一种利用360°激光扫描仪导航的飞行巡视系统及方法
【专利摘要】本发明涉及一种利用360°激光扫描仪导航的飞行巡视系统及方法，系统包括分别设置在无人飞行器上的主处理模块(2)、旋翼电机拖动模块(3)、姿态检测模块(4)、无线视频模块(5)、激光扫描模块(6)和数据存储模块(7)，还包括远程控制台(9)，巡视时，姿态检测模块(4)和激光扫描模块(6)实时采集无人飞行器的高度信息和环境信息并发送给主处理模块(2)，主处理模块(2)读取数据存储模块(7)中的设定数据，并向旋翼电机拖动模块(3)发送控制信号，使无人飞行器按照设定的轨迹飞行，同时进行远程监视和控制。与现有技术相比，本发明可根据预定路径进行巡视，且具有良好的应变性，可对火灾等危险进行检测，适用于复杂室内环境。
【专利说明】
一种利用360°激光扫描仪导航的飞行巡视系统及方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种室内飞行巡视系统，尤其是涉及一种利用360°激光扫描仪导航的飞行巡视系统及方法。
【背景技术】
[0002]随着中国经济的快速腾飞，城市的规模迅速扩张，随之城市中的建筑物也正向着更大更高的方向发展，相应的在这些大型建筑中的定位和导航问题却一直没有得到解决。目前最常用最普遍的的GPS系统信号到达不了室内以及一些特别的作业场合，基于蜂窝基站定位的误差又太大，都不能为这些大型建筑内的情况提供定位服务。市面上用来进行定位导航按适用场合主要分为室内以及室外，目前室外全球定位系统大部分是由GPS或北斗导航系统进行定位，GPS导航仪的技术革新已是风起云涌，越来越人性化，但是这种定位受到很多因素的影响，地图数据精确度有限，而且GPS的好用与否还取决于其装载的地图数据，但是现代城市的发展如此迅猛，地图的数据滞后是不可避免的，再加上勘测时候不可避免的误差因素，这一切令导航精确程度大打折扣。此外易用性也不理想，目前GPS还不像手机、MP3那样易用，这也是由其自身工作原理所决定的，现下的PND型GPS大多扮演了多功能PDA的角色，除了导航还能播放音频视频乃至文本与图片，功能的繁多自然导致操作的复杂，另外，由于导航软件行业起步较晚，某些软件还存在菜单目录不合理甚至混乱的状况，也令新手无所适从。
[0003]在室外露天厂商定位很容易，因为有GPS卫星和地上运营商的通信基站，其实在GPS卫星无法穿透的购物中心也并不难一一因为国内购物中心内几乎都遍布了WIFI热点，机场、火车站、图书馆、政府办公楼以及大型购物商城中遍布的WIFI热点，完全可以充当起“小雷达”的作用，对用户进行室内定位和导航，并且利用WIFI热点进行室内定位和导航，在技术层面已经成熟。
[0004]激光产生后，经过30多年的发展，几乎是无处不在，由于其特有的一些优点，精度高、捕获目标灵活、实效成本低、抗干扰性能好、操作简单、可同时面向多个目标、结构简单等，它已经被用在生活、科研的方方面面:激光焊接、激光测距仪、激光陀螺仪、激光铅直仪、激光手术刀、激光炸弹、激光雷达、激光枪、激光炮等等，日前美国专业智能扫地机器人公司Neato已经推出了全新的BotvacD系列两款真空扫地机器人，该系列采用全新的RPS激光导航技术，专门针对硬木地板环境以及有宠物家庭使用，具有很好的实用性。
[0005]利用激光技术已经实现机器人控制，例如附图1所示的室内轮式机器人，其结构包括机器人架体以及驱动轮，机器人架体上还设有运动控制系统以及车载控制器;在机器人架体上还设有感知室内环境的环境感知传感器，环境感知传感器包括位于机器人架体内下部的超声波传感器、红外测距仪以及激光测距仪，车载控制器对超声波传感器检测的超声波距离信息、红外测距仪检测的红外距离信息以及激光测距仪检测的激光距离信息进行数据融合，并利用粒子滤波法构建地图；车载控制器在构建地图后，利用自适应蒙特卡罗定位法确定位置，并利用A*路径规划方法进行路径规划，以通过运动控制系统控制驱动轮按照规划后的路径运动。
