一种基于UWB的无人机室内管道检测图像采集方法与流程

本发明属于人工智能领域，特别涉及利用人工智能技术进行室内检测的方法。

背景技术：

现有的技术中，无人机飞行多采用gps定位系统和视觉导航定位系统，在室内gps信号弱和光线环境较差的情况下，无人机室内飞行偏差较大。且目前室内管道检测多使用传统的人工巡检，通过人工观察并手动记录管道状况。由于工作量巨大以及管道环境的复杂性，很难保证巡检人员的安全和巡检的准确性。

现有技术中存在如下缺陷：第一，现有的技术中无人机飞行采用gps定位系统与视觉导航定位系统结合的方式进行实时定位。gps定位系统受信号强弱的限制，在室内和一些信号干扰强的地方误差比较大，定位偏差较为明显，由于gps定位系统受美国军方控制，在特殊情况下会出现gps定位无法使用的情况，以至于无人机飞行不受控，航线无法准确控制；第二，视觉导航系统受光线影响较大，在较暗的环境以及室内犄角位置，仅依靠视觉导航定位系统无人机在室内飞行无法实现精准定位；第三，依靠人工对待检测管道区图像采集，由于工作量巨大，难免产生人为的操作失误，对检测带来一定的影响，同时，人工检测会存在很大的安全隐患问题。

技术实现要素：

本发明提供一种基于uwb的无人机室内管道检测图像采集方法，以弥补现有无人机导航定位的不足之处。

本发明的目的是这样实现的：一种基于uwb的无人机室内管道检测图像采集方法，包括如下步骤：

s1、设置一无人机、三个uwb基站以及一上位机，其中，三个uwb基站以空间分布的方式固定设置在被检测室内，以形成三个固定的坐标,在所述无人机上搭载摄像设备、uwb标签、照射光源、视觉导航系统与gps定位系统，所述摄像设备、视觉导航系统、gps定位系统与uwb标签形成信号连接，所述uwb标签与三个uwb基站形成信号连接，三个uwb基站与上位机形成信号连接，其中uwb标签与无人机的机载处理器相结合并形成耦合；

s2、构造室内三维坐标地图，协同利用无人机、uwb基站、上位机来复刻室内三维立体图，并将室内管道排布形态等比例缩放显示在上位机中，并在上位机的屏幕中显示无人机的实时位置，以及无人机的摄像设备传回的图像；

s3、利用无人机的视觉导航系统、gps定位系统对待检测管道位置进行大致定位；

s4、利用无人机的照射光源照亮待检测管道所处的区域，然后利用uwb标签的定位信息对待检测管道进行辅助定位，根据无人机搭载的摄像设备传回的图像来引导无人机自动靠近待检测管道，以进行进一步的拍摄。

进一步地，在s2-s4步骤中，无人机、uwb基站、上位机在协同工作时，运作无人机的机载处理器，使得uwb标签向uwb基站发出脉冲信号，uwb基站将脉冲信号传递给上位机，利用上位机计算无人机的实时坐标，判断无人机是否精准定位在待拍摄位置，若是，上位机的显示屏幕显示无人机的实时位置，若否，则激发uwb标签再次向uwb基站发出脉冲信号。

进一步地，在计算无人机的实时坐标过程中，先采用双向飞行时间法计算无人机的uwb标签与各uwb基站的间距，如公式(1)所示：

s＝c×[(to2-to1)-(tb2-tb1)](1)；

式中：c表示光速，to1表示uwb基站发射脉冲信号的时间戳，to2表示uwb基站接收脉冲信号的时间戳，tb2表示uwb标签发射响应脉冲信号的时间戳，tb1表示uwb标签接收脉冲信号的时间戳。

进一步地，所述uwb标签与各uwb基站的间距解算完成后，通过三边测量法解算搭载uwb标签的无人机实时坐标位置，所述三边测量法包括公式(2)：

式中：标记三个uwb基站为a、b、c点，设为坐标a(xa,ya)、b(xb,yb)、c(xc,yc),以三个基准节点为圆心做圆交于d点，将d点作为uwb标签所处的节点，da、db、dc为d点与各基准节点之间的距离；

所述三边测量法还包括公式(3)：

(3)；以求得uwb标签所处的节点d(x,y)。

本发明的有益效果包括：

1、采用本发明公开的方法，能够有效提高无人机飞行对于特定管道图像采集的精准度，减小无人机定位误差，提高无人机室内管道检测图像采集的可靠性；

2、通过将一部分uwb超宽带处理技术载入无人机机载处理器，并在室内信号弱以及视觉环境差的时段，带有uwb标签的无人机飞行时向uwb基站反馈收发信号，以获得无人机精准位置，从而使得无人机定位精度大幅度提高。

