一种桥梁墩身巡检航线规划方法技术

本发明专利技术公开了一种桥梁墩身巡检航线规划方法，操作无人机在桥梁底面之下沿顺时针或逆时针方向围绕墩身巡检，通过云台相机对整个墩身的四个侧面进行图像采集。无人机按照沿垂直方向上下往复折返的路径完成对墩身单个侧面的巡检作业，同时将无人机的飞行航线与云台相机包括姿态角、拍摄角度、帧率、焦距及曝光时间在内的信息进行融合，生成巡检航线。在墩身巡检过程中，通过惯性测量模块、视觉模块及激光雷达进行导航。在完成单个墩身巡检后，无人机飞行至下一个墩身继续进行墩身巡检。本发明专利技术能够解决现有巡检方式主要依靠人工操作无人机采集桥梁表面数据，自动化程度低、工作量大、获取数据稳定性差、安全性低的技术问题。

A Route Planning Method for Bridge Pier Inspection

【技术实现步骤摘要】
一种桥梁墩身巡检航线规划方法
本专利技术涉及工程检测
，尤其是涉及一种利用无人飞行器实现铁路、公路等桥梁巡检的桥梁墩身巡检航线规划方法。
技术介绍
到2017年底，全国铁路营业里程达到12.7万公里，其中高铁2.5万公里，按桥梁占线路52％的比例计算，我国高铁桥梁约有一万余公里。像京津城际桥梁累计长度占全线正线总长的比例为86.6％，京沪高铁为80.5％，广珠城际为94.0％，武广客专为48.5％，哈大客专为74.3％。桥梁检测作为工程领域一项的常规作业类型，其检测范围通常包括桥面系、上部结构和下部结构。桥梁检测的种类分为经常性检测、定期检测和特殊检测三种。经常性检测由路段检测人或桥梁养护人员进行巡视检测。定期检测是对桥梁结构的质量状况进行定期跟踪的全面检测。特殊检测是因各种特殊原因由专家们依据一定的物理、化学无破损检验手段对桥梁进行的全面察看、测强和测缺，旨在找出损坏的明确原因、程度和范围，分析损坏所造成的后果以及潜在缺陷可能给结构带来的危险。桥梁检测的意义主要体现在如下几个方面：第一，通过对桥梁进行定期的检测，可以建立和健全桥梁技术状况的相关档案；第二，通过对桥梁进行定期的检测，可以检测桥梁的健康状况，进而及时发现病害或控制病害的发展；第三，通过对桥梁进行定期的检测，可以对桥梁进行技术状况评价，形成客观详实的统计资料，从而可以为桥梁的维修、加固和技术改造等提供重要的参考资料；第四，通过对桥梁进行定期的检测，可以及时的发现桥梁的安全隐患，从而可以有效防止安全事故的发生。通常，桥梁检测的具体部位主要包括：桥梁底面、外沿面、底座、人行道、墩身、边栏等区域，如附图1和附图2所示。如附图2中所示，G为桥梁的人行道，H为轨道。长期以来，桥梁检测主要采用目视检测或者借助大型桥梁检测车或小型辅助检测仪器等方法来确定桥梁是否存在缺陷，但是这种方式需要人员多、人工参与比例大、时间长、劳动强度大、效率低、成本高，其检测效果与巡查人员的经验和责任心直接相关，因此无法满足日益增长的桥梁维护需求。而随着无人机技术的发展，无人机作为一种新型设备，为桥梁检测提供了一种高效、安全的方法，可以替代传统的检测手段在桥梁检测方面得到广泛的应用。通常在无人机上搭载高清摄像设备，操作人员远距离控制无人机对桥梁外表面数据进行采集，再利用桥梁数据管理软件对采集数据进行管理、分析、处理，及对缺陷进行自动检测和人工校核，能够完成桥梁各种缺陷的检测。现阶段无人机巡检桥梁主要依靠工作人员遥控无人机，存在以下几个方面的技术问题：1、桥梁所在环境复杂，很多横跨江、河、湖泊、峡谷，给工作人员操作无人机带来了诸多不便；2、桥梁结构复杂，需要巡检的部分很多，包含墩身、外沿面、栏杆、墩台、桥梁底面等，工作量大，造成无人机操作复杂需要很高的技巧；3、巡检过程一直需要人工操作无人机，效率低，且无人机飞行安全保障全部依赖操作人员的熟练程度及工作态度，容易出现安全事故；4、桥梁底面GNSS信号受到遮挡，无人机在无GNSS信号下飞行，导航及定位完全依靠工作人员遥控操作，无人机巡检桥梁技术难度、安全隐患会大幅增加，容易出现无人机坠毁事故；5、工作人员操作无人机带来晃动，会带来采集的图像数据不清晰、稳定，进而影响后续的数据分析，缺陷检测；6、桥梁底座区域光照被遮挡，采集到图像数据不够清晰、明亮，为后续的图像处理及缺陷分析检测带来困难。在现有技术中，中国专利技术申请CN105551108A和CN105501248A分别公开了一种铁路线路巡检方法及系统。