本發(fā)明涉及一種支持自動(dòng)充電的循軌多旋翼鐵路自動(dòng)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(jìn)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(fèi)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(duì)待巡檢區(qū)進(jìn)行全景拍攝和重點(diǎn)近距離拍攝，這樣全方位高精度的觀測(cè)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(shí)間在半小時(shí)到一個(gè)小時(shí)之間，無法完成日常鐵路巡檢和大區(qū)域連續(xù)檢測(cè)任務(wù)。

現(xiàn)有的技術(shù)中對(duì)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(yuǎn)鏡進(jìn)行遠(yuǎn)距離觀察或利用專用檢測(cè)車進(jìn)行檢查；2、技術(shù)人員攜帶多旋翼進(jìn)行檢查，多旋翼由技術(shù)人員攜帶電源和設(shè)備在待檢測(cè)區(qū)域檢測(cè)，并對(duì)多旋翼進(jìn)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(yuǎn)鏡遠(yuǎn)距離拍攝的畫面精度低而且和專用檢測(cè)車一樣具有拍攝死角，專用檢測(cè)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(cè)需要大量的技術(shù)人員，不適合日常檢測(cè)，可檢測(cè)區(qū)域小，日常檢測(cè)中會(huì)耗費(fèi)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(cè)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

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

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)方案是，一種支持自動(dòng)充電的循軌多旋翼鐵路自動(dòng)巡檢系統(tǒng)；通過預(yù)先在云端監(jiān)控器上做出檢測(cè)段的路徑規(guī)劃，利用gps標(biāo)注出檢測(cè)段和該段內(nèi)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，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(dá)目標(biāo)檢測(cè)點(diǎn)時(shí)可自動(dòng)檢測(cè)或切換成人工模式，自動(dòng)檢測(cè)模式下循軌多旋翼自動(dòng)拍攝現(xiàn)場(chǎng)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(jìn)行目標(biāo)區(qū)域的全方位高精度數(shù)據(jù)采集，完成該點(diǎn)作業(yè)后繼續(xù)循軌飛行到下一個(gè)檢測(cè)點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，在循軌多旋翼的工作區(qū)段內(nèi)有多個(gè)太陽能自動(dòng)充電平臺(tái)，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(qǐng)求，云端監(jiān)控器通知前方最近的太陽能充電平臺(tái)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(tái)降落，循軌多旋翼到達(dá)該充電平臺(tái)上方后，引導(dǎo)降落進(jìn)入太陽能充電平臺(tái)，充電結(jié)束后可繼續(xù)完成檢測(cè)作業(yè)或待機(jī)。

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

所述循軌多旋翼包括電壓檢測(cè)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(cè)模塊用于檢測(cè)航模鋰電池的電量，并在電量低于閾值時(shí)向數(shù)據(jù)通信模塊發(fā)生充電請(qǐng)求；數(shù)據(jù)通信模塊與飛行控制器、電壓檢測(cè)模塊和圖像采集處理器連接，一方面用于云端監(jiān)控器對(duì)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(bào)飛行器自身狀態(tài)信息，上傳采集實(shí)時(shí)畫面和檢測(cè)信息；圖像采集處理器由兩個(gè)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(hào)并送入飛行控制器，將云臺(tái)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(dòng)充電平臺(tái)包括向日太陽能充電器，備用充電器，通訊模塊、檢測(cè)充電模塊、定標(biāo)升降平臺(tái)、開合保護(hù)箱；

所述太陽能自動(dòng)充電平臺(tái)：太陽能充電器是由太陽能充電部分和向日機(jī)械臂構(gòu)成，用于儲(chǔ)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(chǔ)存能量不足時(shí)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(cè)充電模塊檢測(cè)停靠的循軌多旋翼電量并決定是否進(jìn)行電量補(bǔ)給；定標(biāo)升降臺(tái)由中心對(duì)稱指示圖像和升降平臺(tái)組成，用于循軌多旋翼的指示降落或升起；開合保護(hù)箱是由開合蓋和保護(hù)箱組成，給循軌多旋翼提供一個(gè)安全的充電環(huán)境。

所述云端監(jiān)控器包括監(jiān)測(cè)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(cè)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?rùn)z測(cè)區(qū)段和檢測(cè)點(diǎn)，檢測(cè)時(shí)間等信息為循軌多旋翼做好檢測(cè)前的路徑規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)循軌多旋翼的自動(dòng)巡檢;云端監(jiān)控器實(shí)時(shí)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(dòng)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(yàn)的經(jīng)緯互補(bǔ)算法處理后，把鐵軌的圖像數(shù)據(jù)處理成控制信號(hào)，再將控制信號(hào)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(shí)，利用超聲波完成定高，在高空時(shí)，利用氣壓計(jì)和加速度計(jì)通過數(shù)據(jù)融合完成定高。在整個(gè)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(cè)模塊。

所述循軌多旋翼在到達(dá)檢測(cè)位置時(shí)，循軌多旋翼可以在根據(jù)檢測(cè)點(diǎn)的難度選擇自動(dòng)巡檢或人工檢測(cè)，人工檢測(cè)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(gè)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(jí)引導(dǎo)圖像算法處理后，把定標(biāo)圖像處理為控制信號(hào)，再將控制信號(hào)傳輸?shù)斤w行控制器，控制循軌多旋翼的起降，從而達(dá)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(dòng)充電平臺(tái)和云端監(jiān)控器構(gòu)成一個(gè)完整的系統(tǒng)，解決了多旋翼續(xù)航能力差的問題，實(shí)現(xiàn)了多旋翼的自動(dòng)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?；?。