[0006]公开号为CN102280826A的中国专利公开了一种变电站智能机器人巡检系统，包括监控中心，监控中心与至少一个变电站的站级机器人智能巡检系统通过网络连接;各站级机器人智能巡检系统包括至少一个基站，同时在变电站内还设有环境信息采集子系统以及安装在变电站内各个需要监控设备处的固定点辅助监控子系统，智能巡检机器人上设有智能巡检机器人下位机，智能巡检机器人下位机还与检测单元连接，检测单元包括红外检测单元和紫外检测单元，紫外检测单元包含紫外视频服务器和紫外检测装置。本发明巡检路径优化，安全防护好，智能化程度高，具有全时段故障检测和无缝隙视频监控的优点，为智能变电站提供全新的技术检测手段和全方位的安全保障。
[0007]但是对于地面室内巡视机器人而言有一些难以解决的技术难题。第一，室内环境狭小，难以利用GPS进行精确定位，即便可以定位，由于室内环境多变，对于GPS或者内置的地图导航也是个极大的挑战;第二，室内的物品摆放状况常常变化，有时会出现地面机器人难以通过的局面，且地面机器人难以通过楼梯或门槛等室内障碍;第三，无论地面人员还是地面巡视机器人其视线难免有死角。
【发明内容】
[0008]本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种利用360°激光扫描仪导航的飞行巡视系统及方法。
[0009]本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:
[0010]一种利用360°激光扫描仪导航的飞行巡视系统，包括无人飞行器、远程控制台以及分别设置在无人飞行器上的主处理模块、旋翼电机拖动模块、姿态检测模块、无线视频模块、激光扫描模块、数据存储模块和无线控制模块，所述的主处理模块分别与旋翼电机拖动模块、姿态检测模块、激光扫描模块、数据存储模块和无线控制模块连接，所述的远程控制台与无线视频模块远程连接，
[0011]巡视时，所述的姿态检测模块和激光扫描模块实时采集无人飞行器的高度信息和环境信息并发送给主处理模块，主处理模块读取数据存储模块中的设定数据，并向所述的旋翼电机拖动模块发送控制信号，使无人飞行器按照设定的轨迹飞行，同时，所述的无线视频模块采集图像信息并发送给远程控制台，进行远程监视，所述的远程控制台通过无线控制模块向主处理模块发送信号。
[0012]所述的系统还包括与远程控制台远程连接的红外感应模块，巡视时，所述的红外感应模块采集温度信息并发送给远程控制台。
[0013]所述的姿态检测模块包括分别与主处理模块连接的陀螺仪传感器和加速度传感器，所述的陀螺仪传感器采集飞行器俯仰角速率、横滚角速率、偏航角速率和垂直方向上的速度及加速度信息，所述的加速度传感器用于对陀螺仪传感器的测量值进行修正与补偿。
[0014]所述的无线视频模块包括分别摄像头和无线视频处理器，所述的摄像头采集巡视时的现场图像，所述的无线视频处理器与远程控制台连接，将现场图像进行编码处理并传输至远程控制台。
[0015]所述的数据存储模块内存储地图信息和设定飞行高度信息。
[0016]所述的系统还包括与主处理模块连接的无线控制模块，所述的无线控制模块与远程控制台远程连接，用于接收远程控制信号。
[0017]一种使用所述的利用360°激光扫描仪导航的巡视系统进行巡视的方法，包括以下步骤:
[0018]SI，无人飞行器从起飞点启动并竖直向上飞行；
[0019]S2，主处理模块读取数据存储模块中存储的高度信息，实时接收姿态检测模块采集的速度与加速度信息，用以计算实时高度信息，并将存储的高度信息和实时高度信息进行比较，当无人飞行器的实时高度达到设定值时，进入步骤S3;
[0020]S3，旋翼电机拖动模块根据主处理模块发送的控制命令，令无人飞行器沿数据存储模块中存储的预设轨迹飞行，同时，无线视频模块采集图像信息并发送给远程控制台，姿态检测模块和激光扫描模块实时采集位置信息和环境信息并发送给主处理模块，主处理模块将接收到的位置信息和环境信息与数据存储模块中存储的地图信息和预设轨迹进行比对，若比对结果吻合，则返回步骤S3，直到飞行结束，否则进入步骤S4;
