一种基于多旋翼无人机的电缆隧道环境检测系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于多旋翼无人机的电缆隧道环境检测系统，包括无人机平台、地面站与数据处理系统、电缆故障检测系统和隧道环境检测系统，无人机平台为整个系统的搭载与移动平台，根据地面站与数据处理系统的相关指令进行上下左右或悬停动作；隧道环境检测系统也为任务模块，通过无人机专用吊舱，固定在无人机机体下方与故障检测系统并行安装，使用USB接口与无人机机体中的机载通信单元连接，根据指令控制其中的传感器检测空气种类与浓度，并传递至地面工作人员。使用该系统开展隧道环境信息的检测可同时实施电缆故障的检测，确保内电缆运行在适宜环境中，减少电缆灾害发生，而且有利于工作人员人身安全，提高巡检效率，促进智能电网建设。

A cable tunnel environment detection system based on multi rotor UAV

【技术实现步骤摘要】
一种基于多旋翼无人机的电缆隧道环境检测系统
本专利技术属于多旋翼无人机技术和电缆隧道环境的检测
，具体内容是一种基于多旋翼无人机的电缆隧道环境检测系统。
技术介绍
随着国民经济和城市建设的飞速发展，电力需求不断增加。城市的电力电缆数量也不断的增加，城市高压电力供电线路的地下化已经成为趋势。然而，电力电缆隧道是一条基本封闭的隧道，电缆在运行期间，内部绝缘材料老化会产生H2S、CO等有毒有害气体，不良沉积物变质挥发会产生CH4、NH3等易燃易爆气体同时还有外界其他有害气体的侵入，这些气体长期在隧道内聚集不仅加快了电缆的老化，易导致灾害的发生，同时对巡检工作人员造成巨大的人身威胁。另外隧道内的温度、湿度等因素也不利于电缆的正常运行。根据国家相关运行规程及行业要求，电缆隧道内温度不应超过所运行的电缆类型的规定温度，隧道内不应存在如CO、H2S等有害气体，O2、CH4等气体含量应保持在正常范围内，不影响人员正常运维检修。所以对隧道内环境的检测对保证工作人员人身安全和电缆安全稳定运行具有重大意义。据了解，目前国内电缆通道内环境检测有三种解决方案；一是人员佩戴氧含量测试仪、有毒有害气体检测仪进入通道内，检测、检测通道内气体质量；二是通道内防火分区内设置气体检测装置，接入综合监控平台，实时检测通道内气体质量；三是通道内配置巡视机器人，本身集成配备气体检测装置，检测通道内气体质量。但这些方法面临着一些难以处理的问题，具体问题如下：（1）传统的环境检测手段安全风险系数较高。电缆隧道等有限空间内环境复杂，人员佩戴氧含量测试仪、有毒有害气体检测仪进入通道内检测时存在较大的人员安全风险。（2）在线检测系统与工作人员交互障碍。通道内防火分区内设置气体检测装置，接入综合监控平台，检测数据与现场工作人员存在交互不及时，延迟较为严重。（3）配置巡检机器人成本高。通道内配置巡视机器人替代人工进行巡检作业前隧道的气体含量检测，安装配置巡视机器人造价高昂，且不具备大范围推广性。
技术实现思路
本专利技术为了解决上述问题，提出一种基于多旋翼无人机的电缆隧道环境检测系统，本专利技术具有效率高、携带方便、安全性高、成本低、实时性高，无延迟等优点。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种基于多旋翼无人机的电缆隧道环境检测系统，包括：无人机平台、地面站与数据处理系统、电缆故障检测系统和隧道环境检测系统，无人机平台为整个系统的搭载与移动平台，根据地面站与数据处理系统的相关指令进行上下左右或悬停动作；地面站与数据处理系统，实时监控无人机飞行状态及下达控制或作业指令，分析飞行状态和任务检测情况，通过无线方式与无人机进行信息传输；电缆故障检测系统为任务模块，该模块通过专用吊舱固定于无人机机体下方，通过USB接口与无人机机体中的机载通信单元连接，地面站与数据处理系统根据其传回的隧道内实际工作图像进行数据分析，诊断电缆故障及其他异常；隧道环境检测系统也为任务模块，通过无人机专用吊舱，固定在无人机机体下方与故障检测系统并行安装，使用USB接口与无人机机体中的机载通信单元连接，根据指令控制其中的传感器检测空气种类与浓度，并传递至地面工作人员。无人机主要由空中部分即无人机和地面部分即地面站两部分组成，其中空中部分无人机平台包括机载通信单元、飞行感知单元、控制执行单元和各个旋翼系统，其机载通信单元与飞行感知单元固定在无人机中心位置，机载通信单元通过有线或无线的方式与平台各系统连接，用于无人机飞行指令的上传下达以及相关任务的下发与接收；飞行感知单元控制无人机飞行与任务实施，通过控制无人机飞行信息的接收、解算，通过融合导航信息、三维空间信息解算出相应的控制信号发给电机实现无人机隧道空间内的飞行任务；控制执行单元根据飞行感知单元解算信息控制旋翼系统进行上下左右悬停动作。地面部分地面站与数据处理系统包括任务控制模、轨迹规划模块、地面通信模块、数据处理与显示模块、应急辅助模块和工作人员。