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(cè)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(dòng)充電平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖；圖6為本發(fā)明的檢測(cè)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(cè)模塊；10為檢測(cè)點(diǎn)；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(cè)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(dòng)充電平臺(tái)；20為向日機(jī)械臂；21為開合保護(hù)箱；22為定標(biāo)升降平臺(tái)；23為檢測(cè)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(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例并對(duì)照附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。

一種具自動(dòng)充電平臺(tái)的循軌多旋翼鐵路自動(dòng)巡檢系統(tǒng)包括循軌多旋翼1、太陽能自動(dòng)充電平臺(tái)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(cè)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(dòng)充電平臺(tái)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(cè)充電模塊23、定標(biāo)升降平臺(tái)22、開合保護(hù)箱21；云端監(jiān)控器7包括檢測(cè)模塊9和控制模塊8。電壓檢測(cè)模塊15用于檢測(cè)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(qǐng)求；數(shù)據(jù)通信模塊14是與飛行控制器11、電壓檢測(cè)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(duì)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(bào)飛行器自身狀態(tài)信息，上傳采集實(shí)時(shí)畫面和檢測(cè)信號(hào)；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(jī)械臂20構(gòu)成，用于儲(chǔ)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(chǔ)存能量不足時(shí)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(cè)充電模塊23檢測(cè)循軌多旋翼1電量并決定是否進(jìn)行電量補(bǔ)給；定標(biāo)升降臺(tái)22由中心對(duì)稱指示圖像27和升降平臺(tái)組成，用于循軌多旋翼1的指示降落；開合保護(hù)箱21是給循軌多旋翼1提供一個(gè)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(cè)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(cè)路徑、檢測(cè)區(qū)段和檢測(cè)地，為循軌多旋翼1事先進(jìn)行路徑規(guī)劃，讓循軌多旋翼1自動(dòng)巡檢，云端監(jiān)控器7實(shí)時(shí)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(dòng)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(cè)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(yàn)的經(jīng)緯互補(bǔ)算法處理后把鐵軌18的圖像數(shù)據(jù)處理成控制信號(hào)，再將控制信號(hào)傳輸?shù)斤w行控制器11，在低空時(shí)，利用超聲波定高，利用氣壓計(jì)和加速度計(jì)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(dá)檢測(cè)點(diǎn)10時(shí)，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(cè)點(diǎn)10的檢測(cè)難度選擇是自動(dòng)巡檢還是人工檢測(cè)，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(duì)火車橋梁的下方，對(duì)橋梁支架5，橋墩6，橋梁支架和橋體連接部3進(jìn)行重點(diǎn)高精度檢測(cè)，也可以對(duì)橋跨結(jié)構(gòu)2、橋面4檢測(cè)，完成對(duì)橋梁的全方位檢測(cè)，在檢測(cè)過程中數(shù)據(jù)通訊模塊14把圖像信息和各種檢測(cè)信號(hào)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(gè)檢測(cè)地。

結(jié)合圖4說明，在循軌多旋翼1飛行中，電壓檢測(cè)模塊15檢測(cè)航模鋰電池的電量，并在電量低于預(yù)設(shè)值的時(shí)候給云端監(jiān)控器7發(fā)送充電請(qǐng)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(dòng)充電平臺(tái)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(dòng)充電平臺(tái)19進(jìn)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(hào)后，循軌多旋翼1飛到地面補(bǔ)給站的向日太陽能充電平臺(tái)26上方，電壓檢測(cè)模塊15檢測(cè)電源電量，電量足就繼續(xù)檢測(cè)任務(wù)，電量不足發(fā)送信號(hào)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(tái)19的通訊模塊，向日機(jī)械臂20把太陽能板28側(cè)收，開合保護(hù)箱21的開合蓋打開，定標(biāo)升降平臺(tái)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(hào)，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(tái)22降下，檢測(cè)充電模塊23對(duì)循軌多旋翼1進(jìn)行電量檢測(cè)，并對(duì)其進(jìn)行充電，開合保護(hù)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(cè)模塊15檢測(cè)循軌多旋翼1電量已滿，開合保護(hù)箱21的開合保護(hù)蓋打開，定標(biāo)升降平臺(tái)22升起，通訊模,24向云端監(jiān)控器7發(fā)送信號(hào)，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(tái)22降下，開合保護(hù)箱21的開合蓋閉合，機(jī)械臂20把太陽能板28支起。循軌多旋翼1開始下一個(gè)巡檢過程，太陽能充電平臺(tái)20進(jìn)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(huì)降落在太陽能充電平臺(tái)20。循軌多旋翼檢測(cè)區(qū)域如圖6所示。

本實(shí)施例的支持自動(dòng)充電的循軌多旋翼鐵路自動(dòng)巡檢系統(tǒng)，綜合應(yīng)用了兩個(gè)工業(yè)級(jí)攝像頭，一個(gè)安放在循軌多旋翼機(jī)身底下，用于采集鐵軌和起降平臺(tái)的圖形、和待檢測(cè)圖像，供圖像采集處理器分析，一個(gè)用來進(jìn)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(jìn)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(yàn)的經(jīng)緯互補(bǔ)算法，開發(fā)了并應(yīng)用于控制起降的逐級(jí)控制起降的圖像處理算法。開發(fā)云端監(jiān)控器時(shí)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(shí)現(xiàn)了循軌多旋翼的循軌巡檢，圖像傳輸，云端控制和自動(dòng)充電，使其續(xù)航能力大幅等提高，實(shí)現(xiàn)循軌多旋翼自動(dòng)化和遙控操作，使其應(yīng)用區(qū)域大幅擴(kuò)展，任務(wù)連續(xù)性增強(qiáng)，具有了更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。