[0021]S4，数据存储模块对地图信息进行更新，并返回步骤S3。
[0022]所述的数据存储模块中存储的地图信息于无人飞行器第一次飞行时采集。
[0023]所述的步骤S3中，远程控制台根据接收到的图像信息判断是否出现异常，若出现异常，则通过无线控制模块向主处理模块发送信号，进行遥控巡视。
[0024]与现有技术相比，本发明具有以下优点:
[0025](I)实时采集无人飞行器的高度信息和环境信息并发送给主处理模块，主处理模块读取数据存储模块中的设定数据，并向旋翼电机拖动模块发送控制信号，使无人飞行器按照设定的轨迹飞行，远程控制台通过无线控制模块向主处理模块发送信号，可通过对路径的设计，使飞行器到达每个重点巡视点，适用于室内复杂环境。
[0026](2)实时检测环境信息进行比对，若比对结果不吻合，则更新地图信息，以方便后续进行设定路径的优化。
[0027](3)激光扫描模块可实现360°全方位扫描，快速获取准确的地图信息。
[0028](4)无线视频模块采集图像信息并发送给远程控制台，进行远程监视，远程控制台可对无人飞行器的飞行进行远程控制，应对突发事件。
[0029](5)红外感应模块采集温度信息并发送给远程控制台，可检测到危险情报，防止火灾事故。且红外感应模块可远程测量温度，无须靠近危险物。
【附图说明】
[0030]图1为现有的变电站智能机器人巡检系统结构示意图；
[0031 ]图2为本发明的巡视系统结构示意图；
[0032]图3为本发明的巡视方法流程图；
[0033]图4为本实施例的巡视方法流程图；
[0034]附图标记:
[0035]01-底盘、02-执行层、03-感知层、04-控制层、05-负载层、06-隔板立柱、07-中间隔板、08-托盘、09-摄像头、010-辅助轮、011-电机驱动器、012-托盘立柱。
【具体实施方式】
[0036]下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
[0037]实施例
[0038]如图2所示，一种利用360°激光扫描仪导航的飞行巡视系统，包括无人飞行器、远程控制台9以及分别设置在无人飞行器上的主处理模块2、旋翼电机拖动模块3、姿态检测模块4、无线视频模块5、激光扫描模块6、数据存储模块7和无线控制模块8，主处理模块2分别与旋翼电机拖动模块3、姿态检测模块4、激光扫描模块6、数据存储模块7和无线控制模块8连接，远程控制台9与无线视频模块5远程连接，
[0039]巡视时，姿态检测模块4和激光扫描模块6实时采集无人飞行器的高度信息和环境信息并发送给主处理模块2，主处理模块2读取数据存储模块7中的设定数据，并向旋翼电机拖动模块3发送控制信号，使无人飞行器按照设定的轨迹飞行，同时，无线视频模块5采集图像信息并发送给远程控制台9，进行远程监视，远程控制台9通过无线控制模块8向主处理模块2发送信号。
[0040]系统还包括与远程控制台9远程连接的红外感应模块10，巡视时，红外感应模块10采集温度信息并发送给远程控制台9。
[0041 ]姿态检测模块4包括分别与主处理模块2连接的陀螺仪传感器和加速度传感器，陀螺仪传感器采集飞行器俯仰角速率、横滚角速率、偏航角速率和垂直方向上的速度及加速度信息，加速度传感器用于对陀螺仪传感器的测量值进行修正与补偿。
[0042]无线视频模块5包括分别摄像头和无线视频处理器，摄像头采集巡视时的现场图像，无线视频处理器与远程控制台9连接，将现场图像进行编码处理并传输至远程控制台9。
[0043]数据存储模块7内存储地图信息和设定飞行高度信息。
[0044]系统还包括与主处理模块2连接的无线控制模块8，无线控制模块8与远程控制台9远程连接，用于接收远程控制信号。
[0045]如图3所示，一种使用利用360°激光扫描仪导航的巡视系统进行巡视的方法，包括以下步骤:
[0046]SI，无人飞行器从起飞点启动并竖直向上飞行；
[0047]S2，主处理模块2读取数据存储模块7中存储的高度信息，实时接收姿态检测模块4采集的实时高度信息，并将存储的高度信息和实时高度信息进行比较，当无人飞行器的实时高度达到设定值时，进入步骤S3;
[0048]S3，旋翼电机拖动模块3根据主处理模块2发送的控制命令，令无人飞行器沿数据存储模块7中存储的预设轨迹飞行，同时，无线视频模块5采集图像信息并发送给远程控制台9，姿态检测模块4和激光扫描模块6实时采集位置信息和环境信息并发送给主处理模块2，主处理模块2将接收到的位置信息和环境信息与数据存储模块7中存储的地图信息和预设轨迹进行比对，若比对结果吻合，则返回步骤S3，直到飞行结束，否则进入步骤S4;
[0049]步骤S3中，主处理模块2根据当前的位置信息，在预设轨迹上找到该位置，读取地图上该位置的环境信息，并使用图像匹配算法，将该环境信息与当前的环境信息进行比对，若比对结果不一致，说明实际环境信息有变化，需要及时更新；
[0050]S4，数据存储模块7对地图信息进行更新，并返回步骤S3。
[0051]数据存储模块7中存储的地图信息于无人飞行器第一次飞行时采集，并通过建模获得。
[0052]步骤S3中，远程控制台9根据接收到的图像信息判断是否出现异常，若出现异常，则通过无线控制模块8向主处理模块2发送信号，进行遥控巡视。
[°°53] 详细流程如图4所示，具体包括:
[0054](I)启动处在设定好的室内起飞点处的飞行器；
[0055](2)飞行器的主处理模块2读取数据存储模块7内存储的地图信息和高度信息；
[0056](3)飞行器的主处理模块2向旋翼电机拖动模块3发送控制命令，控制飞行器沿着垂直方向飞行；
[0057](4)飞行器的姿态检测模块4、激光扫描模块6实时采集飞行器的速度与加速度信息和位置信息；
[0058](5)飞行器的主处理模块2将计算出来的飞行器实时高度信息与数据存储模块7内所读取的高度信息进行比较，当飞行器的实时高度信息达到数据存储模块7内所读取的高度信息时，执行下一步骤，否则返回步骤(3);
[0059](6)飞行器的主处理模块2向旋翼电机拖动模块3发送控制命令，控制飞行器按照地图信息中规划好的路线飞行；
[0060](7)飞行器的无线视频模块5实时拍摄室内道路上的图像信息，并将图像信息发送给远程控制台9，进行远程监视，同时红外感应模块10收集温度信息以预备火警；
[0061](8)飞行器的姿态检测模块4、激光扫描模块6实时采集飞行器的高度信息和位置信息；
[0062](9)当飞行器捕捉到某些状况(包括无线视频模块5捉到的影像，激光扫描模块6发现地图信息不符，红外感应模块10发现异常高温)，则传送信息至远程控制台9报警，若远程控制台9未回馈新指令进行人工遥控，则执行下一步骤；
[0063](10)飞行器的主处理模块2将飞行器的实时位置信息与数据存储模块7内所读取的终点位置信息进行比较，当飞行器的实时位置信息与数据存储模块7内所读取的终点位置信息相吻合时，执行下一步骤，否则返回步骤(2);
[0064](11)飞行器结束巡视，自动检查电量，若剩余电量不足以继续巡视，则警示远程控制台9，否则等待新命令。
[0065]主处理模块通过激光扫描仪获取环境信息与位置信息，同时确定前进路线，结合姿态检测模块中的惯性导航仪等控制飞行器完成对室内的巡视作业，解决因人工成本上升产生的人力巡视障碍，同时弥补地面巡视机器人在面对室内多变环境以及地面障碍造成的巡视死角，监视人员可以在监控室内完成监控，保证在高质量地完成巡视任务的前提下，实现人力物力的较少投入，大大提高了巡视监控人员工作效率，保证了巡视的可靠性。
【主权项】