进一步的，CN104762877A、CN106645205A、CN204833672U、CN104843176A、CN105460210A、CN106054916A、CN205366074U、CN106320173A、CN107748572A、CN108051450A、CN108284953A、CN108177787A、CN207173986U等文献也都提出了以无人机为平台，搭载高清相机采集桥梁数据，并完成对桥梁检测的技术方案。然而，这些技术方案均存在以下明显缺点：1、以上申请主要依靠工作人员操作无人机采集桥梁表面数据，自动化程度低、工作量大、获取数据的稳定性差、安全性低；2、桥梁结构复杂，不同部位形状差异很大，不同部位检测需要专业的方法和手段，以上申请均未针对桥梁各个部位提出针对性的检测方法；3、无人机检测过程中会出现低电量、通讯丢失等故障，以上申请均未提出故障情况下的处理方法；4、桥梁底面之下环境复杂，存在各种障碍物，需要进行有效规避，以上申请均未提出有效的方法。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种桥梁墩身巡检航线规划方法，以解决现有巡检方式主要依靠人工操作无人机采集桥梁表面数据，自动化程度低、工作量大、获取数据的稳定性差、安全性低的技术问题。为了实现上述专利技术目的，本专利技术具体提供了一种桥梁墩身巡检航线规划方法的技术实现方案，桥梁墩身巡检航线规划方法，包括以下步骤：操作无人机在桥梁底面之下沿顺时针或逆时针方向围绕墩身进行巡检，通过云台相机对整个墩身的四个侧面进行图像采集。无人机按照沿垂直方向上下往复折返的路径完成对墩身单个侧面的巡检作业，同时将无人机的飞行航线与云台相机包括姿态角、拍摄角度、帧率、焦距及曝光时间在内的信息进行融合，生成巡检航线。在墩身巡检过程中，通过惯性测量模块、视觉模块及激光雷达进行导航。在完成单个墩身巡检后，无人机沿桥梁线路长度方向飞行至下一个墩身继续进行墩身巡检。无人机在桥梁底面之下每飞行一段距离后飞出桥梁底面接收定位信号进行位置校核。进一步的，桥梁墩身巡检航线规划方法包括：将所述无人机放置于离桥梁底面以外的空旷平地上作为起飞点，将云台相机安装于所述无人机的顶部、底部或前部。进一步的，桥梁墩身巡检航线规划方法包括：根据桥梁的三维模型得到桥梁底面的相对海拔高度，在此相对海拔高度基础上减去无人机的拍摄距离值，得到无人机的巡检作业海拔高度。其中，桥梁底面的相对海拔高度为桥梁人行道边缘的相对海拔高度值减去桥梁的梁体高度。在巡检作业过程中确保无人机的机头方向与前进方向一致。进一步的，桥梁墩身巡检航线规划方法包括：在分段完成整个桥梁线路的巡检后，再将所有分段巡检航线在接近重复的地方连接起来，将其中的起降航线去除，融合点为无人机飞行位置有定位信号且空旷的区域，以形成一条完整的巡检航线。进一步的，桥梁墩身巡检航线规划方法包括：当无人机沿逆时针方向围绕墩身进行巡检时，首先操作遥控器，使无人机从原地起飞至巡检作业海拔高度，然后朝向桥梁底面靠近墩身方向飞行。当进入桥梁的底部并靠近墩身时，调整无人机的飞行方向为平行于墩身宽度方向向内，然后暂定，调整云台相机的姿态角、拍摄角度及焦距值，并微调无人机的位置，保证拍摄画面覆盖整个桥梁的墩身。收遥控器升降舵，确保无人机下降至靠近地面的位置，然后暂定，调整云台相机向下方拍摄，并保证拍摄画面覆盖整个墩身底部，推遥控器前进舵使无人机前进设定距离，再将云台相机的姿态调正，推遥控器升降舵，使无人机上升至靠近桥梁底面位置，控制无人机前进设定距离，拉遥控器升降舵，使无人机下降至靠近地面的位置，然后暂定，调整云台相机向下方拍摄，并保证拍摄画面覆盖整个墩身底部，然后推遥控器前进舵。根据桥本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种桥梁墩身巡检航线规划方法，其特征在于，包括以下步骤：操作无人机(10)在桥梁底面之下沿顺时针或逆时针方向围绕墩身进行巡检，通过云台相机(12)对整个墩身的四个侧面进行图像采集；无人机(10)按照沿垂直方向上下往复折返的路径完成对墩身单个侧面的巡检作业，同时将无人机(10)的飞行航线与云台相机(12)包括姿态角、拍摄角度、帧率、焦距及曝光时间在内的信息进行融合，生成巡检航线；在墩身巡检过程中，通过惯性测量模块(17)、视觉模块(18)及激光雷达(19)进行导航；在完成单个墩身巡检后，无人机(10)沿桥梁线路长度方向飞行至下一个墩身继续进行墩身巡检；无人机(10)在桥梁底面之下每飞行一段距离后飞出桥梁底面接收定位信号进行位置校核。

