一種基於北鬥導航的熱力管網無人機智能巡檢系統的製作方法

2023-07-21 13:15:36 1

本實用新型涉及一種無人機應用領域，尤其涉及一種熱力管網無人機智能巡檢系統。

背景技術：

隨著國家「節能減排」政策和大氣汙染防治行動的推進，分散的高汙染小鍋爐、小熱電逐步由超淨排放的燃煤大機組和天然氣熱電機組替代進行集中供熱。熱力管網覆蓋的範圍越來越大，城市與郊區以及城市之間都建成了互聯互通熱力管網，超長距離熱力管網輸送半徑超過了30公裡，有些管網處於荒郊野外、農田菜地、水網溼地等複雜地形區域，受傳統人工巡檢和常規巡檢方法所限，很難做到全覆蓋，巡檢質量與效率較低，容易發生漏檢，熱力管網發生洩漏、支架滑脫、閥門故障、保溫失效或者遭受意外碰撞等經常不能被及時發現。許多熱用戶是不能中斷的，熱力管網一旦發生故障引起供熱中斷，將對下遊熱用戶產生較大的安全和經濟影響。提高熱力管網運行可靠性關鍵在於加強巡檢的質量和效率，儘早發現管網隱患和缺陷，及時採取處置措施，避免產生較大損失。

近年來，國內外民用無人機在安全性、載荷能力方面提高很快，特別是高精度、高性能、輕型化的機載探測設備的出現，以及導航定位、測控技術的進步，極大地促進了無人機智能巡檢技術的發展。目前國內無人機巡檢在電力線路、石油天然氣管線等領域的應用開展的相對比較成熟。將無人機應用於長距離輸送熱力管網巡檢是一種高效、智能、全新的熱力管網巡檢模式，高度集中了無人機、計算機、無線通訊、定位導航、地理信息、高精度探測等諸多前沿成果，代表著熱力管網巡檢數位化、智能化的發展方向。隨著無人機巡檢的應用，熱力管網巡檢的發展趨勢將由目前人巡為主逐步過渡到「機巡為主、人機協調」的模式。

熱力管網無人機巡檢主要解決位於城市遠郊、野外荒山、農田水網等複雜地形區域熱力管網的巡檢巡查。從巡檢任務要求、機載設備選型、作業成本、經濟效益等方面綜合分析，宜採用輕型電動多旋翼無人機的解決方案。由此開發一套由輕型電動八旋翼無人機，飛行控制與巡檢設備系統，無線通訊網路，遠程監控中心和智能分析診斷軟體等組成的專用於長距離熱力輸送管網的無人機智能巡檢系統。

技術實現要素：

本實用新型的目的是將無人機巡檢技術應用於長距離熱力輸送管網運行維護管理領域，開發一套完全基於北鬥衛星系統自主導航飛行的實用化無人機智能巡檢系統，完全代替常規人工巡檢，提升巡檢的質量和效率，同時大大提升管網安全運行管理現狀和技術水平。

本實用新型解決其技術問題所採用的技術方案是：設計採用輕型電動八旋翼無人機作為飛行平臺；設計採用微型工控機、北鬥接收機、飛行控制器、無線網橋、旋轉雲臺、可更換智能探測設備、鋰電池模塊構成飛行控制與巡檢設備；設計採用通訊伺服器、應用伺服器、操作員站、智能分析診斷軟體構成遠程監控中心；設計採用無線網橋將無人機的飛行控制與巡檢設備系統和遠程監控中心連接，實現無線遠程數據通訊；設計採用手持式遙控器或平板電腦作為人工遙控終端，可由人工對無人機進行可視範圍的遙控。

所述的輕型電動八旋翼無人機，採用八旋翼結構，在結構中心安裝電機驅動與控制模塊，向外延伸對稱布置四個互成90°的一級機臂，每個一級機臂端部布置兩個互成90°的末級機臂，每個末級機臂端部各安裝一個直流電機驅動的螺旋槳。直流電機的轉速、正反轉及啟停由電機驅動與控制模塊輸出控制，設計有效飛行載荷不小於10千克，飛行速度10-20米/秒，飛行高度低於200米，抗風能力不小於3級，由大容量鋰電池模塊供電，續航時間不少於40分鐘。

所述的飛行控制與巡檢設備，集中安裝在無人機結構中心下方。採用向下懸掛形式，設置兩層機架和一部旋轉雲臺，將鋰電池模塊、飛行控制器、無線網橋安裝在第一層機架上，將微型工控機、北鬥接收機安裝在第二層機架上，旋轉雲臺安裝在第二層機架下方，將可更換智能探測設備安裝在旋轉雲臺上。

