mobile SDK开发的移动端App对无人机进行远程控制；在网络环境良好的情况下，移动端App与远程控制终端通过数据通信模块MQTT网络协议进行通信，遥控器发射2.4GHz或者5.8GHz的无线电信号与无人机通信。地面控制模块具有以下功能：监测环境因素，监测无人机自检因素，实时显示各项环境条件，向无人机发送指定航线飞行任务，控制无人机执行飞行任务，控制无人机紧急返航，控制舱门开关，控制导轨滑动，控制无人机开关机，控制无人机更换电池，下载无人机采集数据，设定执行定时巡检任务。
所述机械控制模块通过野火开发板集成控制，通过数据通信模块TCP协议与地面控制模块进行消息传输。机械控制模块具有以下功能：接收地面控制模块的指令，发送舱门、滑轨的状态，以及正在执行的动作给地面控制模块，进行开关舱门动作，进行滑动滑轨动作，进行无人机开关机动作，进行无人机更换电源动作，进行无人机降落后再次定位动作。
所述数据通信模块根据硬件不同嵌入不同网络协议到其他模块中，包括MQTT协议，TCP协议以及Mobile SDK的通信协议。数据通信模块具有以下功能：机载控制模块通过数据通信模块基于Mobile SDK的移动端程序与无人机进行通信，地面控制模块通过数据通信模块MQTT网络协议与机载控制模块进行通信，机械控制模块通过数据通信模块TCP协议与地面控制模块进行通信。
本发明还提供一种针对大坝缺陷检测的无人机群自动巡检方法，包括以下步骤：
步骤1，根据大坝缺陷检测需要，设置周期性自动巡检时间；
步骤2，读取环境传感器数据，获取风向、风速、温度、湿度实时数据，判断是否符合起飞条件；
步骤3，对无人机状态进行自检，判断是否符合起飞条件；
步骤4，满足起飞条件时，地面控制模块发送航线飞行任务，并控制无人机群依次执行巡检任务；
步骤5，全部无人机完成任务后，进行数据下载、无人机收回、执行更换电源充电、无人机关机操作。
而且，所述步骤1中根据大坝缺陷检测需求，在特定时间段或固定周期中个别时间段进行无人机巡检任务；考虑到气象变化因素，若指定时间点不满足起飞条件，则在之后的一段时间内不断监测气象条件尝试起飞；一次飞行任务完全执行需要一定的任务时间，因此不能设置过于频繁的巡检任务。
而且，所述步骤2中利用环境监测设备对大坝区域降水、风速、风向和温度进行监控，环境监测设备通过网络将数据传输至观测站内服务器上安装的地面控制模块中，实现监测数据与服务器主机数据互通，以达到大坝外部环境的动态监测，并根据预设的条件实时评估气象条件，在光照条件良好、温度适中、风速较低、没有降雨的条件下执行巡检任务。
而且，所述步骤3具体包括以下几个子步骤：
步骤3.1，地面控制模块发送开启舱门和无人机开机指令给机械控制模块；
步骤3.2，机载控制模块通过SDK读取无人机的电量、自检信息、RTK信号，无人机与遥控器连接状态，以及自主避障功能的信息；
步骤3.3，机载控制模块将Proto编译为.cc和.h文件后，通过序列化生成pb文件，pb文件反序列化将相应数据字段转化为字符串；
步骤3.4，机载控制模块将对应不同的自检信息编译成MQTT消息，通过数据通信模块发布给地面控制模块，地面控制模块实时更新无人机状态；
步骤3.5，地面控制模块根据接收到的消息更新无人机自检信息，评估能否起飞；
步骤3.6，若因电量不足不能起飞，地面控制模块通过数据通信模块向机械控制***发出更换电池指令；
步骤3.7，完成更换电池后再次实时评估能否起飞；
在设定巡检时间点及之后的一个小时之内，若未完成起飞，将不断评估能否起飞，并在气象条件满足、遥控器连接正常、电量充足、具有RTK信号、自主避障功能打开的情况下发出起飞指令。
而且，所述步骤4具体包括以下几个子步骤：
步骤4.1，地面控制模块通过数据通信模块发送推出滑轨指令给机械控制模块；
步骤4.2，地面控制模块读取根据大坝坝段形态设计规划的.json格式的所有具体航迹文件，并编译成字符串的数据形式；
步骤4.3，地面控制模块将一号无人机的航迹、采集数据模式和起飞命令编译成一条MQTT消息，间隔一秒不断发布给机载控制模块，执行飞行任务；