【技术特征摘要】
1.一种桥梁墩身巡检航线规划方法，其特征在于，包括以下步骤：操作无人机(10)在桥梁底面之下沿顺时针或逆时针方向围绕墩身进行巡检，通过云台相机(12)对整个墩身的四个侧面进行图像采集；无人机(10)按照沿垂直方向上下往复折返的路径完成对墩身单个侧面的巡检作业，同时将无人机(10)的飞行航线与云台相机(12)包括姿态角、拍摄角度、帧率、焦距及曝光时间在内的信息进行融合，生成巡检航线；在墩身巡检过程中，通过惯性测量模块(17)、视觉模块(18)及激光雷达(19)进行导航；在完成单个墩身巡检后，无人机(10)沿桥梁线路长度方向飞行至下一个墩身继续进行墩身巡检；无人机(10)在桥梁底面之下每飞行一段距离后飞出桥梁底面接收定位信号进行位置校核。2.根据权利要求1所述的桥梁墩身巡检航线规划方法，其特征在于，所述方法进一步包括：将所述无人机(10)放置于离桥梁底面以外的空旷平地上作为起飞点，将云台相机(12)安装于所述无人机(10)的顶部、底部或前部。3.根据权利要求1或2所述的桥梁墩身巡检航线规划方法，其特征在于，所述方法进一步包括：根据桥梁的三维模型得到桥梁底面的相对海拔高度，在此相对海拔高度基础上减去无人机(10)的拍摄距离值，得到无人机(10)的巡检作业海拔高度；其中，桥梁底面的相对海拔高度为桥梁人行道边缘的相对海拔高度值减去桥梁的梁体高度；在巡检作业过程中确保无人机(10)的机头方向与前进方向一致。4.根据权利要求3所述的桥梁墩身巡检航线规划方法，其特征在于，所述方法进一步包括：在分段完成整个桥梁线路的巡检后，再将所有分段巡检航线在接近重复的地方连接起来，将其中的起降航线去除，融合点为无人机(10)飞行位置有定位信号且空旷的区域，以形成一条完整的巡检航线。5.根据权利要求1、2或4所述的桥梁墩身巡检航线规划方法，其特征在于，所述方法进一步包括：当无人机(10)沿逆时针方向围绕墩身进行巡检时，首先操作遥控器，使无人机(10)从原地起飞至巡检作业海拔高度，然后朝向桥梁底面靠近墩身方向飞行；当进入桥梁的底部并靠近墩身时，调整无人机(10)的飞行方向为平行于墩身宽度方向向内，然后暂定，调整云台相机(12)的姿态角、拍摄角度及焦距值，并微调无人机(10)的位置，保证拍摄画面覆盖整个桥梁的墩身；收遥控器升降舵，确保无人机(10)下降至靠近地面的位置，然后暂定，调整云台相机(12)向下方拍摄，并保证拍摄画面覆盖整个墩身底部，推遥控器前进舵使无人机(10)前进设定距离，再将云台相机(12)的姿态调正，推遥控器升降舵，使无人机(10)上升至靠近桥梁底面位置，控制无人机(10)前进设定距离，拉遥控器升降舵，使无人机(10)下降至靠近地面的位置，然后暂定，调整云台相机(12)向下方拍摄，并保证拍摄画面覆盖整个墩身底部，然后推遥控器前进舵；根据桥梁墩身的宽度，按照该上下往复折返式路径完成整个桥梁墩身前侧面数据的全覆盖巡检；当无人机(10)沿顺时针方向围绕墩身进行巡检时，操作无人机(10)按照相同的上下往复折返式路径完成整个桥梁墩身后侧面数据的全覆盖巡检；再控制无人机(10)飞出桥梁底面一...

【专利技术属性】
技术研发人员：颜琼，李华伟，王文昆，罗梓河，王贤，朱义明，
申请(专利权)人：株洲时代电子技术有限公司，
类型：发明
国别省市：湖南,43