所述的微型工控機是無人機飛行控制與巡檢設備的核心，安裝有多個應用和任務管理程序，完成飛行路線規劃、自主導航飛行、自動探測、數據存儲與傳輸等綜合任務。微型工控機通過不同的接口與其它飛行控制與巡檢設備連接。

所述的北鬥接收機，採用國產化、具有自主智慧財產權的北鬥核心板卡，以接收北鬥衛星系統信號為主，兼容全球衛星其他導航系統信號。北鬥接收機通過RS232串行接口與微型工控機連接，將實時計算的無人機當前位置、速度、姿態等導航信息輸出到微型工控機，用於飛行的航向、速度、高度和姿態等控制。

所述的飛行控制器通過串行接口與微型工控機連接，接收微型工控機輸出的飛行航向、速度、高度和姿態等控制指令，轉換成飛行模式指令，通過電機驅動與控制模塊，控制八個驅動螺旋槳的直流電機的啟/停和旋轉方向，實現無人機的飛行航向、速度、高度和姿態的控制。

所述的可更換智能探測設備用於拍攝和發現熱力管網運行的缺陷和故障，通常採用紅外熱成像儀為主，輔助以3D數位相機和可見光攝像機等，將實時的現場熱力管網紅外影像(3D影像、可見光影像)等圖像由接口傳輸到微型工控機上，就地存儲或通過無線通訊鏈路同步傳送到遠程監控中心，使用智能分析診斷軟體進行篩選和識別。

所述的無線網橋是連接無人機、飛行控制與巡檢設備和遠程監控中心的無線通訊設備，實現無線、遠程、高速通訊，能夠實時傳送紅外或可見光影像。

所述的遠程監控中心，實時接收無人機的飛行信息，能對無人機實施安全可靠的操作控制，將程控飛行轉為人工遙控飛行，或是中斷程控巡檢任務，執行特定巡檢任務。遠程監控中心安裝有智能分析診斷軟體，能夠迅速發現和識別熱力管網的缺陷和故障，同時給出報警和處置建議。

本實用新型與現有技術相比，達到的有益效果是：

無人機巡檢作為先進的生產工具和作業手段，與傳統人工巡檢方式相比具有很多無法比擬的優勢；

1、受地理條件的影響較小，機動性和靈活性強，起降場地要求低，可以深入巡檢人員難以到達區域；

2、巡檢快速、效率高，節約大量人力成本，出動一次往返巡檢10公裡以上熱力管網，八個小時可以巡檢超過100公裡熱力管網，相當於5-6名巡檢人員一天工作量；

3、具有自動駕駛和精確定位功能，沿管網走向自主導航飛行，實現懸停、繞飛等多種飛行姿態，對疑似故障點進行定點檢測，避免漏檢；

4、可更換多種智能探測設備，滿足不同巡檢項目要求，探測範圍廣，適應性強；

5、數位化程度高，飛行期間同步傳送影像數據，巡檢結果以電子文檔保存，便於實時識別和以後複查；

6、智能化程度高，智能圖像分析診斷軟體可以實時識別多種隱患和缺陷，如管道法蘭、閥門洩漏、保溫失效、管道變形、支架滑脫等，及時報警和提示管網運行維護人員採取處置措施。

無人機智能巡檢系統是一種高效便捷的巡檢方式，提高了長距離熱力輸送管網巡檢作業的質量、效率和自動化、智能化水平，代表了熱力管網安全運行管理的趨勢和方向，具有較好的應用前景和市場需求，能夠創造更高的經濟效益和社會效益。

附圖說明

下面結合附圖和實施例對本實用新型進一步說明。

圖1熱力管網無人機智能巡檢系統各部分組成示意圖

圖2無人機飛行控制及巡檢設備系統三視圖

圖3無人機飛行控制與巡檢設備系統各部分連接示意圖

圖4遠程監控中心各部分組成示意圖

圖中1.輕型電動八旋翼無人機，2.北鬥衛星系統，3.地面衛星基站，4.微型工控機，5.兩層機架，6.電機驅動與控制模塊，7.衛星信號，8.天線，9.北鬥接收機，10.飛行控制器，11.無線網橋，12.人工遙控終端，13.可更換智能探測設備，14.長距離輸送熱力管網，15.旋轉雲臺，16.飛行控制與巡檢設備，17.鋰電池模塊，18.無線通訊，19.通訊伺服器，20.遠程監控中心，21.操作員站，22.螺旋槳，23.直流電機，24.機臂，25.起落架，26.熱網管理人員，27.筆記本電腦，28.集線器，29.防火牆，30.應用伺服器，31.DC電源，32.串行接口，33，USB接口，34.乙太網接口。