步骤4.4，地面控制模块收到一号无人机起飞的信号，不再发布其起飞命令，等待30秒，将二号无人机的航迹，采集数据模式和起飞命令编译成一条MQTT消息，同样间隔一秒不断发布发布给机载控制模块；
步骤4.5，重复步骤4.3和步骤4.4直到所有无人机完成起飞，开始执行巡检任务；
步骤4.6，飞行任务途中自动监测环境因素和无人机状态，若出现紧急情况如突然降雨，将向机载控制模块发送紧急返航指令，并在用户界面向使用人员发出警告；
步骤4.7，若超出指定时段无人机群仍未完成全部飞行任务，发送紧急发返航指令。
而且，所述步骤5具体包括以下几个子步骤：
步骤5.1，地面控制模块通过MQTT发送下载数据指令给机载控制模块，准备接收采集的监测数据；
步骤5.2，机载控制模块将采集数据编译成Proto文件和图像文件传输给地面控制模块；
步骤5.3，地面控制模块通过数据通信模块发送无人机更换电池和关机指令给机械控制模块。
机械指令必须要依次发送，等待上一个动作完成再发送下一个指令，否则可能造成损坏；
步骤5.4，地面控制模块发送收回滑轨和关闭舱门指令给机械控制模块。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1)首次将无人机应用于大坝缺陷检测，通过建设自动观测站，实现无人机群智能化检测作业，大大提高坝面病害检测自动化程度，解决大坝全过程自动化无人检测的技术难题。
2)通过网络接口和无人机SDK二次开发，实现了远程操控无人机群作业，并实时监控作业状态，方便了对大坝的监测工作，提高了监测效率，降低了人工成本。
附图说明
图1是本发明实施例的功能设计图。
图2是本发明实施例的远程控制无人机原理图。
图3是本发明实施例的地面控制模块用户界面图。
图4是本发明实施例的自动化巡检流程图。
具体实施方式
本发明提供一种针对大坝缺陷检测的无人机群自动巡检***，通过建设无人观测站，联网智能化控制无人机群开展飞行检测任务。观测站包含自动飞行控制区、自动感应充电区、数据信息传输区信和信息存储与处理区，首先根据无人机选型及大坝情况，同时考虑到飞行安全距离及病害检测精度要求，规划无人机飞行轨迹，划分采集区域；在实际巡检过程中，自动飞控区可以根据大坝水位实时变化、环境监测结果、以及无人机自身状况等，自主决策无人机起飞架次及巡检任务；巡检结束后，无人机群会根据定位自主返回至自动感应充电区充电，同时回传采集数据，完成后续病害检测等数据处理任务。本发明提出的***大大简化了人工作业操作难度及成本，显著提高了坝面病害检测自动化与智能程度。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
如图1所示，本发明提供一种针对大坝缺陷检测的无人机群自动巡检***，包括机载控制模块、地面控制模块、机械控制模块和数据通信模块，其中机载控制模块、地面控制模块、机械控制模块之间通过数据通信模块进行消息传输。
本实施例采用大疆公司生产的经纬M300 RTK无人机飞行平台，数据采集采用大疆公司生产的激光相机L1，禅思Zenmuse H20行业测绘云台相机。机载控制模块基于MobileSDK接口二次开发而成，使用ProtoBuf进行数据序列化，通过数据通信模块MQTT消息队列遥测传输协议与地面控制模块进行消息传输。机载控制模块具有以下功能：发送无人机自检信息到地面程序，巡检任务中发送无人机实时位置和状态信息到地面程序，接收航线飞行任务指令，按设定航线执行飞行任务，按设定参数采集数据，发送采集数据到地面控制模块。
地面控制模块的用户界面如图3所示，通过数据通信模块MQTT消息队列遥测传输协议与机载控制模块进行消息传输，通过数据通信模块TCP协议与机械***进行消息传输，通过网络接口与环境监测设备进行消息传输。本实施例选用华为旗下型号为OceanStor5110V5的存储服务器存储采集数据，选用CESTSEN-HT20外接电源版磁场测量仪、仁科测控风俗变送器、精讯畅通雨量传感器监测环境因素。地面控制模块通过在无人机遥控器上安装基于Mobile SDK开发的移动端App对无人机进行远程控制；在网络环境良好的情况下，移动端App与远程控制终端通过数据通信模块MQTT网络协议进行通信，遥控器发射2.4GHz或者5.8GHz的无线电信号与无人机通信。