附图说明

图1是本发明的主要流程图。

图2是三边测量法的原理图。

具体实施方式

如图1所示，一种基于uwb的无人机室内管道检测图像采集方法，包括如下步骤：

s1、设置一无人机、三个uwb基站以及一上位机，其中，三个uwb基站以空间分布的方式固定设置在被检测室内，以形成三个固定的坐标,在所述无人机上搭载摄像设备、uwb标签、照射光源、视觉导航系统与gps定位系统，所述摄像设备、视觉导航系统、gps定位系统与uwb标签形成信号连接，所述uwb标签与三个uwb基站形成信号连接，三个uwb基站与上位机形成信号连接，其中uwb标签与无人机的机载处理器相结合并形成耦合；

s2、构造室内三维坐标地图，协同利用无人机、uwb基站、上位机来复刻室内三维立体图，并将室内管道排布形态等比例缩放显示在上位机中，并在上位机的屏幕中显示无人机的实时位置，以及无人机的摄像设备传回的图像；

s3、利用无人机的视觉导航系统、gps定位系统对待检测管道位置进行大致定位；

s4、利用无人机的照射光源照亮待检测管道所处的区域，然后利用uwb标签的定位信息对待检测管道进行辅助定位，根据无人机搭载的摄像设备传回的图像来引导无人机自动靠近待检测管道，以进行进一步的拍摄。

s4步骤中,对无人机的飞行控制是根据无人机搭载的摄像设备传回的图像进行的，根据传回的图像，操控人员可直接获知无人机与待检测管道之间的大概距离，无需具体的距离数值，只要根据图像上待检测管道的大小即可知晓无人机与待检测管道之间的大概距离，然后依待检测管道的图像，通过遥控器向无人机的飞控系统发出控制指令，进一步地精确控制无人机与待检测管道之间的距离，感觉距离合适后可立即向无人机搭载的摄像设备发出拍摄指令，从而拍摄到最为清晰的待检测管道的画面；因此，整个过程中，操控人员无需直接看见无人机即可对无人机的进行操控。

在s2-s4步骤中，无人机、uwb基站、上位机在协同工作时，运作无人机的机载处理器，使得uwb标签向uwb基站发出脉冲信号，uwb基站将脉冲信号传递给上位机，利用上位机计算无人机的实时坐标，判断无人机是否精准定位在待拍摄位置，若是，上位机的显示屏幕显示无人机的实时位置，若否，则激发uwb标签再次向uwb基站发出脉冲信号。

在计算无人机的实时坐标过程中，先采用双向飞行时间法计算无人机的uwb标签与各uwb基站的间距，如公式(1)所示：

s＝c×[(to2-to1)-(tb2-tb1)](1)；

式中：c表示光速，to1表示uwb基站发射脉冲信号的时间戳，to2表示uwb基站接收脉冲信号的时间戳，tb2表示uwb标签发射响应脉冲信号的时间戳，tb1表示uwb标签接收脉冲信号的时间戳。

所述uwb标签与各uwb基站的间距解算完成后，通过三边测量法解算搭载uwb标签的无人机实时坐标位置，所述三边测量法包括公式(2)：

式中：如图2所示，标记三个uwb基站为a、b、c点，设为坐标a(xa,ya)、b(xb,yb)、c(xc,yc),以三个基准节点为圆心做圆交于d点，将d点作为uwb标签所处的节点，da、db、dc为d点与各基准节点之间的距离；

所述三边测量法还包括公式(3)：

(3)；以求得uwb标签所处的节点d(x,y)。

通过双向飞行时间法与三边测量法解算搭载uwb标签的无人机精准坐标位置，可以实现对于特定管道检测节点的精准定位，以便于实现待测管道节点图像采集。

其中，uwb基站与uwb标签均以stm32f105芯片作为处理器，dwm1000模块作为无线收发芯片。为减小无线信号非视距(nlos)传播影响，算法上先利用卡尔曼滤波模型对原始测距信息进行平滑滤波处理，再采用到达时间差算法(tdoa)进行定位计算。针对硬件时延，通过时延标校后，可实现基站与标签测距精度达到±10cm范围，实现厘米定位，可应用于无人机室内飞行测试。

值得说明的是，虽然前述内容已经参考若干具体实施方式描述了本发明创造的精神和原理，但是应该理解，本发明并不限于所公开的具体实施方式，对各方面的划分也不意味着这些方面中的特征不能组合，这种划分仅是为了表述的方便。本发明旨在涵盖所附权利要求的精神和范围内所包括的各种修改和等同布置。