任务控制模块用于对飞行任务进行下发与控制；轨迹规划模块用于地面人员根据任务需要，结合飞行条件为无人机制定飞行任务要求的飞行航线，在没有GPS信号的情况进行相对导航，通过定义坐标系，设定航路点在相对坐标系中的三维位置信息，生成无人机的航迹路线；地面通信模块主要负责与机载通信单元进行信息传输与反馈，控制通信链路的打开和关闭；数据处理与显示模块主要是将飞行任务以及飞行状态参数经过处理之后进行可视化传递给工作人员进行相关决策；应急辅助模块面向突发性大气污染事件的应急决策的需要而设计，以气体检测信息为基础，提供包括危险化学品信息管理、大气污染扩散模拟分析、应急预案管理，以及应急检测手册功能。以上所有模块均通过编程手段集成于软件中。通过无线方式与无人机进行信息传递。任务模块由电缆故障检测系统和隧道环境检测系统两部分构成。电缆故障检测系统主要由360︒自稳云台和双光红外热成像相机组成，红外相机连接至云台上，并置于无人机主体正下方定位架上，用于飞行过程中，数据的收集，通过360︒自稳云台获取隧道内两侧电缆的全部状态图像；最后所得数据通过有线的方式与机载通信单元连接，再由机载通信单元通过无线方式传输至地面站与数据处理系统，进行数据分析，判断电缆故障及隧道内环境异常情况；隧道环境检测系统主要由H2S、O2、CH4、NH3、CO气体传感器、温度、湿度、气压气象传感器组成，集成为传感器模组，并固定于无人机吊舱，无人机吊舱安装在无人机机体正下方，避免无人机旋翼气流对测量值的影响。通过集成的各种传感器单元执行隧道环境检测任务探测隧道内气体信息和温度、湿度、气压信息。进一步地，在无人机平台中飞行感知单元由飞行控制模块和导航与避障模块构成，飞行控制模块主要功能是控制飞机达到期望的姿态和空间位置，主要测量的是飞机运动状态相关的物理量，这部分主要包括气压高度计、磁航向计、惯性测量单元和GPS，该部分的功能实现与传统方式无异，不再赘述；导航与避障模块，主要是给无人机提供自主导航能力，即路径与避障规划功能，需要感知周围环境状态，该模块的构成包括测距传感器和环境感知传感器，特别地，针对隧道内无人机导航因GPS卫星信号的缺失不能使用卫星导航的情况下，设计由红外光流传感器、红外结构光、超声波测距传感器以及机载计算机四部分构成的导航与避障模块。导航模块通过使用红外光流传感器与惯性导航相结合的方式实现无人机在隧道内的自主飞行，其中红外传感器连接机载计算机，并通过UART串口与无人机连接，红外传感器用于在无光线环境飞行路线上的信息进行采集，传至机载计算计调用光流算法解算出视觉里程信息从而进行路径规划与导航；避障模块由六组传感器组成分别固定在无人机固定架上，通过USB接口与机载计算机连接通过EKF算法进行信息融合，更新飞行路径，其中在无人机的前、左、右三个主方向的避障传感器为单目+红外结构光视觉系统，无人机上、下、后侧采用超声波测距传感器，采用这种避障组合一方面实现了隧道内精准的避障飞行，另一方面避免了全部使用视觉传感器避障无人机系统内搭载的计算机算力不足的问题；基于多旋翼无人机系统的定位导航技术和本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于多旋翼无人机的电缆隧道环境检测系统，包括：无人机平台(Ⅰ)、地面站与数据处理系统(Ⅱ)、电缆故障检测系统(Ⅲ)和隧道环境检测系统(Ⅳ)，其特征在于：所述无人机平台(Ⅰ)连接地面站与数据处理系统(Ⅱ)、电缆故障检测系统(Ⅲ)和隧道环境信息检测系统(Ⅳ)；所述无人机平台为整个系统的搭载与移动平台，根据地面站与数据处理系统(Ⅱ)的相关指令进行上下左右或悬停动作；所述地面站与数据处理系统(Ⅱ)，实时监控无人机飞行状态及下达控制或作业指令，分析飞行状态和任务执行情况，通过无线方式与无人机进行信息传输；所述电缆故障检测系统(Ⅲ)为任务模块，通过USB接口与无人机平台(Ⅰ)连接，检测电缆运行状态，并将检测信息传回地面站与数据处理系统（Ⅱ）进行分析处理，诊断电缆故障及其他异常；所述隧道环境检测系统(Ⅳ)也为任务模块，固定在无人机机体下方与故障检测系统(Ⅲ)并行安装，使用USB接口与无人机平台(Ⅰ)连接，检测隧道内环境种类和浓度，并将检测信息传回地面站与数据处理系统（Ⅱ）进行分析处理。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于多旋翼无人机的电缆隧道环境检测系统，包括：无人机平台(Ⅰ)、地面站与数据处理系统(Ⅱ)、电缆故障检测系统(Ⅲ)和隧道环境检测系统(Ⅳ)，其特征在于：所述无人机平台(Ⅰ)连接地面站与数据处理系统(Ⅱ)、电缆故障检测系统(Ⅲ)和隧道环境信息检测系统(Ⅳ)；所述无人机平台为整个系统的搭载与移动平台，根据地面站与数据处理系统(Ⅱ)的相关指令进行上下左右或悬停动作；所述地面站与数据处理系统(Ⅱ)，实时监控无人机飞行状态及下达控制或作业指令，分析飞行状态和任务执行情况，通过无线方式与无人机进行信息传输；所述电缆故障检测系统(Ⅲ)为任务模块，通过USB接口与无人机平台(Ⅰ)连接，检测电缆运行状态，并将检测信息传回地面站与数据处理系统（Ⅱ）进行分析处理，诊断电缆故障及其他异常；所述隧道环境检测系统(Ⅳ)也为任务模块，固定在无人机机体下方与故障检测系统(Ⅲ)并行安装，使用USB接口与无人机平台(Ⅰ)连接，检测隧道内环境种类和浓度，并将检测信息传回地面站与数据处理系统（Ⅱ）进行分析处理。