地面控制模块具有以下功能：监测环境因素，监测无人机自检因素，实时显示各项环境条件，向无人机发送指定航线飞行任务，控制无人机执行飞行任务，控制无人机紧急返航，控制舱门开关，控制导轨滑动，控制无人机开关机，控制无人机更换电池，下载无人机采集数据，设定执行定时巡检任务。
机械控制模块通过野火开发板集成控制，通过数据通信模块TCP协议与地面控制模块进行消息传输。机械控制模块具有以下功能：接收地面控制模块的指令，发送舱门、滑轨的状态，以及正在执行的动作给地面控制模块，进行开关舱门动作，进行滑动滑轨动作，进行无人机开关机动作，进行无人机更换电源动作，进行无人机降落后再次定位动作。
数据通信模块根据硬件不同嵌入不同网络协议到其他子模块中，包括MQTT协议，TCP协议以及Mobile SDK的通信协议。数据通信模块具有以下功能：机载控制模块通过数据通信模块基于Mobile SDK的移动端程序与无人机进行通信，地面控制模块通过数据通信模块MQTT网络协议与机载控制模块进行通信，机械控制模块通过数据通信模块TCP协议与地面控制模块进行通信。
本发明还提供一种针对大坝缺陷检测的无人机群自动巡检方法，具体流程如图4所示，包括以下步骤：
步骤1，根据大坝缺陷检测需要，设置周期性自动巡检时间。
根据大坝缺陷检测需求，在特定时间段或固定周期中个别时间段进行无人机巡检任务。考虑到气象变化因素，若指定时间点不满足起飞条件，则在之后的一段时间内不断监测气象条件尝试起飞。一次飞行任务完全执行需要一定的任务时间，因此不能设置过于频繁的巡检任务。
步骤2，读取环境传感器数据，获取风向、风速、温度、湿度实时数据，判断是否符合起飞条件。
利用环境监测设备对大坝区域降水、风速、风向和温度进行监控。本实施例采用CESTSEN-HT20外接电源版磁场测量仪、仁科测控风俗变送器、精讯畅通雨量传感器监测环境因素。环境监测设备通过网络将数据传输至观测站内服务器上安装的地面控制模块中，实现监测数据与服务器主机数据互通，以达到大坝外部环境的动态监测，并根据预设的条件实时评估气象条件，在光照条件良好、温度适中、风速较低、没有降雨的条件下执行巡检任务。
步骤3，对无人机状态进行自检，判断是否符合起飞条件，包括以下几个子步骤：
步骤3.1，地面控制模块发送开启舱门和无人机开机指令给机械控制模块。
步骤3.2，机载控制模块通过SDK读取无人机的电量、自检信息、RTK信号，无人机与遥控器连接状态，以及自主避障功能的信息。
步骤3.3，机载控制模块将Proto编译为.cc和.h文件后，通过序列化生成pb文件，pb文件反序列化将相应数据字段转化为字符串。
步骤3.4，机载控制模块将对应不同的自检信息编译成MQTT消息，通过数据通信模块发布给地面控制模块，地面控制模块实时更新无人机状态。
步骤3.5，地面控制模块根据接收到的消息更新无人机自检信息，评估能否起飞。
步骤3.6，若因电量不足不能起飞，地面控制模块通过数据通信模块向机械控制***发出更换电池指令。
步骤3.7，完成更换电池后再次实时评估能否起飞。
在设定巡检时间点及之后的一个小时之内，若未完成起飞，将不断评估能否起飞，并在气象条件满足、遥控器连接正常、电量充足、具有RTK信号、自主避障功能打开的情况下发出起飞指令。
步骤4，满足起飞条件时，地面控制模块发送航线飞行任务，并控制无人机群依次执行巡检任务。
步骤4.1，地面控制模块通过数据通信模块发送推出滑轨指令给机械控制模块。
步骤4.2，地面控制模块读取根据大坝坝段形态设计规划的.json格式的所有具体航迹文件，并编译成字符串的数据形式。
步骤4.3，地面控制模块将一号无人机的航迹、采集数据模式和起飞命令编译成一条MQTT消息，间隔一秒不断发布给机载控制模块，执行飞行任务。
