一種基於無人機的鐵路線巡檢監控系統及巡檢方法與流程
2023-08-10 09:58:41 3
本發明屬於無人機監控領域，尤其是涉及一種基於無人機的鐵路線巡檢監控系統及巡檢方法。
背景技術：
鐵路線巡檢是鐵路線日常維護的基本工作，常見的巡檢方式包括人工巡檢、載人直升機巡檢以及無人機巡檢。儘管人工巡檢是最常用的巡檢方式，但一直存在著效率較慢、受氣候地理環境制約等不足，機巡方式正被廣泛研究與應用，尤其無人機巡檢具有安全高效的特性，鐵路線空中無人機具有越來越大的應用價值。
目前針對鐵路線空中無人機巡檢的任務規劃大多採用人工手動規劃方式，此種方式雖然確保了無人機的飛行安全，但是效率較低，無法滿足大規模無人機巡檢的需要，同時手動規劃方式很難在大區域內實現最優規劃。
技術實現要素：
有鑑於此，本發明旨在提出一種基於無人機的鐵路線巡檢監控系統及巡檢方法，可以進行大規模、高效的鐵路線巡檢。
為達到上述目的，本發明的技術方案是這樣實現的：
一種基於無人機的鐵路線巡檢監控系統，包括無人機本體、擴音器和地面站；
所述無人機本體內設有控制處理單元，所述控制處理單元的輸入端分別與氣壓高度計、雷射測距儀、IMU模塊、GPS模塊、可見光攝像頭、接收機和第一電源模塊相連，所述控制處理單元的輸出端分別與語音模塊、圖像存儲模塊、第一圖傳電臺和伺服電機驅動電路相連，所述控制處理單元與第一數傳電臺雙向傳輸數據，所述擴音器通過機械結構設置在無人機本體下方，所述語音模塊的輸出端與擴音器電連接，所述語音模塊內預存語音警告信息，所述伺服電機驅動電路的輸出端連接伺服電機；
所述地面站包括遙控器、地面監控計算機、與地面監控計算機連接的第一顯示器、第二顯示器、第二數傳電臺和第二圖傳電臺，第二電源模塊通過電源管理模塊分別向地面監控計算機、第二數傳電臺和第二圖傳電臺提供電源。
進一步的，所述控制處理單元採用雙晶片結構，包括主控制器和從控制器，所述主控制器採用STM32F407晶片，所述從控制器採用STM32F103晶片，所述主控制器與所述從控制器通過SPI總線連接。
進一步的，所述主控制器分別與所述氣壓高度計、雷射測距儀、IMU模塊、GPS模塊、伺服電機驅動電路和接收機相連。主控制器根據接收到的氣壓高度計、雷射測距儀、IMU模塊和GPS模塊的數據，調用控制算法向伺服電機驅動電路輸出相應的PWM控制信號，用於驅動伺服電機的轉動，實時改變伺服電機的轉速。主控制器也可根據接收機接收的地面操作人員通過遙控器發送的控制指令，向伺服電機驅動電路輸出相應的PWM控制信號，用於調整無人機的飛行狀態。
進一步的，所述從控制器分別與所述可見光攝像頭、語音模塊、第一數傳電臺、第一圖傳電臺和圖像存儲模塊相連。主控制器採集的氣壓高度計、雷射測距儀、IMU模塊和GPS模塊的數據經SPI總線發送給從控制器，從控制器將接收到的數據通過第一數傳電臺發送至地面站。從控制器接收和處理可見光攝像頭採集的圖像信息，通過第一圖傳電臺發送給地面站。主控制器通過接收機接收地面操作人員通過遙控器發送的語音控制指令，並經SPI總線發送給從控制器，從控制器根據接收到的語音控制指令向語音模塊發送相應的控制指令，用於驅動擴音器發出警告。
進一步的，所述第一圖傳電臺和第一數傳電臺與地面站採用無線通信方式傳輸數據。
根據上述基於無人機的鐵路線巡檢監控系統的巡檢方法如下：
1、根據待檢鐵路線的地理信息對無人機進行路徑規劃，包括：飛行高度、飛行距離、航速和航向。
2、檢測機載通信設備與地面站之間的數據傳輸系統，一切正常後執行巡檢任務。
3、無人機飛行過程中，控制處理單元實時採集和處理氣壓高度計、雷射測距儀、IMU模塊和GPS模塊的數據，經第一數傳電臺發送給地面站，設置在地面站的地面監控計算機通過第二數傳電臺接收第一數傳電臺發送的數據，並在第一顯示器中顯示。
可見光攝像頭實時採集鐵路線的圖像信息，經控制處理單元處理後由第一圖傳電臺發送給地面站，設置在地面站的地面監控計算機通過第二圖傳電臺接收第一圖傳電臺發送的圖像信息，並在第二顯示器中顯示。
控制處理單元採集和處理可見光攝像頭採集的鐵路線圖像信息，在圖像信息中疊加日期、時間和GPS信息，並保存在圖像存儲模塊中。
4、地面操控人員實時觀察第二顯示器顯示的圖像信息，發現以下情況時向無人機發出控制指令：
4.1)發現鐵路線設備故障時，向無人機發送控制指令，使無人機暫時處於懸停狀態，操控人員控制可見光攝像頭對故障設備進行重點採集。
4.2)發現鐵路線上有行人在危險區域內時，向無人機發送控制指令，使無人機暫時處於懸停狀態，操控人員調用語音模塊中預存的語音警告信息，通過擴音器向行人發出警告，使行人儘快遠離鐵路線。
4.3)發現有火車駛來時，向無人機發送控制指令，使無人機暫時處於懸停狀態，待火車駛過後繼續執行巡檢航拍任務。
5、無人機繼續執行巡檢任務，並將採集的圖像信息實時保存在圖像存儲模塊中。
6、無人機完成巡檢任務，返回地面站。
相對於現有技術，本發明所述的基於無人機的鐵路線巡檢監控系統具有以下優勢：本鐵路線巡檢監控系統可以滿足大規模無人機巡檢的需要，提高巡檢效率，提高鐵路線路的安全管控水平，實現在大區域內最優巡檢規劃。
