一种基于无人机的隧道巡检系统及方法与流程

本发明涉及隧道巡检，尤其涉及一种基于无人机的隧道巡检系统及方法。

背景技术：

1、无人机具有高度灵活的特性，因此在各行各业都被广泛地应用。在地铁隧道施工方面，无人机被用于地铁隧道的施工巡检以及隧道内的安全巡检。无人机的经济成本低，能够代替人力资源的使用，还能够减少所需设备和机器的使用。无人机的巡检效率也比较高。在无人机巡检过程中，无人机不需要人为操作和干扰，能够在一定范围内进行连续操作，因此可以在相同时间内巡检更远的路程并完成更多的巡检工作。

2、例如，公开号为cn114689046a的专利申请公开了一种无人机巡检隧道的方法，方法包括：在无人机上配置激光雷达传感器、检测传感器和惯性测量单元，其中，惯性测量单元已完成预设参数标定和与激光雷达传感器空间位置关系的标定；获取无人机在待巡检隧道之外的航迹点，其中，航迹点包括发射点和回归点；无人机在发射点进入待巡检隧道；基于激光雷达传感器和惯性测量单元计算待巡检隧道的局部隧道空间姿态数据，并根据局部隧道空间姿态数据确定无人机在待巡检隧道内的航迹点；基于待巡检隧道内的航迹点的航行线路和预设航行周期，通过检测传感器获得待巡检隧道的检测数据。

3、再例如，公开号为cn115755977a的专利申请公开了一种隧道内智能无人机巡检方法，包括步骤：获取待巡检隧道定位坐标；无人机进入待巡检隧道，开始巡检待巡检隧道；构建待巡检隧道空间数据、控制无人机与待巡检隧道墙面以及待检隧道墙面上设备之间的距离；采集隧道内墙面的图像，对图像数据进行处理，然后传输至用户控制端，供给用户确定隧道内墙面上异常情况，进行后续的维修；收集交通事故场现场图像，并传输至用户控制端，核查交通事故对隧道造成的损坏；巡检完成，控制无人机降落。

4、再例如，公开号为cn116048124a的专利申请公开了一种无人机地铁隧道巡检方法，无人机地铁隧道巡检方法包括：获取隧道施工方案，根据隧道施工方案构建隧道巡检bim模型；当获取到隧道巡检指令时，根据隧道巡检bim模型生成无人机巡检路线，并根据无人巡检路线触发无人机巡检指令；获取无人机巡检图像，使用预设的隧道异常识别模型对无人机巡检图像进行隧道异常识别，得到对应的异常识别结果；将异常识别结果发送至监控端，并从监控端获取异常确认信息，根据异常确认信息生成隧道运维指令，并根据异常确认信息更新隧道异常识别模型。

5、以上利用无人机对隧道进行巡检的方法，都忽略了一类问题：在隧道狭窄的空间内，如何使得多个无人机同时执行任务且不相撞。

6、与地面飞行的宽广空间的特征不同，隧道内的空间是长且窄的，一般最多允许两个无人机相向飞行且互相避障。当有多个无人机同时在隧道内来回飞行时，飞机是非常容易相撞的。即使由系统预先规划好飞行路线，飞行路线的可选范围也是很小的。部分无人机会由于飞行路线太近而避障不及时，导致互相撞在一起。

7、尤其在突发事故发生后，例如在地震发生后，需要大量的、不同类型的无人机在隧道内往复飞行来执行不同的巡检任务，甚至为施工人员紧急配送不同的物资，以使得施工人员能够对隧道进行及时抢修。在此过程中，由于无人机只能盘旋且无法直接后退的缺陷，当相向而行的无人机拥挤在一起时，自动避障是低效的。

8、因此，本发明希望提供一种基于无人机的隧道巡检系统及方法，当需要多个无人机在隧道内往复飞行并执行不同的任务时，减少无人机的碰撞事故。

9、此外，一方面由于对本领域技术人员的理解存在差异；另一方面由于申请人做出本发明时研究了大量文献和专利，但篇幅所限并未详细罗列所有的细节与内容，然而这绝非本发明不具备这些现有技术的特征，相反本发明已经具备现有技术的所有特征，而且申请人保留在背景技术中增加相关现有技术之权利。