步骤4.4，地面控制模块收到一号无人机起飞的信号，不再发布其起飞命令，等待30秒，将二号无人机的航迹，采集数据模式和起飞命令编译成一条MQTT消息，同样间隔一秒不断发布发布给机载控制模块。
步骤4.5，重复步骤4.3和步骤4.4直到所有无人机完成起飞，开始执行巡检任务。
步骤4.6，飞行任务途中自动监测环境因素和无人机状态，若出现紧急情况如突然降雨，将向机载控制模块发送紧急返航指令，并在用户界面向使用人员发出警告。
步骤4.7，若超出指定时段无人机群仍未完成全部飞行任务，发送紧急发返航指令。
步骤5，全部无人机完成任务后，进行数据下载、无人机收回、执行更换电源充电、无人机关机操作。
步骤5.1，地面控制模块通过MQTT发送下载数据指令给机载控制模块，准备接收采集的监测数据。
步骤5.2，机载控制模块将采集数据编译成Proto文件和图像文件传输给地面控制模块。
步骤5.3，地面控制模块通过数据通信模块发送无人机更换电池和关机指令给机械控制模块。
机械指令必须要依次发送，等待上一个动作完成再发送下一个指令，否则可能造成损坏。
步骤5.4，地面控制模块通过数据通信模块发送收回滑轨和关闭舱门指令给机械控制模块。
上述流程是无人控制下的自动巡检，人工控制的无人机巡检任务亦可依照此流程执行。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以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，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (5)
1.一种针对大坝缺陷检测的无人机群自动巡检***，其特征在于，包括机载控制模块、地面控制模块、机械控制模块和数据通信模块，其中机载控制模块、地面控制模块、机械控制模块之间通过数据通信模块进行消息传输；
机载控制模块基于Mobile SDK接口二次开发而成，使用ProtoBuf进行数据序列化，通过数据通信模块MQTT消息队列遥测传输协议与地面控制模块进行消息传输；机载控制模块具有以下功能：发送无人机自检信息到地面程序，巡检任务中发送无人机实时位置和状态信息到地面程序，接收航线飞行任务指令，按设定航线执行飞行任务，按设定参数采集数据，发送采集数据到地面控制模块；
地面控制模块通过数据通信模块MQTT消息队列遥测传输协议与机载控制模块进行消息传输，通过数据通信模块TCP协议与机械***进行消息传输，通过网络接口与环境监测设备进行消息传输；地面控制模块通过在无人机遥控器上安装基于Mobile SDK开发的移动端App对无人机进行远程控制；在网络环境良好的情况下，移动端App与远程控制终端通过数据通信模块MQTT网络协议进行通信，遥控器发射2.4GHz或者5.8GHz的无线电信号与无人机通信；地面控制模块具有以下功能：监测环境因素，监测无人机自检因素，实时显示各项环境条件，向无人机发送指定航线飞行任务，控制无人机执行飞行任务，控制无人机紧急返航，控制舱门开关，控制导轨滑动，控制无人机开关机，控制无人机更换电池，下载无人机采集数据，设定执行定时巡检任务；
机械控制模块通过野火开发板集成控制，通过数据通信模块TCP协议与地面控制模块进行消息传输；机械控制模块具有以下功能：接收地面控制模块的指令，发送舱门、滑轨的状态，以及正在执行的动作给地面控制模块，进行开关舱门动作，进行滑动滑轨动作，进行无人机开关机动作，进行无人机更换电源动作，进行无人机降落后再次定位动作；
数据通信模块根据硬件不同嵌入不同网络协议到其他模块中，包括MQTT协议，TCP协议以及Mobile SDK的通信协议；数据通信模块具有以下功能：机载控制模块通过数据通信模块基于Mobile SDK的移动端程序与无人机进行通信，地面控制模块通过数据通信模块MQTT网络协议与机载控制模块进行通信，机械控制模块通过数据通信模块TCP协议与地面控制模块进行通信；
利用上述自动巡检***实现大坝缺陷检测的自动巡检方法包括以下几个步骤：
步骤1，根据大坝缺陷检测需要，设置周期性自动巡检时间；