1.一种利用360°激光扫描仪导航的飞行巡视系统，包括无人飞行器，其特征在于，还包括远程控制台(9)以及分别设置在无人飞行器上的主处理模块(2)、旋翼电机拖动模块(3)、姿态检测模块(4)、无线视频模块(5)、激光扫描模块(6)、数据存储模块(7)和无线控制模块(8)，所述的主处理模块(2)分别与旋翼电机拖动模块(3)、姿态检测模块(4)、激光扫描模块(6)、数据存储模块(7)和无线控制模块(8)连接，所述的远程控制台(9)与无线视频模块(5)远程连接， 巡视时，所述的姿态检测模块(4)和激光扫描模块(6)实时采集无人飞行器的高度信息和环境信息并发送给主处理模块(2)，主处理模块(2)读取数据存储模块(7)中的设定数据，并向所述的旋翼电机拖动模块(3)发送控制信号，使无人飞行器按照设定的轨迹飞行，同时，所述的无线视频模块(5)采集图像信息并发送给远程控制台(9)，进行远程监视，所述的远程控制台(9)通过无线控制模块(8)向主处理模块(2)发送信号。2.根据权利要求1所述的一种利用360°激光扫描仪导航的飞行巡视系统，其特征在于，所述的系统还包括与远程控制台(9)远程连接的红外感应模块(10)，巡视时，所述的红外感应模块(10)采集温度信息并发送给远程控制台(9)。3.根据权利要求1所述的一种利用360°激光扫描仪导航的飞行巡视系统，其特征在于，所述的姿态检测模块(4)包括分别与主处理模块(2)连接的陀螺仪传感器和加速度传感器，所述的陀螺仪传感器采集飞行器俯仰角速率、横滚角速率、偏航角速率和垂直方向上的速度及加速度信息，所述的加速度传感器用于对陀螺仪传感器的测量值进行修正与补偿。4.根据权利要求1所述的一种利用360°激光扫描仪导航的飞行巡视系统，其特征在于，所述的无线视频模块(5)包括分别摄像头和无线视频处理器，所述的摄像头采集巡视时的现场图像，所述的无线视频处理器与远程控制台(9)连接，将现场图像进行编码处理并传输至远程控制台(9)。5.根据权利要求1所述的一种利用360°激光扫描仪导航的飞行巡视系统，其特征在于，所述的数据存储模块(7)内存储地图信息和设定飞行高度信息。6.根据权利要求1所述的一种利用360°激光扫描仪导航的飞行巡视系统，其特征在于，所述的系统还包括与主处理模块(2)连接的无线控制模块(8)，所述的无线控制模块(8)与远程控制台(9)远程连接，用于接收远程控制信号。7.—种使用如权利要求2所述的利用360°激光扫描仪导航的巡视系统进行巡视的方法，其特征在于，包括以下步骤: SI，无人飞行器从起飞点启动并竖直向上飞行； S2，主处理模块(2)读取数据存储模块(7)中存储的高度信息，实时接收姿态检测模块(4)采集的速度与加速度信息，用以计算实时高度信息，并将存储的高度信息和实时高度信息进行比较，当无人飞行器的实时高度达到设定值时，进入步骤S3 ； S3，旋翼电机拖动模块(3)根据主处理模块(2)发送的控制命令，令无人飞行器沿数据存储模块(7)中存储的预设轨迹飞行，同时，无线视频模块(5)采集图像信息并发送给远程控制台(9)，姿态检测模块(4)和激光扫描模块(6)实时采集位置信息和环境信息并发送给主处理模块(2)，主处理模块(2)将接收到的位置信息和环境信息与数据存储模块(7)中存储的地图信息和预设轨迹进行比对，若比对结果吻合，则返回步骤S3，直到飞行结束，否则进入步骤S4; S4，数据存储模块(7)对地图信息进行更新，并返回步骤S3。8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述的步骤S3中，所述的数据存储模块(7)中存储的地图信息于无人飞行器第一次飞行时采集。9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述的步骤S3中，远程控制台(9)根据接收到的图像信息判断是否出现异常，若出现异常，则通过无线控制模块(8)向主处理模块(2)发送信号，进行遥控巡视。
【文档编号】G05D1/10GK106052695SQ201610552914
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年7月14日
【发明人】程鹏展, 何法江, 党淑雯, 王康乐
【申请人】上海工程技术大学