一种道路检测无人机及其自动巡航方法与流程

本发明属于道路检测技术领域，具体涉及一种道路检测无人机及其自动巡航方法。

背景技术：

随着我国公路运营里程的迅速增长，道路养护任务日益繁重，如何快速、经济、有效、精确地确定问题路段，采用就近原则及时进行道路维修，对于保证行车安全、降低道路养护成本具有重要意义。

现有的道路检测设备以道路检测车为主，存在需要人员跟踪检测、检测成本高、检测范围小、检测效率受交通状况制约等缺陷。随着无人机技术的发展，其应用领域越来越多，将无人机用于道路检测已成为道路检测的新的发展方向。由于无人机通信距离的限制，目前道路检测无人机主要用于近距离的道路检测，其检测过程仍依赖于地面人为的干预和控制，该问题严重制约道路检测无人机的进一步发展和应用。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于针对现有道路检测设备存在的不足，提供一种自动化程度高、不依赖于地面工作人员控制，不受通信距离限制、可用于远距离道路检测，不妨碍道路交通、检测范围广、检测效率高的道路检测无人机。

针对上述问题，本发明提出了以下技术方案：

一种道路检测无人机，包括机架和动力系统，所述动力系统固定在机架上，其特征在于，还包括视觉系统、飞控系统、道路检测系统和地面站系统；

所述的视觉系统、道路检测系统分别与飞控系统相连接；

所述的视觉系统包括广角摄像机和视觉检测模块，所述的广角摄像机与视觉检测模块相连接，该系统用于获取道路路线相对无人机竖直方向的偏角；

所述的道路检测系统包括变焦摄像机、道路检测模块和存储模块，所述的变焦摄像机与道路检测模块、存储模块分别连接，该系统用于通过道路检测模块检测变焦摄像机拍摄的道路路面图像，判断该路面图像是否为车辆覆盖路面或者问题路面，并对问题路面进行详细检测，将车辆覆盖的路面或者问题路面的路面信息和位置信息保存在存储模块中，道路检测过程中拍摄的所有道路路面图像及其对应的位置信息也保存在存储模块中；

所述的飞控系统包括高度计、陀螺仪、磁力计、加速度计、定位模块和飞控板，其中高度计、陀螺仪、磁力计、加速度计、定位模块分别与以微控制单元为核心的飞控板相连接，该系统用于调整无人机的飞行姿态，矫正飞行偏差；同时用于根据视觉系统的探测结果，调整道路检测系统中变焦摄像机的横向拍摄角度；该系统还用于当道路检测系统判断出车辆覆盖路面或者问题路面时，调整无人机进入悬停状态，待车辆离开待检测路面或问题路面详细检测结束后，调整无人机继续飞行；

所述的地面站系统包括PC机和安装在PC机上的地面站软件，用于绘制无人机的预设航线；

所述的视觉系统、飞控系统和道路检测系统均固定在机架上。

进一步地，所述的视觉系统利用下式获取道路路线相对无人机竖直方向的偏角：

其中，为道路路线相对无人机竖直方向的偏角，d_ri为广角摄像机获取的每帧图像中道路中心位置与图像中心位置之间的横向距离；为广角摄像机的横向视角；w_i为广角摄像机每帧图像的横向宽度；ψ为无人机的横滚角，向右侧倾斜为正，向左侧倾斜为负；

进一步地，所述飞控系统调整无人机的飞行姿态，矫正飞行偏差是指：

如果无人机实际飞行位置与预设航线的偏差小于阈值D时，若则调整无人机飞行姿态向右飞行，若则调整无人机飞行姿态向左飞行；

如果无人机实际飞行位置与预设航线的偏差大于或等于阈值D时，调整无人机按照初始设定的航线飞行。

其中，无人机实际飞行位置与预设航线偏差L的计算公式为：

$L=\left|\frac{{\mathrm{Ax}}_0{s}_{lat}+{\mathrm{By}}_0{s}_{lon}+C}{\sqrt{A^2+B^2}}\right|$