步骤2，读取环境传感器数据，获取风向、风速、温度、湿度实时数据，判断是否符合起飞条件；
步骤3，对无人机状态进行自检，判断是否符合起飞条件；
步骤3.1，地面控制模块发送开启舱门和无人机开机指令给机械控制模块；
步骤3.2，机载控制模块通过SDK读取无人机的电量、自检信息、RTK信号，无人机与遥控器连接状态，以及自主避障功能的信息；
步骤3.3，机载控制模块将Proto编译为.cc和.h文件后，通过序列化生成pb文件，pb文件反序列化将相应数据字段转化为字符串；
步骤3.4，机载控制模块将对应不同的自检信息编译成MQTT消息，通过数据通信模块发布给地面控制模块，地面控制模块实时更新无人机状态；
步骤3.5，地面控制模块根据接收到的消息更新无人机自检信息，评估能否起飞；
步骤3.6，若因电量不足不能起飞，地面控制模块通过数据通信模块向机械控制***发出更换电池指令；
步骤3.7，完成更换电池后再次实时评估能否起飞；
在设定巡检时间点及之后的一个小时之内，若未完成起飞，将不断评估能否起飞，并在气象条件满足、遥控器连接正常、电量充足、具有RTK信号、自主避障功能打开的情况下发出起飞指令；
步骤4，满足起飞条件时，地面控制模块发送航线飞行任务，并控制无人机群依次执行巡检任务；
步骤5，全部无人机完成任务后，进行数据下载、无人机收回、执行更换电源充电、无人机关机操作。
2.如权利要求1所述一种针对大坝缺陷检测的无人机群自动巡检***，其特征在于：步骤1中根据大坝缺陷检测需求，在特定时间段或固定周期中个别时间段进行无人机巡检任务；考虑到气象变化因素，若指定时间点不满足起飞条件，则在之后的一段时间内不断监测气象条件尝试起飞；一次飞行任务完全执行需要一定的任务时间，因此不能设置过于频繁的巡检任务。
3.如权利要求1所述一种针对大坝缺陷检测的无人机群自动巡检***，其特征在于：步骤2中利用环境监测设备对大坝区域降水、风速、风向和温度进行监控，环境监测设备通过网络将数据传输至观测站内服务器上安装的地面控制模块中，实现监测数据与服务器主机数据互通，以达到大坝外部环境的动态监测，并根据预设的条件实时评估气象条件，在光照条件良好、温度适中、风速较低、没有降雨的条件下执行巡检任务。
4.如权利要求1所述一种针对大坝缺陷检测的无人机群自动巡检***，其特征在于：步骤4具体包括以下几个子步骤：
步骤4.1，地面控制模块通过数据通信模块发送推出滑轨指令给机械控制模块；
步骤4.2，地面控制模块读取根据大坝坝段形态设计规划的.json格式的所有具体航迹文件，并编译成字符串的数据形式；
步骤4.3，地面控制模块将一号无人机的航迹、采集数据模式和起飞命令编译成一条MQTT消息，间隔一秒不断发布给机载控制模块，执行飞行任务；
步骤4.4，地面控制模块收到一号无人机起飞的信号，不再发布其起飞命令，等待30秒，将二号无人机的航迹，采集数据模式和起飞命令编译成一条MQTT消息，同样间隔一秒不断发布发布给机载控制模块；
步骤4.5，重复步骤4.3和步骤4.4直到所有无人机完成起飞，开始执行巡检任务；
步骤4.6，飞行任务途中自动监测环境因素和无人机状态，若出现紧急情况如突然降雨，将向机载控制模块发送紧急返航指令，并在用户界面向使用人员发出警告；
步骤4.7，若超出指定时段无人机群仍未完成全部飞行任务，发送紧急发返航指令。
5.如权利要求1所述一种针对大坝缺陷检测的无人机群自动巡检***，其特征在于：步骤5具体包括以下几个子步骤：
步骤5.1，地面控制模块通过MQTT发送下载数据指令给机载控制模块，准备接收采集的监测数据；
步骤5.2，机载控制模块将采集数据编译成Proto文件和图像文件传输给地面控制模块；
步骤5.3，地面控制模块通过数据通信模块发送无人机更换电池和关机指令给机械控制模块；
机械指令必须要依次发送，等待上一个动作完成再发送下一个指令，否则可能造成损坏；
步骤5.4，地面控制模块通过数据通信模块发送收回滑轨和关闭舱门指令给机械控制模块。
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