技术实现思路

1、无人机被普遍应用于隧道的安全巡检。当前的无人机巡检方案中，一般仅使用一个或两个无人机进行隧道巡检。在日常非紧急情况下，有充足的时间允许使用少量的无人机进行隧道巡检。但是在紧急情况下，例如在发生地震、山洪等紧急灾害的情况下，由于隧道的受灾范围大，因此隧道需要进行大范围的、精确的巡检，以便及时发现潜在的危害并快速进行维修，从而维护地铁交通第二天的正常运行。在此种情况下，使用大量各类型、各功能的无人机对隧道进行有序的应急巡检是必要的，也是未来的发展趋势。尤其是在紧急情况发生且还没有人为干预的情况下，如何使得大量无人机主动在隧道内实现有序巡检，是当前还没有被解决的问题。无人机的数量增加，必然会使得某一巡检区域的飞行路线拥挤，容易使得无人机彼此碰撞，尤其容易发生相向的碰撞。因此，如何避免无人机在隧道内拥堵且能够实现有序巡检，是本发明希望解决的问题。

2、现有技术已经出现将无人机用于隧道巡检工作中的技术方案。例如，公开号为cn110262546a的专利文献公开了一种隧道智能无人机巡检系统及方法，该技术方案通过在无人机的平台上添加多种传感器，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，并且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。然而，该技术方案中所采用的无人机避障方式并未考虑不同无人机之间的避障措施，并且其中所涉及的激光雷达主要用于对隧道墙面环境进行检测，以得出无人机飞行前进的航向角，该避障过程默认其航向角不会受到其他无人机的影响，这与实际的隧道内无人机巡检过程的避障要求不同。例如，若干无人机在面对前进过程中的障碍进行规避时，如果采取偏离预定航线进行避障时，在隧道内相对有限的空间范围内，此种避障方式将对相邻无人机的飞行产生干扰，并且无人机之间存在相互碰撞的风险。

3、针对现有技术之不足，本发明从第一方面提供一种基于无人机的隧道巡检系统，包括处理单元、终端和若干无人机；终端和若干无人机分别与处理单元通信连接；处理单元基于隧道的三维模拟场景内的设备分布情况和巡检范围统计各个飞行高度范围内的飞行宽度，并且根据飞行宽度规划在指定飞行高度范围内的飞行路线；无人机基于飞行路线飞行，拍摄隧道内的与位置坐标相关的初始图像并发送至处理单元；终端显示处理单元基于初始图像修正的三维模拟场景；其中，处理单元根据修正的三维模拟场景和飞行航线中的先锋无人机的避障次数修正与其同一飞行高度范围内的后续无人机的飞行路线。当避障次数超过预设阈值的情况下，处理单元可以将该避障位置设置为障碍区域，并且修正涉及该避障区域的其他无人机的飞行路线，使得后续的无人机绕过该避障区域或者重新选择不经过该避障区域的路线。

