[发明专利]一种隧道智能无人机巡检方法

说明书

本发明公开了一种隧道智能无人机巡检系统及方法，通过结合无人机技术、图像处理技术，将无人机应用到隧道的巡检工作中去。本发明在无人机的平台上添加了多种传感器，利用单目黑白相机和惯性测量单元IMU采集的数据，根据VINS‑Mono定位建图算法，同时采用多传感器数据融合的方式实现对隧道内无人机的精确定位导航，利用二维激光雷达采集点云数据，实现对隧道墙面方向的估计和无人机避障，同时利用高分辨率相机对隧道图像进行采集，通过SfM算法恢复相机运动轨迹，再结合高清图像生成隧道的三维模型，以此实现细致的隧道巡检任务。相对于传统的依赖人员和车辆进行隧道巡检的方式，本发明自动化程度高、工作效率高，可以广泛地运用于隧道巡检工作中去。

技术领域

本发明属于图像处理与无人机技术领域，涉及一种无人机巡检系统及方法，具体涉及一种隧道环境下无人机的自主定位、周围环境感知、无人机路径规划和避障、图像三维重建系统及方法。

背景技术

近年来，随着我国的不断发展，国内经济水平每年高速增长和综合国力不断提升，各类基础设施的建设能力得到了极大的提升。随着港珠澳大桥沉管隧道、武汉三阳路长江隧道、青藏铁路关角隧道等一系列大型隧道工程的竣工，我国已经成为世界上隧道及地下工程规模最大、各型地质结构最为复杂、各类修建技术发展最快的国家。然而，随着时间的流逝，地质变化，交通事故冲撞，腐蚀损坏和虫害等种种因素都会给隧道造成不通程度的影响。轻微的影响能造成隧道表面裂缝，严重的影响则可能会导致隧道洞体形变乃至区间洞面材料掉落等。隧道养护人员须即时发现并且进行有效的维护以防止危害发生。隧道巡检是增加隧道生命周期的不可或缺的重要环节。然而传统隧道巡检依赖人员和车辆进行巡查，不仅耗时耗力，而且人员成本和检修成本也非常高。任何低效率的方法，在国内上万公里的隧道检修面前都会被放大数千万倍，造成极大的浪费与损耗。

随着无人机技术的不断进步，其操纵的强灵活性及其功能的高扩展性逐渐受到大众青睐，使用无人机在隧道中进行巡查已经成为可能。搭载各类传感器，无人机能够自主感知各类隧道环境，在隧道中实现自主定位与巡航。只需少量人员进行操作，无人机就能够自主的完成长距离的隧道巡查。此外，得益于无人机的小体积优势，在许多不方便人员进出的隧道，如大型下水道等环境，无人机能够有效的增加巡检工作的效率。

然而，隧道内部环境极其复杂与恶劣，这对于无人机作业存在极大挑战。隧道内部由于遮挡导致GPS信号无法穿透，常见的依赖GPS信号进行无人机位姿估计的商用无人机系统全部无法在隧道内进行飞行。此外，地铁隧道的电气系统和隧道附近的含磁层等等因素，都会导致隧道中的不同区间的磁场剧烈变化，无人机无法校准方向。并且，隧道的空间结构相对常见的无人机飞行场景，如室外，都较为狭小，无人机飞行时容易受到墙面反弹气流的干扰，严重干扰无人机的自稳，严重时可能导致坠机。因此，需要设计一个能在隧道环境下稳定巡航的智能无人机巡检系统及方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种隧道智能无人机巡检系统及方法，用于代替目前的人工隧道巡检工作，降低人力成本，提高作业效率。

本发明的系统所采用的技术方案是：一种隧道智能无人机巡检系统，其特征在于：包括无人机、飞行控制器、机载计算机、惯性测量单元IMU、单目黑白相机、高分辨率相机、单点激光测距仪、气压计、二维激光雷达和照明设备；

所述飞行控制器用于控制所述无人机的起飞、移动、降落；

所述机载计算机、单目黑白相机、惯性测量单元IMU分别与所述飞行控制器连接，用于计算视觉惯导里程计，对无人机自身进行定位导航；

所述单点激光测距仪、气压计分别与所述飞行控制器连接，用于对无人机飞行高度的测量，实现稳定飞行；

所述二维激光雷达和所述机载计算机连接，用于对隧道周围环境进行感知，实现有效地避障、对隧道曲折方向的估计以及实时路线调整；

所述照明装置用于为隧道提供稳定的光照环境，由无人机的电池供电，安装在无人机的机架前端；