一种基于空轨两用无人机的高速铁路安全检测系统技术方案

本发明专利技术提供一种基于空轨两用无人机的高速铁路安全检测系统，该系统包括无人机、远程监控中心、地面站、无线通信模块。无人机包括提供空中飞行动力的旋转叶片和提供沿轨道行驶动力的推动螺旋桨，地面站用于设置无人机的飞行路线以及控制无人机的空中飞行模式和轨道航行模式，远程监控中心用于监控无人机的飞行状态，分析检测信息，以及无人机行驶过程中出现意外情况时进行应急响应。本发明专利技术采用无人机的空中飞行和沿铁轨运行两种巡检方式，两种工作模式可根据现场需求灵活搭配安排、随时切换，突破解决了传统地面巡检模式的高成本、灵活性差、占用正常行车空间等显著问题。

【技术实现步骤摘要】
一种基于空轨两用无人机的高速铁路安全检测系统
本专利技术涉及无人机领域，尤其利用空-轨两用无人机进行高速铁路安全检测的系统。
技术介绍
目前，我国高速铁路线路质量检测主要有人工巡查、轨检车检测等手段。对铁路扣件的检查主要依靠人工巡查的方法，这种方法费时、费力、可靠性差，上路巡查时间不足，特别是随着我国高速铁路的逐步发展，人工巡检的方式已经完全不能适应高速铁路安全检查的需要。针对轨道空间几何尺寸信息、钢轨裂痕程度指标、列车动力指标的检测主要为轨检车、人工巡查等检测方式相结合。轨检车检测项目齐全，但它检测周期长，成本高，检测位置和视角受局限，灵活性较差，目前多数应用仅限对超限数据进行单次分析，对非超限数据挖掘不够，对历史规律分析不够，不利于病害确定，且容易受机车等因素干扰，便携程度低。以上传统的高速铁路安全检测方法是基于“地面”的检测技术，在山路或者隧道里难免会出现“死角”，并且，针对当前的轨道安全的检测过度依赖于某一检测来源数据，养护维修存在一定盲目性。从目前的研究状况可以看出，针对轨道扣件丢失、钢轨裂痕、轨枕裂痕程度的检测是通过人工检测、轨检车检测。但以上检测方法都是基于“地面”的检测技术，灵活性不太高，如何实现高速铁路的空中安全检测保护还未曾涉及。现有技术中的采用无人机检测轨道缺陷的方法中，只能根据空中采集的图像数据检测扣件缺失与否，而无法进行钢轨或轨枕裂纹的精确检测，而目前的空陆两用无人机又仅能在陆地上行驶，无法在铁路轨道上沿轨持续行驶，因此其无法应用到铁轨的精确检测上。本专利技术提出一种采用空轨两用无人机进行高速铁路安全检测的系统，该系统利用无人机的空中飞行和沿铁轨运行两种巡检方式，兼顾了快速灵活和高精准检测优势，当需要对对象（如轨枕病害及钢轨扣件缺失等）进行快速检测时采用飞行模式，当需要对对象（如钢轨表面缺陷及轨枕前期病害）进行高精度检测时采用铁轨运行模式，两种工作模式可根据现场需求灵活搭配安排、随时切换，突破解决了传统地面巡检模式的高成本、灵活性差、占用正常行车空间等显著问题。
技术实现思路
为了解决上述技术问题，本专利技术的目的是提供一种具有快速灵活和高精准检测两种巡检模式的高速铁路安全检测系统，具体采用如下技术方案：该系统包括无人机，其包括用于控制行驶状态的机载控制模块，以及用于采集轨道图像信息的高清相机,，以及用于传输轨道图像信息的图像传输模块；地面站，其包括用于设置无人机的飞行路线的路径规划模块，以及用于向所述机载控制模块发送控制指令以及接收无人机传回的轨道图像信息的地面控制模块；远程监控中心，其包括用于监控无人机的飞行状态的监控模块、分析地面站传回的轨道图像信息的图像分析单元、存储图像分析单元分析结果的存储单元，以及无人机行驶过程中出现意外情况时采取相应措施的应急处理单元；无线通信模块，用于无人机、地面站、远程监控中心之间的无线通信。