一种用于桥梁隧道自动巡检旋翼无人机系统及导航方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种用于桥梁隧道等区域自动巡检的旋翼无人机，是利用GPS与二维 激光雷达实现旋翼无人机在GPS信号易缺失的桥梁隧道等区域的自主飞行控制进而完成 自动巡检作业，具体涉及一种用于桥梁隧道自动巡检旋翼无人机系统及导航方法。
【背景技术】
[0002] 我国是一个多山的国家，为了提高公路、铁路运输的经济时速，在山地等区域建设 公路通常会采取桥梁、隧道的形式。截止到2013年末，我国桥梁隧道等已经超过73万座，总 长度居世界第一，我国也成为世界上隧道和地下工程最多、最复杂、发展最快的国家。然而 随着交通运输业的快速发展，尤其是超限（超重、超高、超宽、超长）车辆的激增，严重威胁 到桥梁与隧道的安全，随之而来的坍塌事故近年来时有发生，造成人民财产和生命的严重 损失，目前，我国很大一部分桥梁与隧道已经进入"老龄"期，巡检与养护工作也成为当前交 通发展急需解决的问题。当前桥梁常见病害分别有以下几个方面：不同部位出现裂缝；混 凝土强度不均匀；混凝土渗水；露钢筋及锈蚀；梁的拱度过大、过小（预应力过大、过小）； 预应力孔道压浆不饱满，钢丝锈蚀；梁体冻裂等。如不及时检测和发现将会带来严重后果。 我国针对桥梁隧道的病害修复和行定期的保养耗资巨大，"十一五"期间，中国公路养护费 共使用8011亿元，平均每年达1600亿元，但是效果却不甚理想。各路桥养护公司还是使用 常规手段对路桥进行巡检。对于山区桥梁来说，由于其跨度大、公里长、交通流量大，运用桥 检车进行桥梁隧道检测的时候需要封路，对人员的交通出行带来诸多不便，严重影响了交 通通行秩序，且桥检车价格昂贵，操作复杂。对于平原地区的大跨江、跨河桥梁进行常规检 测的时候需要封航，且相关的路面还需要封路进行交通疏导；此外，桥检车作业范围有限， 对斜拉索桥，悬索主塔结构、索体结构等不能进行有效的巡检。在路桥巡检的实际工作过程 中，巡检工作量大，具有较大的随意性，巡检过程不可控，工作环境恶劣危险系数大等现象。 总体上，目前的巡检技术相对比较落后，利用新技术研发一种快速、高效的检测手段日益成 为路桥检测的迫切需要。
[0003] 旋翼无人机是近年来快速发展起来的一种小型无人驾驶无人机，旋翼无人机具有 普通的无人机无法比拟的优点，主要体现在其结构紧凑、体积小，噪声小，热辐射小以及超 强的机动性，可以在狭小的空间内垂直起降，自由穿梭，并且可以长时间悬停监视，旋翼无 人机也由原来的军事应用慢慢发展到民用，广泛应用到电影业、农业、工业、遥感航拍等领 域。其中无人机作为航空摄影和对地观测的遥感平台为应对桥梁隧道的巡检提供了一种全 新的解决方案，无人机以其独特的自身飞行优势以高低空视角结合，能够到达任何位置进 行摄像与拍摄，能够方便、快速、准确、有效进行高分辨率空间数据采集和数据传输。且其低 成本、高效率、灵活机动、可适应各种恶劣环境。同时，相对于地面平台来讲，空中平台具有 更好的机动性和视角优势。将无人机应用了桥梁巡检和应急抢险可以最大程度地将人从环 境中解放出来，减少了工作人员的劳动强度，缩短了作业时间，可以大大提高了工作效率。
[0004] 目前旋翼无人机的导航主要依靠GPS与人工控制，这种方式虽然能够在一定程度 上缓解现阶段桥梁隧道巡检任务的困难，但是在桥梁隧道等区域GPS信号经常会被遮蔽导 致依赖GPS工作的器件不能发挥效用而导致旋翼无人机不能定位机体的位置甚至发生事 故。并且旋翼无人机的控制需要人工遥控，操作人员需要能够熟练操作旋翼无人机已完成 各类检测任务，对操作人员的素质要求很高。同时桥梁隧道区域环境比较复杂，纵深比较 大，旋翼无人机遥控信号容易受到干扰甚至屏蔽，受远程遥控的旋翼无人机一旦失去控制 信号很有可能会发生比较严重的事故。目前我国依靠激光雷达对旋翼无人机的自主导航研 宄还处于起步阶段，因此设计研宄一套基于GPS与二维激光雷达自主导航的桥梁隧道巡检 无人机将会产生重大的现实意义与经济价值。
【发明内容】
[0005] 本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：
[0006] 一种用于桥梁隧道自动巡检旋翼无人机系统，其特征在于，包括机架、设置在机架 四周的机体防护罩，机架上四个角分别设有一个包括螺旋桨的驱动组件；机架底部固定有 固定式起落架，固定式起落架内设有增稳云台、无线图传与通信模块以及高清相机；电池盒 固定在固定式起落架和机架底部之间；机架上设有頂U模块以及机载处理器，頂U模块上固 定有激光雷达以及固定在激光雷达上方的GPS模块；激光雷达两侧分别通过L行固定杆固 定有一个下反射直角棱镜和上反射直角棱镜；所述驱动组件、GPS模块、MU模块、无线图传 与通信模块、激光雷达以及SOS模块均与机载处理器连接，所述高清相机与无线图传与通 信模块连接。