其中，(x₀,y₀)为无人机实际飞行位置的经纬度坐标；s_lat为单位纬度代表的长度值；s_lon为单位经度代表的长度值；A、B、C是由初始设定航线中的当前位置坐标(x₁s_lat,y₁s_lon)和下一位置坐标(x₂s_lat,y₂s_lon)确定的直线方程Ax+By+C＝0的系数。

进一步地，所述的道路检测系统通过道路检测模块检测变焦摄像机拍摄的道路路面图像，判断该路面图像是否为车辆覆盖路面或者问题路面，并对问题路面进行详细检测是指实现以下功能：

首先，飞控系统根据视觉系统的探测结果，调整道路检测系统中变焦摄像机的横向拍摄角度来拍摄道路路面图像，其中变焦摄像机的横向拍摄角度的计算公式为：其中，d_ri为广角摄像机获取的每帧图像中道路中心位置与图像中心位置之间的横向距离，道路中心位置在图像中心位置的右侧为正，道路中心位置在图像中心位置的左侧为负；为广角摄像机的横向视角；w_i为广角摄像机每帧图像的横向宽度；

其次，若道路检测系统判断出变焦摄像机拍摄的道路路面图像为车辆覆盖路面时，飞控系统调整无人机进入悬停状态；

若道路检测系统判断出变焦摄像机拍摄的道路路面图像为问题路面时，飞控系统调整无人机进入悬停状态，将道路检测系统中变焦摄像机的镜头焦距调大，变焦摄像机进行自动对焦，获取道路的高分辨率图像，道路检测模块通过分析该高分辨率图像实现问题路面的详细检测，将变焦摄像机调回至原来的状态结束问题路面详细检测；

最后，待车辆离开待检测路面或者问题路面详细检测结束后，飞控系统调整无人机继续飞行。

进一步地，所述的无人机还包括无线数传模块或者USB接口，所述的无线数传模块包括空中模块和地面模块，所述的空中模块固定在机架上，并与飞控系统连接，所述的地面模块与地面站系统中的PC机连接，所述的USB接口与地面站系统中的PC机可匹配连接。

本发明还设计了一种道路检测无人机自动巡航方法，包括以下步骤：

步骤1，将预设航线导入无人机中；

步骤2，启动道路检测无人机，设置无人机为自动飞行模式，无人机根据飞控系统中设定的航线数据自动飞行，并在飞行过程中通过视觉系统获取道路路线相对无人机竖直方向的偏角，调整飞行姿态进行航线矫正；同时通过道路检测系统检测变焦摄像机拍摄的道路路面图像，并对问题道路路面进行详细检测，将详细检测问题路面的路面信息和位置信息保存在存储模块中，道路检测过程中拍摄的所有道路路面图像及其对应的位置信息也保存在存储模块中；

步骤3，道路检测完毕后，无人机返航。

进一步地，所述步骤2中利用下式获取道路路线相对无人机竖直方向的偏角：

其中，为道路路线相对无人机竖直方向的偏角，d_ri为广角摄像机获取的每帧图像中道路中心位置与图像中心位置之间的横向距离，道路中心位置在图像中心位置的右侧为正，道路中心位置在图像中心位置的左侧为负；为广角摄像机的横向视角；w_i为广角摄像机每帧图像的横向宽度；ψ为无人机的横滚角，向右侧倾斜为正，向左侧倾斜为负。

进一步地，所述步骤2中调整飞行姿态进行航线矫正是指：

如果无人机实际飞行位置与预设航线的偏差小于阈值D时，若则调整无人机向右飞行，若则调整无人机向左飞行；

如果无人机实际飞行位置与预设航线的偏差大于或等于阈值D时，调整无人机按照初始设定的航线飞行；

其中，无人机实际飞行位置与预设航线偏差L的计算公式为：

$L=\left|\frac{{\mathrm{Ax}}_0{s}_{lat}+{\mathrm{By}}_0{s}_{lon}+C}{\sqrt{A^2+B^2}}\right|$

其中，(x₀,y₀)为无人机实际飞行位置的经纬度坐标；s_lat为单位纬度代表的长度值；s_lon为单位经度代表的长度值；A、B、C是由初始设定航线中的当前位置坐标(x₁s_lat,y₁s_lon)和下一位置坐标(x₂s_lat,y₂s_lon)确定的直线方程Ax+By+C＝0的系数。