4、现有技术已经出现在隧道中飞行的多个无人机中设置先锋无人机以实现无人机群安全领航的技术方案。例如，公开号为cn111812583a的专利文献公开了一种无人机群定位系统和定位方法，在隧道或者洞穴中等卫星信号很差的地方，有多个无人机在里面飞行，构成一个无人机群，无人机群中在定位导航中有一个无人机作为领队，可向其他无人机发射信号告知其行走方向，以控制对队形，指定定位无人机和辅助定位无人机，该技术方案由此能够隧道或者洞穴中等卫星信号很差的地方实现精准的自动定位导航。然而，该技术方案中的领航无人机相当于通信节点，以通过与其他无人机通讯的方式实现不同无人机之间的定位，以防止无人机与通信主机无法进行信号传输的情况下失去定位目标，这与本发明将先锋无人机作为后续无人机的飞行路线的修正指标的作用不同。与上述现有技术相比，本发明的处理单元能够基于由无人机拍摄的隧道内初始图像修正的三维模拟场景和飞行航线中的先锋无人机的避障次数来修正与其同一飞行高度范围内的后续无人机的飞行路线。基于上述区别技术特征，本发明要解决的问题可以包括：如何提高三维模拟场景的准确性，并基于修正后的三维模拟场景降低无人机之间碰撞的可能性。具体地，隧道的三维模拟场景在经过紧急状态的影响后可能发生变化，例如地震等造成的设备分布状态改变等，本发明通过无人机获取的隧道内的初始图像能够对原始的三维模拟场景进行更新与修正，以为无人机群的巡检提供实时准确的环境参照。本发明通过针对隧道内的设备分布情况和巡检范围来统计飞行宽度，使得无人机能够按照隧道的宽度变化来规划飞行路线，也使得无人机能够与拍摄对象之间保持一定的检查距离，以保证采集参数的清晰度或准确度。本发明的飞行路线是按照减少无人机升降次数的方式来规划的，减少无人机的能量消耗，能够使得无人机在紧急情况下顺利完成巡检任务，减少无人机巡检的阻碍。本发明利用先锋无人机的避障次数来修改后续无人机的飞行路线，能够使得后续无人机的相撞几率减少，从而使得无人机以较短的时间完成任务，并且使得处理单元尽快对隧道的安全情况进行评估。

5、根据一个优选实施方式，处理单元根据修正后的三维模拟场景选取重点巡检对象，向无人机发送重点巡检对象的巡检角度和巡检高度，从无人机接收重点巡检对象的巡检信息。本发明对重点巡检对象的选取，有利于对重要的、疑似有问题的巡检对象进行快速、精确的检查，不需要等第一次出发的无人机返航后再进行重点巡检对象的巡检，能够节约巡检时间。

6、根据一个优选实施方式，处理单元根据隧道中的重点巡检对象的分布高度特征确定各个飞行航线的飞行高度、各个无人机之间的飞行时间间隔和/或飞行速度差异，以使得各个无人机之间的飞行高度差和/或飞行距离差大于自动避障范围。

7、与上述现有技术相比，本发明的处理单元根据隧道中不同的重点巡检对象的分布高度特征来确定各个无人机的飞行参数。基于上述区别技术特征，本发明要解决的问题可以包括：如何确定无人机在不同分布高度特征下的自动避障范围，以降低无人机的碰撞几率。具体地，重点巡检对象可能是裂隙，也可能是损坏的设备或传感器异常的巡检区域，其所在的位置的高度是不同的。若无人机依次进行巡检，就需要频繁升高和降低，这无疑会增加无人机的能量消耗。对于能量不多的无人机可能无法完成全部的巡检任务，也可能使得局部的重点巡检对象被延后巡检或者无法及时巡检。这对于处理单元的紧急评估明显是不利的。因此，本发明的规划路线的方式根据分布高度特征来选取，有利于减少无人机的碰撞几率。

8、根据一个优选实施方式，在无人机在指定隧道巡检范围内的自动避障次数大于设定阈值的情况下，处理单元通过终端展示指定隧道巡检范围内的无人机的位置分布情况，以使得工作人员通过终端向处理单元发送重点巡检对象的所在巡检区域的巡检顺序更改信息，从而以更改各个巡检区域的巡检顺序的方式来减少无人机的碰撞风险。

9、在某个巡检区域内各类无人机较多的情况下，发生碰撞的几率会明显增加。但是，处理单元自动调整巡检区域的巡检顺序，容易使得重要巡检对象被延后并导致隧道的整体情况无法被快速完成。因此，由工作人员通过终端来调整巡检区域的巡检顺序，能够减少巡检区域的巡检顺序变更对处理单元评估的影响。