[0007] -种用于桥梁隧道自动巡检旋翼无人机自主导航方法，其特征在于，根据当前所 处位置有GPS信号与无GPS信号进行选择执行以下操作步骤：
[0008] 选择步骤1，有GPS信号时；预先在巡检区域的起止点获取GPS坐标Ps与Pe，结合 目标区域的宽度信息，形成具有一定面积的可飞区，使得四旋翼无人机在可飞区内由Ps点 向Pe点飞行；根据先验知识，在可飞区内设置若干个需要监测的关键点，根据最优路径算 法得到一条最短路径使得四旋翼无人机检测完所有已设置的关键点；在飞行过程中当激光 雷达检测到障碍物时，提前预判障碍物是否在四旋翼无人机的飞行路线上，若障碍物与最 短路径存在交叉，则使用蔽障策略绕过障碍物，同时回归原来的航线；到达预设关键点后对 关键点区域进行全面的拍摄；
[0009] 选择步骤2,无GPS信号时；在相对密闭狭小的空间中，GPS信号将会被遮蔽，此时 将完全依靠激光雷达与MU进行导航；具体是建立一个以工作起始点为原点的世界坐标系 Gcoor，同时建立以四旋翼无人机中心为原点的机体坐标系Bcoor;其中，
[0010] 坐标一：建立一个以工作起始点为原点的世界坐标系Gcoor方法如下：
[0011] 在工作起始点，水平摆放四旋翼无人机，将此时的四旋翼无人机机体坐标系Bcoor作为四旋翼无人机工作的世界坐标系Gcoor;
[0012] 坐标二：建立以四旋翼无人机中心为原点的机体坐标系Bcoor方法如下：以四旋 翼无人机的几何中心为原点，在四旋翼无人机平面内，以四旋翼无人机约定正面一方的朝 向定义为x轴正向，以四旋翼无人机左面朝向定义为y轴正向；垂直于四旋翼无人机平面向 上的方向定义z轴正向；为了方便计算，将IMU输出的三轴加速度中的x方向定义为无人机 机体坐标系的x轴。
[0013] 本发明主要包括三个方面的内容：1、适用于桥梁隧道区域自动巡检的旋翼无人机 机体的设计；2、基于GPS与激光雷达的旋翼无人机自主导航策略的设计；3、旋翼无人机航 拍影像的处理。
[0014] 本发明以四旋翼无人机为例进行说明，当四旋翼无人机处于相对开阔、GPS信号正 常的区域时将按照既定的GPS路线进行飞行，此时激光雷达因为扫描距离的限制将不能发 挥导航的作用，仅仅用来进行动态蔽障；当四旋翼无人机处于相对封闭狭小的空间时，GPS 信号将会缺失，此时将依靠激光雷达对周围的场景进行扫描匹配以完成同步定位与构图作 业，为了减轻重量与电量消耗，四旋翼无人机的高度信息也由激光雷达提供。由于机载控制 器运算速度与规模的限制，对四旋翼无人机拍摄的影像处理将在地面控制中心进行，主要 完成图像的正射矫正、匀色、裁边、拼接与目标识别，最终完成对桥梁隧道中关键目标信息 的高精度提取与变化检测。
[0015] 在上述的一种用于桥梁隧道自动巡检旋翼无人机自主导航方法，将以机体坐标系 Bcoor采集的激光雷达的扫描数据通过变换矩阵投影到世界坐标系中Gcoor;用扫描匹配 的方式通过旋转平移等操作使激光雷达当前帧与前一段时间内的数据帧的集合达到最佳 匹配，从而得到四旋翼无人机当前的姿态相对于前一段时间改变，即扫描匹配后得到四旋 翼无人机的相对位移与行偏角；扫描匹配达到的数据与IMU的数据用基于扩展卡尔曼滤波 器数据融合滤波器进行数据融合处理得到高精度的位移估计与速度估计，同时保证了很高 的估计频率达到实时估计四旋翼无人机位姿信息；
[0016] 然后通过SLAM将估计的位姿信息与激光雷达的扫描数据共同建立电子地图； SLAM相对需要较大的运算量，在机载处理器上无法完成实时操作，因此只能提供给实时估 计四旋翼无人机位姿状态的数据融合滤波器一个短延时补偿；最后由路径规划模型规划四 旋翼无人机的向前飞行的路线。
[0017] 相对于目前桥梁隧道的检测方法与手段，本发明具有明显的优势，体现在；1.本 发明所述的自动巡检旋翼无人机具有机动灵活的特点，巡检范围能够全覆盖桥梁隧道区 域，无论在空旷区域还是在封闭区域都能进行快速巡检；2.本发明所述的自动巡检旋翼无 人机依靠自动避障系统，能够有效躲避障碍物以及机动车辆，可以在不阻塞或者封闭交通 的情况下完成对桥梁隧道的巡检任务3.本发明所述的自动巡检旋翼无人机系统能够将旋 翼无人机拍摄的现场画面实时回传到地面站，相关人员可以据此了解现场的道路交通状 况，在发生交通事故或自然灾害时可以对现场进行调度。并且能够生成桥梁隧道的病害专 题图供相关人员使用。
【附图说明】
[0018] 图1是本系统机体结构示意图。
[0019] 图2是本系统机体结构示意图。
[0020] 图3是本系统的工作流程图。
[0021]图4是本系统的蔽障策略流程图。
[0022] 图5是本系统的分层式控制示意图。
[0023] 图6是本系统的桥隧病害监测图的制作流程。
【具体实施方式】
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