进一步地，所述步骤2中通过道路检测系统检测变焦摄像机拍摄的道路路面图像，并对问题道路路面进行详细检测是指：

步骤21，飞控系统根据视觉系统的探测结果，调整道路检测系统中变焦摄像机的横向拍摄角度来拍摄道路路面图像，其中变焦摄像机的横向拍摄角度的计算公式为：其中，d_ri为广角摄像机获取的每帧图像中道路中心位置与图像中心位置之间的横向距离，道路中心位置在图像中心位置的右侧为正，道路中心位置在图像中心位置的左侧为负；为广角摄像机的横向视角；w_i为广角摄像机每帧图像的横向宽度；

步骤22，若道路检测系统判断出变焦摄像机拍摄的道路路面图像为车辆覆盖路面时，飞控系统调整无人机进入悬停状态；

若道路检测系统判断出变焦摄像机拍摄的道路路面图像为问题路面时，飞控系统调整无人机进入悬停状态，将道路检测系统中变焦摄像机的镜头焦距调大，变焦摄像机进行自动对焦，获取道路的高分辨率图像，道路检测模块通过分析该高分辨率图像实现问题路面的详细检测，将变焦摄像机调回至原来的状态结束问题路面详细检测；

步骤23，待车辆离开待检测路面或者问题路面详细检测结束后，飞控系统调整无人机继续飞行。

与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：

1、本发明自动化程度高，在道路检测过程中能够按照道路路线自动飞行，不依赖于地面工作人员控制。

2、本发明在进行道路检测时将检测结果存入自身携带的存储模块中，无需与地面站通信，因此不受地面站通信距离的限制，可用于远距离道路检测。

3、本发明在空中实现道路检测，可搭载不同类型的摄像机或其他道路检测装置，利用无人机悬停功能可实现道路定点检测，在道路检测过程中不妨碍道路交通，其检测范围广、检测效率高。

综上所述，本发明自动化程度高、不依赖于地面工作人员控制，不受通信距离限制、可用于远距离道路检测，不妨碍道路交通、检测范围广、检测效率高。

附图说明

图1为本发明道路检测自动巡航无人机的系统框图；

图2为本发明道路检测自动巡航无人机的工作流程图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

本发明公开了一种道路检测无人机，包括机架和动力系统，所述动力系统固定在机架上，该无人机还包括视觉系统、飞控系统、道路检测系统和地面站系统；

所述的视觉系统、道路检测系统分别与飞控系统相连接；

如图1所示，本实施例中，所述动力系统包括电源、电调、电机和螺旋桨；

本实施例中，所述的视觉系统包括广角摄像机和以DSP TMS320DM642为核心结构的视觉检测模块，该系统用于获取无人机实际航线与道路路线之间的偏差；

本实施例中，所述的飞控系统包括MS-5611高度计、整合三轴陀螺仪与三轴加速度计的六轴MPU6000传感器、HMC5883磁力计、M8N GPS定位模块和以ATMEGA2560微控制单元为核心的飞控板，该系统用于调整无人机的飞行姿态，矫正飞行偏差；同时用于根据视觉系统的探测结果，调整道路检测系统中变焦摄像机的横向拍摄角度；该系统还用于当道路检测系统判断出车辆覆盖路面或者问题路面时，调整无人机进入悬停状态，待车辆离开待检测路面或问题路面详细检测结束后，调整无人机继续飞行；

本实施例中，所述的道路检测系统包括变焦摄像机、以DSP TMS320DM6467+FPGA EP3C25F324为核心结构的道路检测模块和SD卡存储模块，该系统用于通过道路检测模块检测变焦摄像机拍摄的道路路面图像，判断该路面图像是否为车辆覆盖路面或者问题路面，并对问题路面进行详细检测，将车辆覆盖的路面或者问题路面的路面信息和位置信息保存在存储模块中，道路检测过程中拍摄的所有道路路面图像及其对应的位置信息也保存在存储模块中；