10、根据一个优选实施方式，处理单元包括规划模块、图像分析模块和控制模块。规划模块用于根据隧道的三维模拟场景内的设备分布情况和巡检范围统计各个飞行高度范围内的飞行宽度；并且根据飞行宽度规划在指定飞行高度范围内的飞行路线。图像分析模块用于分析隧道内的与位置坐标相关的初始图像的图像质量来确定位置坐标的初始图像是否需要重新拍摄。规划模块用于根据图像分析模块发送的需要重新拍摄的位置坐标更新无人机的返程路线。控制模块用于根据规划模块发送的飞行路线和巡检对象控制无人机执行巡检任务。

11、本发明通过安排无人机在返程时对不合格的图像进行重新拍摄，使得无人机能够在返回时获得合格的图像。

12、根据一个优选实施方式，在紧急情况下，处理单元中的规划模块根据无人机的电量、功能规划其巡检顺序和巡检范围。当紧急情况发生时，无人机的电能是不同的。此时，处理单元需要根据无人机的电量和功能安排不同的巡检区域、巡检范围和巡检顺序，尽量通过合理的安排使得无人机通过隧道巡检获取足够的信息，以对隧道的安全进行评估。

13、根据一个优选实施方式，处理单元中的规划模块根据重点巡检对象的高度分布情况将出航路线和返程路线设置为不同的飞行高度，以使得无人机在不明显升降高度的情况下完成巡检任务。

14、在紧急情况下，极有可能发生断电的情况。即使存在预备的蓄能单元，蓄能单元存储的能量也是有限的。因此，为了使得无人机在有限电能的情况下尽可能多地获取巡检的信息，本发明将出航路线和返程路线设置为不同的飞行高度，其优势在于：使得无人机在返程路线以新的飞行高度来对重点巡检对象进行巡检，即按照位置坐标的高度对重点巡检对象的巡检顺序进行设置，这样能够减少无人机在飞行过程中的升高或降低的频率，从而减少无人机在紧急情况下的能耗。例如，当使用无人机对隧道顶部区域进行巡检时，由于隧道顶部区域不存在如隧道两侧对称的巡检区域，单次出航路线即可实现对所有顶部区域的巡检。因此，在紧急情况下，优选将电量储存相对降低的无人机用于进行隧道顶部区域的巡检过程，当其完成巡检进行返航时，能够降低飞行高度以实现对返程飞行路线上的区域进行巡检，由此显著增加了紧急状态下的隧道区域巡检效率。

15、本发明从第二方面提供一种基于无人机的隧道巡检方法，方法包括：基于隧道的三维模拟场景内的设备分布情况和巡检范围统计各个飞行高度范围内的飞行宽度；并且根据飞行宽度规划在指定飞行高度范围内的飞行路线；无人机基于飞行路线飞行，拍摄隧道内的与位置坐标相关的初始图像；终端显示基于初始图像修正的三维模拟场景；其中，处理单元根据修正的三维模拟场景和飞行航线中的先锋无人机的避障次数修正与其同一飞行高度范围内的后续无人机的飞行路线。

16、本发明的方法中利用无人机来获取紧急事故后的三维模拟场景的真实情况，并且修正三维模拟场景，使得处理单元能够根据隧道内的真实情况来合理规划无人机对重点巡检对象的飞行路线，以极高的效率完成隧道的巡检工作。

17、根据一个优选实施方式，本发明的方法还包括：根据修正后的三维模拟场景选取重点巡检对象，向无人机发送重点巡检对象的巡检角度和巡检高度。

18、本发明的方法步骤的优势在于，能够对重点巡检对象进行准确巡检，从而掌握重点巡检对象的真实物理参数，以提高隧道的安全评估的准确程度。

19、根据一个优选实施方式，本发明的方法还包括：根据隧道中的重点巡检对象的分布高度特征确定各个飞行航线的飞行高度、各个无人机之间的飞行时间间隔和/或飞行速度差异，以使得各个无人机之间的飞行高度差和/或飞行距离差大于自动避障范围。

20、本发明的方法步骤能够根据分布高度特征来合理设置无人机的飞行距离或高度差异，减少无人机的损坏，避免无人机碰撞。