2.根据权利要求1所述的一种基于多旋翼无人机的电缆隧道环境检测系统，其特征在于：所述无人机平台(Ⅰ)包括机载通信单元(Ⅰ-1)、飞行感知单元(Ⅰ-2)、控制执行单元(Ⅰ-3)和各个旋翼系统(Ⅰ-4)，所述机载通信单元(Ⅰ-1)与飞行感知单元(Ⅰ-2)固定在无人机中心位置，机载通信单元(Ⅰ-1)通过有线或无线的方式与平台各组成连接，用于无人机飞行指令的上传下达以及相关任务的下发与接收；所述飞行感知单元(Ⅰ-2)控制无人机飞行与任务实施，通过控制无人机飞行信息的接收、解算，通过融合导航信息、三维空间信息解算出相应的控制信号发给无人机实现隧道空间内的飞行任务；所述控制执行单元(Ⅰ-3)根据飞行感知单元(Ⅰ-2)解算信息控制旋翼系统(Ⅰ-4)进行上下左右悬停动作。


3.根据权利要求1所述的一种基于多旋翼无人机的电缆隧道环境检测系统，其特征在于：所述地面站与数据处理系统(Ⅱ)包括任务控制模块(Ⅱ-1)、轨迹规划模块(Ⅱ-2)、地面通信模块(Ⅱ-3)、数据处理与显示模块(Ⅱ-4)、应急辅助模块(Ⅱ-5)和工作人员(Ⅱ-6)，所述任务控制模块(Ⅱ-1)用于对飞行任务进行下发与控制；所述轨迹规划模块(Ⅱ-2)用于地面人员(Ⅱ-6)根据任务需要，结合飞行条件为无人机制定飞行任务要求的飞行航线，在没有GPS信号的情况进行相对导航，通过定义坐标系，设定航路点在相对坐标系中的三维位置信息，生成无人机的航迹路线；所述地面通信模块(Ⅱ-3)负责与机载通信单元(Ⅰ-1)进行信息传输与反馈，控制通信链路的打开和关闭；所述数据处理与显示模块(Ⅱ-4)主要是将飞行任务以及飞行状态参数经过处理之后进行可视化传递给工作人员(Ⅱ-6)进行决策；所述应急辅助模块(Ⅱ-5)面向突发性大气污染事件的应急决策的需要而设计，以气体检测信息为基础，提供包括危险化学品信息管理、大气污染扩散模拟分析、应急预案管理，以及应急检测手册功能；以上所有模块均通过编程手段集成于软件中，通过无线方式与无人机进行信息传递。

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【专利技术属性】
技术研发人员：李正迁，熊峰，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：上海;31