本發(fā)明涉及一種支持自動充電的循軌多旋翼鐵路自動巡檢系統(tǒng)，屬鐵路巡檢技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著多旋翼技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，應(yīng)用面也越來越廣，多旋翼已經(jīng)在鐵路系統(tǒng)中得到了較多應(yīng)用。鐵路系統(tǒng)需要大量人員進行日常巡檢，但一些特殊地段如橋梁和一些復(fù)雜地形區(qū)的更是要耗費大量人力物力而且巡檢精密度不高，多旋翼可以搭載高精度攝像頭對待巡檢區(qū)進行全景拍攝和重點近距離拍攝，這樣全方位高精度的觀測可以提高檢查的精準(zhǔn)性，但是多旋翼的續(xù)航能力差，工作時間在半小時到一個小時之間，無法完成日常鐵路巡檢和大區(qū)域連續(xù)檢測任務(wù)。

現(xiàn)有的技術(shù)中對于橋梁底部等和一些復(fù)雜地形區(qū)的日常巡檢方法是：1、利用望遠鏡進行遠距離觀察或利用專用檢測車進行檢查；2、技術(shù)人員攜帶多旋翼進行檢查，多旋翼由技術(shù)人員攜帶電源和設(shè)備在待檢測區(qū)域檢測，并對多旋翼進行人工操作、替換電源。

這兩種方法都具有一定的局限性，即：1、望遠鏡遠距離拍攝的畫面精度低而且和專用檢測車一樣具有拍攝死角，專用檢測車的日用租金昂貴；2、由技術(shù)人員攜帶多旋翼電源和設(shè)備去檢測需要大量的技術(shù)人員，不適合日常檢測，可檢測區(qū)域小，日常檢測中會耗費大量高端人力資源；而且有些復(fù)雜地形環(huán)境惡劣，具有安全隱患，不適合人工檢測。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是，針對現(xiàn)有鐵路巡檢存在的問題，提出一種支持自動充電的循軌多旋翼鐵路自動巡檢系統(tǒng)。

實現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)方案是，一種支持自動充電的循軌多旋翼鐵路自動巡檢系統(tǒng)；通過預(yù)先在云端監(jiān)控器上做出檢測段的路徑規(guī)劃，利用gps標(biāo)注出檢測段和該段內(nèi)的監(jiān)測點，在工作區(qū)域內(nèi)，循軌多旋翼沿著鐵軌定高循軌飛行，到達目標(biāo)檢測點時可自動檢測或切換成人工模式，自動檢測模式下循軌多旋翼自動拍攝現(xiàn)場畫面及收集相關(guān)數(shù)據(jù)；人工模式下技術(shù)人員通過云端監(jiān)控器控制循軌多旋翼進行目標(biāo)區(qū)域的全方位高精度數(shù)據(jù)采集，完成該點作業(yè)后繼續(xù)循軌飛行到下一個檢測點進行檢測，在循軌多旋翼的工作區(qū)段內(nèi)有多個太陽能自動充電平臺，循軌多旋翼在電量不足或需要迫降的情況下，向云端監(jiān)控器發(fā)送降落請求，云端監(jiān)控器通知前方最近的太陽能充電平臺準(zhǔn)備接收循軌多旋翼并回復(fù)循軌多旋翼允許在前方最近的太陽能充電平臺降落，循軌多旋翼到達該充電平臺上方后，引導(dǎo)降落進入太陽能充電平臺，充電結(jié)束后可繼續(xù)完成檢測作業(yè)或待機。

一種支持自動充電的循軌多旋翼鐵路自動巡檢系統(tǒng)包括循軌多旋翼、太陽能自動充電平臺和云端監(jiān)控器。

所述循軌多旋翼包括電壓檢測模塊、數(shù)據(jù)通訊模塊、gps模塊、圖像采集處理器、飛行控制器；

所述循軌多旋翼上，電壓檢測模塊用于檢測航模鋰電池的電量，并在電量低于閾值時向數(shù)據(jù)通信模塊發(fā)生充電請求；數(shù)據(jù)通信模塊與飛行控制器、電壓檢測模塊和圖像采集處理器連接，一方面用于云端監(jiān)控器對飛行控制器的控制，另一方面用于循軌多旋翼向云端監(jiān)控器上報飛行器自身狀態(tài)信息，上傳采集實時畫面和檢測信息；圖像采集處理器由兩個工業(yè)攝像頭和arm處理芯片構(gòu)成，用于采集和處理圖像信息，將飛行器底部攝像頭拍攝的圖像信息解算成控制信號并送入飛行控制器，將云臺上的攝像頭拍攝的航拍畫面?zhèn)鬏斀o通訊模塊；飛行控制器用于控制循軌多旋翼的飛行狀態(tài)。