本实施例中，所述的地面站系统包括神州k590s PC机和安装在该PC机上的Mission Planner地面站软件，该系统用于绘制预设的无人机航线；

本实施例中，所述的动力系统、视觉系统、飞控系统和道路检测系统均固定在机架上。

其中，视觉系统利用下式获取道路路线相对无人机竖直方向的偏角：

其中，为道路路线相对无人机竖直方向的偏角，d_ri为广角摄像机获取的每帧图像中道路中心位置与图像中心位置之间的横向距离，道路中心位置在图像中心位置的右侧为正，道路中心位置在图像中心位置的左侧为负；为广角摄像机的横向视角；w_i为广角摄像机每帧图像的横向宽度；ψ为无人机的横滚角，向右侧倾斜为正，向左侧倾斜为负。

飞控系统调整无人机的飞行姿态，矫正飞行偏差是指：

预设航线为无人机提供大致的飞行路线，在实际飞行中，飞控系统会结合视觉系统的探测结果调整飞行路线，使无人机沿着实际道路的路线自动飞行，无人机在飞行时执行如下导航规则：

如果无人机实际飞行位置与预设航线的偏差小于阈值D时，若则调整无人机飞行姿态向右飞行，若则调整无人机飞行姿态向左飞行；

如果无人机实际飞行位置与预设航线的偏差大于或等于阈值D时，调整无人机按照初始设定的航线飞行。

其中，无人机实际飞行位置与预设航线偏差L的计算公式：

$L=\left|\frac{{\mathrm{Ax}}_0{s}_{lat}+{\mathrm{By}}_0{s}_{lon}+C}{\sqrt{A^2+B^2}}\right|$

其中，(x₀,y₀)为无人机实际飞行位置的经纬度坐标；s_lat为单位纬度代表的长度值；s_lon为单位经度代表的长度值；A、B、C是由初始设定航线中的当前位置坐标(x₁s_lat,y₁s_lon)和下一位置坐标(x₂s_lat,y₂s_lon)确定的直线方程Ax+By+C＝0的系数。

道路检测系统通过道路检测模块检测变焦摄像机拍摄的道路路面图像，判断该路面图像是否为车辆覆盖路面或者问题路面，并对问题路面进行详细检测是指：

首先，飞控系统根据视觉系统的探测结果，调整道路检测系统中变焦摄像机的横向拍摄角度来拍摄道路路面图像，其中变焦摄像机的横向拍摄角度的计算公式为：其中，d_ri为广角摄像机获取的每帧图像中道路中心位置与图像中心位置之间的横向距离，道路中心位置在图像中心位置的右侧为正，道路中心位置在图像中心位置的左侧为负；为广角摄像机的横向视角；w_i为广角摄像机每帧图像的横向宽度；

其次，若道路检测系统判断出变焦摄像机拍摄的道路路面图像为车辆覆盖路面时，飞控系统调整无人机进入悬停状态；

若道路检测系统判断出变焦摄像机拍摄的道路路面图像为问题路面时，飞控系统调整无人机进入悬停状态，将道路检测系统中变焦摄像机的镜头焦距调大，变焦摄像机进行自动对焦，获取道路的高分辨率图像，道路检测模块通过分析该高分辨率图像实现问题路面的详细检测，将变焦摄像机调回至原来的状态结束问题路面详细检测；

最后，待车辆离开待检测路面或者问题路面详细检测结束后，飞控系统调整无人机继续飞行。

进一步地，所述的无人机还包括无线数传模块或者USB接口，所述的无线数传模块包括空中模块和地面模块，所述的空中模块固定在机架上，并与飞控系统连接，所述的地面模块与地面站系统中的PC机连接，所述的USB接口与地面站系统中的PC机可匹配连接。本实施例中，采用3DR无线数传模块。

进一步地，所述的道路检测无人机的自动巡航方法包括以下步骤：

步骤1，将预设航线导入无人机中；

步骤2，启动道路检测无人机，设置无人机为自动飞行模式，无人机根据飞控系统中设定的航线数据自动飞行，并在飞行过程中通过视觉系统获取道路路线相对无人机竖直方向的偏角，调整飞行姿态进行航线矫正；同时通过道路检测系统检测变焦摄像机拍摄的道路路面图像，并对问题道路路面进行详细检测，将详细检测问题路面的路面信息和位置信息保存在存储模块中，道路检测过程中拍摄的所有道路路面图像及其对应的位置信息也保存在存储模块中；