优选地，所述无人机还包括提供空中飞行动力的旋转叶片、提供沿轨道行驶动力的推动螺旋桨。优选地，所述机载控制模块接收到地面站的任务指令后，启动旋转叶片并控制推动螺旋桨保持关闭状态，所述无人机按照所述地面站规划的飞行路线到达待检测的轨道段后，所述地面站给无人机发送采集轨道图像信息指令，无人机收到采集轨道图像信息指令后，所述机载控制模块开启高清相机进行轨道图像信息的采集。优选地，当所述监控模块检测到无人机飞行轨迹出现偏离时，应急处理单元向地面站发送警报信号，地面控制模块检测是否与无人机失联，如已失联，则将无人机编号发送回远程监控中心；如未失联，则根据无人机当前位置信息控制其运行方向使其回到预设的飞行路线中。优选地，无人机还包括通过伸缩连杆连接在其机体两侧的水平导向轮，以及用于测量水平导向轮与钢轨的距离的超声波测距仪。优选地，无人机完成待检测轨道段的空中检测后，地面站向机载控制模块发送降落指令，待无人机的滚动轮降落到钢轨上后，机载控制模块关闭旋转叶片并控制超声波测距仪开始实时测量水平导向轮与钢轨的距离，机载控制模块根据所述距离控制伸缩连杆伸长直至水平导向轮接触至工字钢的内侧，完成所述接触后，机载控制模块控制推动螺旋桨运行，无人机开始采集轨道图像数据。优选地，当所述监控模块检测到无人机未在轨道上行驶时，应急处理单元向地面站发送警报信号，地面控制模块检测是否与无人机失联，如已失联，则将无人机编号发送回远程监控中心；如未失联，则地面控制模块先向机载控制模块发送重新起飞指令，机载控制模块收到重新起飞信号后关闭推动螺旋桨，并控制伸缩连杆缩回到原始位置，再启动旋转叶片控制无人机起飞，完成起飞后，地面控制模块向机载控制模块发送降落指令，使无人机重新回到沿轨道行驶状态。本专利技术具有如下有益效果：本专利技术的方案具有高便携，抗干扰能力强，不受检测位置的限制，灵活性较高，低成本等优点，可替代人工和轨检车等传统巡检方式，为高速轨道评价线路安全状态、科学制定大维修计划、合理安排日常维修和推进实现我国“空天车地”信息一体化轨道交通安全保障目标提出模型和理论依据。附图说明图1为本专利技术的无人机立体结构图。图2为本专利技术的无人机侧视结构图。图3为本专利技术轨道缺陷检测方法流程图。图4为本专利技术铁路扣件缺失识别方法流程图。图5为截取的扣件二值图像示意图。图6为钢轨及轨枕表面裂纹识别方法流程图。图7为本专利技术高速铁路轨道检测系统示意图。图8为无人机降落模式流程图。具体实施方式1-机体，2-旋转叶片，3-机壳，4-高清摄像头，5-推动螺旋桨，6-水平导向轮，7-伸缩连杆，8-超声波测距仪，9-步进马达，10-U型杆，11-滚动轮。（一）无人机设计按尺度分类，无人机可分为微型无人机、轻型无人机、小型无人机、以及大型无人机。本专利技术考虑到铁路上的实际情况并不复杂，并且自身工作量不大，通过比对分析，本专利技术选用的四旋翼轻型无人机，如图1所示。基于目前的实验环境，如表1所示列出了本方案无人机的一些主要参数，比如飞行高度、飞行时间、抗风能力等。此无人机负载飞行时间长，飞行时振动小，便于试验中超声波高度传感器测量，并且可负载2公斤，可满足实验要求。表1无人机参数外形尺寸<40*30*40cm控制距离<1km空机重量（电池）7.5kg工作环境温度0~40℃飞行速度16m/s（无风）飞行时间约25分钟飞行高度120m抗风能力5~6级高速铁路轨枕一般都由钢筋混凝土构成，其损坏到一定的程度会对高速铁路安全构成威胁，由于钢筋混凝土的损坏一般比较明显，因此，完全可以利用无人机的飞行模式航拍采集轨枕图像信息。