所述太陽能自動充電平臺包括向日太陽能充電器，備用充電器，通訊模塊、檢測充電模塊、定標(biāo)升降平臺、開合保護箱；

所述太陽能自動充電平臺：太陽能充電器是由太陽能充電部分和向日機械臂構(gòu)成，用于儲存電量給多旋翼充電；備用充電器是直接接220v交流電的穩(wěn)壓模塊，用于太陽能板充電部分儲存能量不足時給循軌多旋翼充電；通訊模塊接收云端監(jiān)控器的指令；檢測充電模塊檢測停靠的循軌多旋翼電量并決定是否進行電量補給；定標(biāo)升降臺由中心對稱指示圖像和升降平臺組成，用于循軌多旋翼的指示降落或升起；開合保護箱是由開合蓋和保護箱組成，給循軌多旋翼提供一個安全的充電環(huán)境。

所述云端監(jiān)控器包括監(jiān)測模塊和控制模塊。

所述云端監(jiān)控器的控制模塊是用于控制循規(guī)多旋翼的不同工作狀態(tài)，并且可以人工操控循軌多旋翼的飛行，監(jiān)測模塊用于顯示循軌多旋翼的飛行狀態(tài)信息、電量顯示和展示所拍攝的圖像或視頻畫面。

所述云端監(jiān)控器根據(jù)巡檢區(qū)域規(guī)劃檢測區(qū)段和檢測點，檢測時間等信息為循軌多旋翼做好檢測前的路徑規(guī)劃，實現(xiàn)循軌多旋翼的自動巡檢;云端監(jiān)控器實時監(jiān)控循軌多旋翼的狀態(tài)和巡檢信息;循軌多旋翼可以在自動巡檢和人工操作間任意切換。

所述循軌多旋翼的循軌定高飛行是由循軌部分和定高部分配合完成，其中循軌部分的步驟由鐵軌的圖像采集和處理、飛行器循軌定高飛行兩步完成，多旋翼底部的工業(yè)攝像頭拍攝鐵軌的圖像數(shù)據(jù)通過圖像采集處理器利用自行研發(fā)的基于先驗的經(jīng)緯互補算法處理后，把鐵軌的圖像數(shù)據(jù)處理成控制信號，再將控制信號傳輸?shù)斤w行控制器，控制循軌多旋翼的姿態(tài)飛行，讓循軌多旋翼循軌飛行；在低空時，利用超聲波完成定高，在高空時，利用氣壓計和加速度計通過數(shù)據(jù)融合完成定高。在整個飛行過程中，數(shù)據(jù)通訊模塊把循軌多旋翼狀態(tài)信息和圖像信息傳輸給云端監(jiān)控器的監(jiān)測模塊。

所述循軌多旋翼在到達檢測位置時，循軌多旋翼可以在根據(jù)檢測點的難度選擇自動巡檢或人工檢測，人工檢測是云端監(jiān)控器的控制模塊通過數(shù)據(jù)通訊模塊來控制飛行控制器的姿態(tài)飛行和圖像采集。

所述循軌多旋翼的定標(biāo)起降是由定標(biāo)圖像采集和處理、飛行器起降兩個步驟完成，多旋翼底部的攝像頭采集定標(biāo)指示圖案并把圖像數(shù)據(jù)通過圖像采集處理器利用自行研發(fā)的逐級引導(dǎo)圖像算法處理后，把定標(biāo)圖像處理為控制信號，再將控制信號傳輸?shù)斤w行控制器，控制循軌多旋翼的起降，從而達到循軌多旋翼精準(zhǔn)定位降落。

本發(fā)明的有益效果是，本發(fā)明由于建立了由循軌多旋翼、太陽能自動充電平臺和云端監(jiān)控器構(gòu)成一個完整的系統(tǒng)，解決了多旋翼續(xù)航能力差的問題，實現(xiàn)了多旋翼的自動化和遙控操作，使多旋翼在鐵路上的應(yīng)用更加的廣泛和日?；?/p>