附圖說明
構成本發明的一部分的附圖用來提供對本發明的進一步理解，本發明的示意性實施例及其說明用於解釋本發明，並不構成對本發明的不當限定。在附圖中：
圖1為本發明實施例所述的原理框圖；
圖2為本發明實施例所述的巡檢流程示意圖。
具體實施方式
需要說明的是，在不衝突的情況下，本發明中的實施例及實施例中的特徵可以相互組合。
在本發明的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規定和限定，術語「安裝」、「相連」、「連接」應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通。對於本領域的普通技術人員而言，可以通過具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。
下面將參考附圖並結合實施例來詳細說明本發明。
一種基於無人機的鐵路線巡檢監控系統，包括無人機本體、擴音器和地面站；
所述無人機本體內設有控制處理單元，所述控制處理單元的輸入端分別與氣壓高度計、雷射測距儀、IMU模塊、GPS模塊、可見光攝像頭、接收機和第一電源模塊相連，所述控制處理單元的輸出端分別與語音模塊、圖像存儲模塊、第一圖傳電臺和伺服電機驅動電路相連，所述控制處理單元與第一數傳電臺雙向傳輸數據，所述擴音器通過機械結構設置在無人機本體下方，所述語音模塊的輸出端與擴音器電連接，所述語音模塊內預存語音警告信息，所述伺服電機驅動電路的輸出端連接伺服電機；
所述地面站包括遙控器、地面監控計算機、與地面監控計算機連接的第一顯示器、第二顯示器、第二數傳電臺和第二圖傳電臺，第二電源模塊通過電源管理模塊分別向地面監控計算機、第二數傳電臺和第二圖傳電臺提供電源。
所述控制處理單元採用雙晶片結構，包括主控制器和從控制器，所述主控制器採用STM32F407晶片，所述從控制器採用STM32F103晶片，所述主控制器與所述從控制器通過SPI總線連接。所述主控制器分別與所述氣壓高度計、雷射測距儀、IMU模塊、GPS模塊、伺服電機驅動電路和接收機相連。主控制器根據接收到的氣壓高度計、雷射測距儀、IMU模塊和GPS模塊的數據，調用控制算法向伺服電機驅動電路輸出相應的PWM控制信號，用於驅動伺服電機的轉動，實時改變伺服電機的轉速。主控制器也可根據接收機接收的地面操作人員通過遙控器發送的控制指令，向伺服電機驅動電路輸出相應的PWM控制信號，用於調整無人機的飛行狀態。
所述從控制器分別與所述可見光攝像頭、語音模塊、第一數傳電臺、第一圖傳電臺和圖像存儲模塊相連。所述第一圖傳電臺和第一數傳電臺與地面站採用無線通信方式傳輸數據。主控制器採集的氣壓高度計、雷射測距儀、IMU模塊和GPS模塊的數據經SPI總線發送給從控制器，從控制器將接收到的數據通過第一數傳電臺發送至地面站。從控制器接收和處理可見光攝像頭採集的圖像信息，通過第一圖傳電臺發送給地面站。主控制器通過接收機接收地面操作人員通過遙控器發送的語音控制指令，並經SPI總線發送給從控制器，從控制器根據接收到的語音控制指令向語音模塊發送相應的控制指令，用於驅動擴音器發出警告。
根據上述基於無人機的鐵路線巡檢監控系統的巡檢方法如下：
1、根據待檢鐵路線的地理信息對無人機進行路徑規劃，包括：飛行高度、飛行距離、航速和航向。
2、檢測機載通信設備與地面站之間的數據傳輸系統，一切正常後執行巡檢任務。
3、無人機飛行過程中，控制處理單元實時採集和處理氣壓高度計、雷射測距儀、IMU模塊和GPS模塊的數據，經第一數傳電臺發送給地面站，設置在地面站的地面監控計算機通過第二數傳電臺接收第一數傳電臺發送的數據，並在第一顯示器中顯示。
可見光攝像頭實時採集鐵路線的圖像信息，經控制處理單元處理後由第一圖傳電臺發送給地面站，設置在地面站的地面監控計算機通過第二圖傳電臺接收第一圖傳電臺發送的圖像信息，並在第二顯示器中顯示。
控制處理單元採集和處理可見光攝像頭採集的鐵路線圖像信息，在圖像信息中疊加日期、時間和GPS信息，並保存在圖像存儲模塊中。
4、地面操控人員實時觀察第二顯示器顯示的圖像信息，發現以下情況時向無人機發出控制指令：
4.1)發現鐵路線設備故障時，向無人機發送控制指令，使無人機暫時處於懸停狀態，操控人員控制可見光攝像頭對故障設備進行重點採集。
4.2)發現鐵路線上有行人在危險區域內時，向無人機發送控制指令，使無人機暫時處於懸停狀態，操控人員調用語音模塊中預存的語音警告信息，通過擴音器向行人發出警告，使行人儘快遠離鐵路線。
4.3)發現有火車駛來時，向無人機發送控制指令，使無人機暫時處於懸停狀態，待火車駛過後繼續執行巡檢航拍任務。
5、無人機繼續執行巡檢任務，並將採集的圖像信息實時保存在圖像存儲模塊中。
6、無人機完成巡檢任務，返回地面站。
以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。