具體實施方式

【實施例1】

如圖1所示，基於北鬥導航的熱力管網無人機智能巡檢系統由輕型電動八旋翼無人機1、飛行控制與巡檢設備16、遠程監控中心20、北鬥衛星系統2、地面衛星基站3共同構成。

輕型電動八旋翼無人機1採用對稱布置的八旋翼的結構形式，電機驅動與控制模塊6位於無人機結構中心，與飛行控制器10連接，接收飛行控制器的控制指令，輸出信號至直流電機23，控制螺旋槳的轉速、正反轉和啟/停，從而實現飛行的航向、速度、高度和姿態控制。鋰電池模塊17向輕型電動八旋翼無人機和飛行控制與巡檢設備供電。微型工控機通過北鬥板卡顯示控制接口程序得到當前的位置和速度數據，通過機載傳感器得到當前的高度、姿態、剩餘電力、設備狀態等數據，導航管理軟體實時計算當前位置與規劃路線的航向、速度、高度偏差，飛行控制器通過接口程序接收航向、速度、高度計算偏差量，給出姿態、高度、速度控制指令，分解生成橫滾、俯仰、偏航、懸停等飛行模式指令，進而輸出調節各螺旋槳電機的信號指令，控制電機的轉速、正反轉和啟/停，從而實現無人機的姿態、動作、速度、高度和位置控制要求。

飛行控制與巡檢設備16由微型工控機4、北鬥接收機9、飛行控制器10、無線網橋11、旋轉雲臺15、可更換智能探測設備13、鋰電池模塊17組成，用於完成規劃線路、導航定位、飛行控制、自動探測、存儲和數據傳送等綜合飛行巡檢任務。

遠程監控中心20由通訊伺服器19、應用伺服器30、操作員站21、防火牆29、無線網橋11、集線器28以及智能分析診斷軟體組成，用於完成飛行巡檢全程監控和智能分析診斷任務。遠程監控中心通過無線網橋11連接微型工控機4，建立無線遠程數據通訊。無人機在飛行中實時發回飛行參數(包括速度、坐標、高度等)以及智能探測設備的圖像數據，在接收數據信息的同時，熱網管理人員可以根據需要對無人機飛行模式和飛行姿態進行調整，對智能探測設備拍攝角度進行遙控，以達到最佳觀測效果。

北鬥衛星系統2、地面衛星基站3、無人機上的北鬥接收機9和天線8組成基於北鬥衛星的導航定位系統，接收衛星和地面站信號，實時計算無人機當前位置和坐標信息，用於無人機完成飛行的導航和定位控制。

人工遙控終端12用於在某些特殊不適合無人機自主導航飛行或者熱力管網上空比較複雜的區域，通過人工目視進行遙控操縱無人機飛行。

【實施例2】

如圖2所示，輕型電動八旋翼無人機採用對稱布置兩級機臂支撐的八旋翼結構，以此保證足夠的強度和有效載荷，電機驅動與控制模塊6安裝在結構中心，向外延伸布置四個互成90°的一級機臂24，每個一級機臂末端布置兩個互成90°的末級機臂，八個末級機臂端部布置八個由直流電機23驅動的螺旋槳22。為了保證飛行的穩定性，採用中心懸掛方式，在結構中心下方設置兩層機架5和一部旋轉平臺15，用於安裝和固定各臺飛行控制與巡檢設備16。無人機外形尺寸為1690mm×1690mm×492mm(機臂展開，不含螺旋槳)，一級機臂長度700mm，末級機臂長度350mm，直流電機最大功率800W，螺旋槳材料為高強度工程塑料，最大有效起飛重量(海平面附近)26千克，最大功耗7KW，最大飛行速度20米/秒。