附圖說明

圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明的循軌飛行示意圖；

圖3為本發(fā)明的示范檢測火車橋梁圖；圖4為本發(fā)明循軌多旋翼其外形結(jié)構(gòu)圖；

圖5為本發(fā)明太陽能自動充電平臺結(jié)構(gòu)示意圖；圖6為本發(fā)明的檢測區(qū)域圖；

圖中，1為循軌多旋翼；2為橋跨結(jié)構(gòu)；3為橋梁支架和橋體結(jié)合部；4為橋面；5為橋梁支架；6為橋墩；7為云端控制器；8為控制模塊；9為檢測模塊；10為檢測點；11為飛行控制器；12為圖像采集模塊；13為gps模塊；14為數(shù)據(jù)通訊模塊；15為電壓檢測模塊；16為第一工業(yè)攝像頭；17為第二工業(yè)攝像頭；18為鐵軌；19為太陽能自動充電平臺；20為向日機械臂；21為開合保護箱；22為定標(biāo)升降平臺；23為檢測充電模塊；24為通訊模塊；25為備用充電器；26為向日太陽能充電器；27為定標(biāo)指示圖案；28為太陽能板。

具體實施方式

下面結(jié)合實施例并對照附圖對本發(fā)明作進一步詳細說明。

一種具自動充電平臺的循軌多旋翼鐵路自動巡檢系統(tǒng)包括循軌多旋翼1、太陽能自動充電平臺19給站和云端監(jiān)控器7，所述的循軌多旋翼1包括電壓檢測模塊15、數(shù)據(jù)通訊模塊14、gps模塊13、圖像采集模塊12、飛行控制器11，太陽能自動充電平臺19包括向日太陽能充電器26，備用充電器25，通訊模塊24，檢測充電模塊23、定標(biāo)升降平臺22、開合保護箱21；云端監(jiān)控器7包括檢測模塊9和控制模塊8。電壓檢測模塊15用于檢測航模鋰電池的電量，并向數(shù)據(jù)通信模塊14發(fā)生充電請求；數(shù)據(jù)通信模塊14是與飛行控制器11、電壓檢測模塊15和圖像采集處理器12連接，一方面用于云端監(jiān)控器7對飛行控制器11的控制，另一方面用于循軌多旋翼1向云端監(jiān)控器7上報飛行器自身狀態(tài)信息，上傳采集實時畫面和檢測信號；圖像采集處理模塊12由第一工業(yè)攝像頭16第二工業(yè)攝像頭17和處理芯片構(gòu)成，用于采集和處理圖像信息并把圖像和信息傳輸給數(shù)據(jù)通訊模塊14；飛行控制器11是用于控制循軌多旋翼的飛行狀態(tài)。向日太陽能充電器26是由太陽能板28和向日機械臂20構(gòu)成，用于儲存能量給循軌多旋翼1充電；備用充電器25是直接連接220v交流電的穩(wěn)壓模塊，用于太陽能板28儲存能量不足時給循軌多旋翼1充電；通訊模塊24接收云端監(jiān)控器7的指令；檢測充電模塊23檢測循軌多旋翼1電量并決定是否進行電量補給；定標(biāo)升降臺22由中心對稱指示圖像27和升降平臺組成，用于循軌多旋翼1的指示降落；開合保護箱21是給循軌多旋翼1提供一個安全的充電環(huán)境。云端監(jiān)控器7的控制模塊8是用于人工操控循軌多旋翼1的飛行姿態(tài)；檢測模塊9是顯示循軌多旋翼1的飛行狀態(tài)和展示所拍攝的圖像或視頻畫面。

云端監(jiān)控器7根據(jù)巡檢區(qū)域規(guī)劃好檢測路徑、檢測區(qū)段和檢測地，為循軌多旋翼1事先進行路徑規(guī)劃，讓循軌多旋翼1自動巡檢，云端監(jiān)控器7實時監(jiān)控軌多旋翼1的狀態(tài)和巡檢信息;循軌多旋翼1可以在自動巡檢和人工操作間任意切換，在偏離路徑、迫降或出現(xiàn)意外等情況下切換為人工操作。

結(jié)合圖2說明，在檢測區(qū)域內(nèi)，循軌多旋翼1在鐵軌17的正上方飛行，所述循軌多旋翼1的循軌定高飛行是由循軌部分和定高部分配合完成，其中循軌部分是由鐵軌18的圖像采集和處理、循軌多旋翼1循軌飛行完成，工業(yè)第一攝像頭16拍攝下方鐵軌畫面，工業(yè)第二攝像頭17水平安裝用來穩(wěn)定循軌多旋翼的飛行，高精度工業(yè)第一攝像頭16拍攝鐵軌18的圖像數(shù)據(jù)通過圖像采集處理器12的處理器利用基于先驗的經(jīng)緯互補算法處理后把鐵軌18的圖像數(shù)據(jù)處理成控制信號，再將控制信號傳輸?shù)斤w行控制器11，在低空時，利用超聲波定高，利用氣壓計和加速度計通過數(shù)據(jù)融合完成在高空定高，控制循軌多旋翼1的姿態(tài)飛行，讓循軌多旋翼1定高循軌飛行，并把圖像和信息傳輸給云端監(jiān)控器7。