高速轨道的扣件丢失也可利用无人机航拍采集扣件缺失信息。但是，钢轨便面的损坏或者裂纹并不明显，如果采取无人机飞行模式航拍很难将钢轨损坏图像信息采集完整，同时航拍的图片更容易受到环境、拍摄视角和空中其他等干扰因素影响，利用现有算法也很难分辨出钢轨的损坏程度。因此，本方案设计了空铁两用专用无人机，使其既能完成空中航拍任务，又可运行在在钢轨上拍摄钢轨的高清图片。本专利技术设计的空铁两用专用无人机具有空中飞行的快速巡检方式和沿铁轨运行的高精度巡检方式。如图1所示的空铁两用专用无人机，各部件功能说明如下：1、推动螺旋桨5：为无人机在钢轨上的行走提供动力；2、水平导向轮6：导向轮是伸缩式的结构，在无人机在行走的过程中，一直接触这钢轨内侧，起稳定无人本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于空轨两用无人机的高速铁路安全检测系统，其特征在于，该系统包括无人机，其包括用于控制行驶状态的机载控制模块、用于采集轨道图像信息的高清相机，以及用于传输轨道图像信息的图像传输模块；地面站，其包括用于设置无人机的飞行路线的路径规划模块，以及用于向所述机载控制模块发送控制指令以及接收无人机传回的轨道图像信息的地面控制模块；远程监控中心，其包括用于监控无人机的飞行状态的监控模块、分析地面站传回的轨道图像信息的图像分析单元、存储图像分析单元分析结果的存储单元，以及无人机行驶过程中出现意外情况时采取相应措施的应急处理单元；无线通信模块，用于无人机、地面站、远程监控中心之间的无线通信。

【技术特征摘要】
1.一种基于空轨两用无人机的高速铁路安全检测系统，其特征在于，该系统包括无人机，其包括用于控制行驶状态的机载控制模块、用于采集轨道图像信息的高清相机，以及用于传输轨道图像信息的图像传输模块；地面站，其包括用于设置无人机的飞行路线的路径规划模块，以及用于向所述机载控制模块发送控制指令以及接收无人机传回的轨道图像信息的地面控制模块；远程监控中心，其包括用于监控无人机的飞行状态的监控模块、分析地面站传回的轨道图像信息的图像分析单元、存储图像分析单元分析结果的存储单元，以及无人机行驶过程中出现意外情况时采取相应措施的应急处理单元；无线通信模块，用于无人机、地面站、远程监控中心之间的无线通信。2.如权利要求1所述的基于空轨两用无人机的高速铁路安全检测系统，其特征在于，所述无人机还包括提供空中飞行动力的旋转叶片、提供沿轨道行驶动力的推动螺旋桨。3.如权利要求2所述的基于空轨两用无人机的高速铁路安全检测系统，其特征在于，所述机载控制模块接收到地面站的任务指令后，启动旋转叶片并控制推动螺旋桨保持关闭状态，所述无人机按照所述地面站规划的飞行路线到达待检测的轨道段后，所述地面站给无人机发送采集轨道图像信息指令，无人机收到采集轨道图像信息指令后，所述机载控制模块开启高清相机进行轨道图像信息的采集。4.如权利要求3所述的基于空轨两用无人机的高速铁路安全检测系统，其特征在于，当所述监控模块检测到无人机飞行轨迹出现偏离时，应急处理单元向地面...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴云鹏，秦源璟，赵雪军，秦勇，贾利民，
申请(专利权)人：北京交通大学，
类型：发明
国别省市：北京,11