【實施例3】

如圖3所示，飛行控制與巡檢設備16由微型工控機4、北鬥接收機9、飛行控制器10、無線網橋11、旋轉雲臺15、可更換智能探測設備13、鋰電池模塊17組成。

在無人機電機驅動與控制模塊6下方的第一層機架上安裝固定飛行控制器10、無線網橋11、鋰電池模塊17設備。飛行控制器10承擔無人機的飛行控制功能和飛行信息回傳功能。無人機的飛行控制模式主要有姿態控制、動作控制以及速度和位置控制等，姿態控制有水平、豎直、偏航等模式，動作控制有起飛、降落、返航等模式，通過姿態、動作、速度和位置的組合，可以形成多達十餘種飛行控制模式。飛行控制器10通過串行接口32分別與微型工控機4和電機驅動與控制模塊6連接，接收微型工控機的飛行指令，向電機驅動與控制模塊6輸出控制指令。微型工控機4通過無線網橋11與遠程監控中心20構成無線通訊數據鏈路，採用工作於5.4GHz和5.8GHz免許可頻段的雙頻無線電系統，可實現速度高達256Mbps的寬帶通信，適用於視頻監控以及視頻流傳輸等應用，通信距離可達10-15公裡。大容量鋰電池模塊17輸出多種電壓的DC直流電源31，向微型工控機4、北鬥接收機9、無線網橋11、飛行控制器10、無人機電機驅動與控制模塊6供電。

第一層機架向下為第二層機架，安裝微型工控機4和北鬥接收機9。工控機採用無風扇、嵌入式、緊湊堅固的全密封鋁合金箱體和大面積鋁鰭散熱結構，雙核處理器，多個工業網絡和接口，具有過流、過壓、防浪湧和靜電保護。微型工控機4通過RS232串行接口32與北鬥接收機9連接，通過乙太網接口34與無線網橋11連接，通過USB接口33連接可更換智能探測設備13和旋轉雲臺15。微型工控機4承擔無人機飛行控制、驅動智能探測設備、存儲並發送數據與圖像、與遠程監控中心通訊等任務。北鬥接收機9採用國產北鬥多模高動態導航定位板卡，具有完全自主智慧財產權，支持BDS B1/B3、GPS L1雙系統，以保證衛星信號接收的穩定性和可靠性。接收機精度高、體積小、功耗低，外接天線。

旋轉雲臺15安裝在第二層機架下方，雲臺採用通用型結構，可以在水平和豎直兩個平面內一定角度範圍內轉動，以此擴大探測範圍，在雲臺上安裝固定如紅外熱成像儀、3D數位相機或可見光高清攝像機等可更換智能探測設備13。採用紅外熱成像儀，既可以作為溫度測量儀，也可以作為圖像記錄儀，能夠靈敏發現熱力管網以及設備(閥門、旋轉補償器、疏水器等)表面溫度細小變化，對於識別管網洩漏、閥門故障、保溫失效等缺陷非常有效。採用3D數位相機用於拍攝熱力管網外觀和結構圖像，對比相同區域不同時間段的管網外觀和結構圖像，能夠識別細小的管網變形、移位等隱患。採用可見光高清攝像機，用於監視熱力管網運行和周邊自然環境等變化情況。

【實施例4】

如圖4所示，遠程監控中心20由通訊伺服器19、應用伺服器30、操作員站21、防火牆29、無線網橋11、集線器28和若干應用軟體組成。遠程監控中心20通過通訊伺服器19、防火牆29和無線網橋11，向無人機飛行控制與巡檢設備16發送控制指令，接收無人機傳回的巡檢圖像和數據，並保存在資料庫中。應用伺服器30安裝有無人機飛行監控軟體、智能分析診斷軟體。熱網管理人員在操作員站21上監視無人機發回的飛行數據(包括速度、坐標、高度等)以及智能探測設備的實時巡檢圖像，同時根據需要，可以對無人機的飛行模式、飛行姿態進行調整，對智能探測設備拍攝的角度和焦距進行遙控，以達到對熱力管網缺陷進行最佳的觀測。紅外圖像處理分析軟體將接收到的熱像圖進行過濾、去噪等圖像處理，通過比色原理，標識溫度，並沿飛行巡檢管網的長度和寬度方向，繪製溫度場分布圖。當管道及其附屬設備(旋轉補償器、疏水閥、閥門)外輪廓或背景區域如果出現高於50℃時，將其作為熱點，標識為溫度異常，並進行報警提示。專家智能診斷軟體，用於自動識別管網故障並給出故障種類。軟體採用相對溫差判斷法和表面溫度判斷法，對於經過圖像處理軟體篩選出的熱點，判別允許溫升和最高允許溫度，與熱力管網典型故障特徵知識庫關聯，結合熱力管網沿程溫降、壓降的計算，給出管道、閥門洩漏、設備故障或保溫失效的故障判斷和定位信息。