結(jié)合圖3說明，通過數(shù)據(jù)通訊模塊14傳輸?shù)膱D像和gps模塊13定位確定循軌多旋翼1到達檢測點10時，云端監(jiān)控器7的控制端發(fā)出控制指令，切換為巡檢模式，由檢測點10的檢測難度選擇是自動巡檢還是人工檢測，通過數(shù)據(jù)通訊模塊14來控制飛行控制器11讓循軌多旋翼1飛到對火車橋梁的下方，對橋梁支架5，橋墩6，橋梁支架和橋體連接部3進行重點高精度檢測，也可以對橋跨結(jié)構(gòu)2、橋面4檢測，完成對橋梁的全方位檢測，在檢測過程中數(shù)據(jù)通訊模塊14把圖像信息和各種檢測信號傳輸回云端監(jiān)控器7。循軌多旋翼1繼續(xù)循軌飛行去往下一個檢測地。

結(jié)合圖4說明，在循軌多旋翼1飛行中，電壓檢測模塊15檢測航模鋰電池的電量，并在電量低于預(yù)設(shè)值的時候給云端監(jiān)控器7發(fā)送充電請求，云端監(jiān)控器7根據(jù)循軌多旋翼1的gps模塊13位置信息，向最近的太陽能自動充電平臺19發(fā)送準(zhǔn)備接受循軌多旋翼1的命令；如圖5所示，太陽能自動充電平臺19進入接收循軌多旋翼1的狀態(tài)，循軌多旋翼1收到允許降落反饋信號后，循軌多旋翼1飛到地面補給站的向日太陽能充電平臺26上方，電壓檢測模塊15檢測電源電量，電量足就繼續(xù)檢測任務(wù)，電量不足發(fā)送信號給數(shù)據(jù)通訊模塊14給云端監(jiān)控器7，云端監(jiān)控器7給太陽能充電平臺19的通訊模塊，向日機械臂20把太陽能板28側(cè)收，開合保護箱21的開合蓋打開，定標(biāo)升降平臺22升起，循軌多旋翼1的工業(yè)第一攝像頭16拍攝定標(biāo)指示圖案27傳輸?shù)綀D像采集和處理器12中通過算法處理，把定標(biāo)指示圖像27處理為控制信號，再來控制循軌多旋翼的精準(zhǔn)降落，循軌多旋翼1停穩(wěn)后，定標(biāo)升降平臺22降下，檢測充電模塊23對循軌多旋翼1進行電量檢測，并對其進行充電，開合保護箱21的開合蓋閉合，循軌多旋翼1在內(nèi)部充電，等充電完成后，電壓檢測模塊15檢測循軌多旋翼1電量已滿，開合保護箱21的開合保護蓋打開，定標(biāo)升降平臺22升起，通訊模,24向云端監(jiān)控器7發(fā)送信號，云端監(jiān)控器7控制多旋翼1起飛，飛離后，定標(biāo)升降平臺22降下，開合保護箱21的開合蓋閉合，機械臂20把太陽能板28支起。循軌多旋翼1開始下一個巡檢過程，太陽能充電平臺20進行太陽能采集。在有特殊情況或惡劣天氣下，循軌多旋翼1也會降落在太陽能充電平臺20。循軌多旋翼檢測區(qū)域如圖6所示。

本實施例的支持自動充電的循軌多旋翼鐵路自動巡檢系統(tǒng)，綜合應(yīng)用了兩個工業(yè)級攝像頭，一個安放在循軌多旋翼機身底下，用于采集鐵軌和起降平臺的圖形、和待檢測圖像，供圖像采集處理器分析，一個用來進行監(jiān)控畫面捕捉。利用2ghz的四核broadcombcm283764位arm處理器（作為圖像處理器cpu）進行圖像處理，算法上主要開發(fā)了并應(yīng)用于循軌多旋翼的基于先驗的經(jīng)緯互補算法，開發(fā)了并應(yīng)用于控制起降的逐級控制起降的圖像處理算法。開發(fā)云端監(jiān)控器時利用ubuntu操作系統(tǒng)和qt集成開發(fā)環(huán)境和cocos開發(fā)引擎開發(fā)的云端控制器。系統(tǒng)整體實現(xiàn)了循軌多旋翼的循軌巡檢，圖像傳輸，云端控制和自動充電，使其續(xù)航能力大幅等提高，實現(xiàn)循軌多旋翼自動化和遙控操作，使其應(yīng)用區(qū)域大幅擴展，任務(wù)連續(xù)性增強，具有了更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。