步骤3，道路检测完毕后，无人机返航。

如图2所示，本实施例中，道路检测自动巡航无人机的工作过程为：首先在Mission Planner地面站软件上绘制道路检测的航线图，其次利用USB数据传输线或无线数传模块将道路检测的航线数据写入飞控系统中，然后启动道路检测自动巡航无人机，设置无人机为自动飞行模式，无人机根据飞控系统中设定的航线数据自动飞行，并在飞行过程中通过视觉系统检测飞行路线与道路路线的偏差，调整飞行姿态进行航线矫正，同时通过道路检测系统进行道路检测，将道路的状况及问题路面的路面信息和位置信息存入存储模块中，最后返航。

进一步地，步骤2中利用下式获取道路路线相对无人机竖直方向的偏角：

其中，为道路路线相对无人机竖直方向的偏角，d_ri为广角摄像机获取的每帧图像中道路中心位置与图像中心位置之间的横向距离，道路中心位置在图像中心位置的右侧为正，道路中心位置在图像中心位置的左侧为负；为广角摄像机的横向视角；w_i为广角摄像机每帧图像的横向宽度；ψ为无人机的横滚角，向右侧倾斜为正，向左侧倾斜为负。

进一步地，步骤1预设航线为无人机提供大致的飞行路线，在实际飞行中，飞控系统会结合视觉系统的探测结果调整飞行路线，使无人机沿着实际道路的路线自动飞行，无人机在飞行时执行如下导航规则：

如果无人机实际飞行位置与预设航线的偏差小于阈值D时，若则调整无人机飞行姿态向右飞行，若则调整无人机飞行姿态向左飞行；

如果无人机实际飞行位置与预设航线的偏差大于或等于阈值D时，调整无人机按照初始设定的航线飞行。

其中，无人机实际飞行位置与预设航线偏差L的计算公式：

$L=\left|\frac{{\mathrm{Ax}}_0{s}_{lat}+{\mathrm{By}}_0{s}_{lon}+C}{\sqrt{A^2+B^2}}\right|$

其中，(x₀,y₀)为无人机实际飞行位置的经纬度坐标；s_lat为单位纬度代表的长度值；s_lon为单位经度代表的长度值；A、B、C是由初始设定航线中的当前位置坐标(x₁s_lat,y₁s_lon)和下一位置坐标(x₂s_lat,y₂s_lon)确定的直线方程Ax+By+C＝0的系数。

步骤2中通过道路检测系统检测变焦摄像机拍摄的道路路面图像，并对问题道路路面进行详细检测是指：

步骤21，飞控系统根据视觉系统的探测结果，调整道路检测系统中变焦摄像机的横向拍摄角度来拍摄道路路面图像，其中变焦摄像机的横向拍摄角度的计算公式为：其中，d_ri为广角摄像机获取的每帧图像中道路中心位置与图像中心位置之间的横向距离，道路中心位置在图像中心位置的右侧为正，道路中心位置在图像中心位置的左侧为负；为广角摄像机的横向视角；w_i为广角摄像机每帧图像的横向宽度；

步骤22，若道路检测系统判断出变焦摄像机拍摄的道路路面图像为车辆覆盖路面时，飞控系统调整无人机进入悬停状态；

若道路检测系统判断出变焦摄像机拍摄的道路路面图像为问题路面时，飞控系统调整无人机进入悬停状态，将道路检测系统中变焦摄像机的镜头焦距调大，变焦摄像机进行自动对焦，获取道路的高分辨率图像，道路检测模块通过分析该高分辨率图像实现问题路面的详细检测，将变焦摄像机调回至原来的状态结束问题路面详细检测；

步骤23，待车辆离开待检测路面或者问题路面详细检测结束后，飞控系统调整无人机继续飞行。

无人机返航后，存储模块存储的内容由地面工作人员查阅，工作人员对道路检测结果进行核实，并向距离问题路面最近的道路养护单位发出通知，由该单位负责问题路面的养护工作。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。