一种用于管道机器人定位的无人机导航系统及方法与流程

技术领域

本发明涉及一种用于管道机器人定位的无人机导航系统及方法。

背景技术：

为保障石油管道运输安全，需要对石油管道进行定期的检测和维修。管道清堵机器人是清理管道的主要设备，管道清堵机器人在高强度气压、水压或油压的推动下，在管道内行走，起到对石油管道的清理和探测作用。当管道清堵机器人在管道内清理时，时常跑飞或被堵卡住，需要地面上人员快速寻找管道清堵机器人的位置，以便进行挖掘、维修和清堵等工作。目前主要方法是管道机器人内部放置低频电磁发射线圈，持续的发射极低频电磁信号，管道外工作人员手持或采用车载螺线管天线沿管道行走，寻找、接收管道机器人内部发射的电磁信号，当采集到管道内电磁信号时即确定管道清堵机器人的位置。但手持或采用车载螺线管天线行走速度较慢，在长距离管道需要快速寻找清堵机器人的情况下，效率大大下降，同时遇到不同的地形障碍物时，行走困难。采用无人机搭载电磁螺线管天线和信号处理系统进行管道清堵机器人的追踪定位是实现快速定位监测的有效方法，采用无人机载天线进行监测定位方法的首要核心任务是无人机要沿管道铺设方向飞行。因此，用于管道清堵机器人定位的无人机的飞行路径导航是实现管道清堵机器人追踪定位的前提和保证，是首先需要解决的主要问题。

技术实现要素：

针对管道清堵机器人无人机快速定位监测方法中无人机飞行路径导航问题，本发明主要公开一种能够使无人机沿石油管道铺设方向飞行的导航方法。

本发明具体方案是：一种用于管道机器人定位的无人机导航系统，包括无人机系统、管道机器人系统和地面控制平台；无人机系统包括信号检测单元、信号处理单元、数据存储模块、GPS系统、智能视觉模块、数传模块和飞行控制模块，信号处理单元分别连接信号检测单元、数据存储模块、GPS系统、智能视觉模块、数传模块和飞行控制模块；智能视觉模块包括图像传感器及其图像处理电路，信号检测单元采用螺线管磁电传感器来检测管道机器人内发射出来的电磁波以寻找和定位机器人，信号处理单元对采集到的管道机器人磁场强度信号、GPS数据等数据的读取、存储和处理，数据存储模块采用型号为MC32DTF的SD卡，用于存储所需用的地下管道GPS数据以及检测信号数据；地面控制平台包括初始飞行指令生成模块、数传模块、数据分析模块，地面控制平台作用是确定无人机工作模式，初始化飞行状态，分析无人机检测结果，生成故障报告；管道机器人系统包括在管道中运行的管道机器人，向管外发射低频电磁信号，供无人机上的电磁感应天线接收和检测，该检测信号由以AT89C2051处理器为核心的信号发生器产生的低频信号，经电压放大电路，最终通过螺线管天线向外发射低频电磁信号。

2.一种用于管道机器人定位的无人机导航方法，包括以下步骤：A、无人机进行初始化，无人机进行工作状态的自检，然后进行工作模式的选择，当接到来自地面控制平台的追踪指令以及工作模式的信号后，无人机根据设定的工作模式对管道走向进行导航寻址，确定飞行路线，追踪管道机器人；

B、管道机器人在管道中运行，不断向管外发射低频电磁信号，供无人机上的电磁感应天线接收和检测，以便对管道机器人进行定位和跟踪。该检测信号由以AT89C2051处理器为核心的信号发生器产生的低频信号，经电压放大电路，最终通过螺线管天线向外发射低频电磁信号；

C、无人机系统通过自主导航寻址，确定管道位置走向后，沿着石油管道路线飞行，由无人机上搭载的磁电传感器系统监测、寻找管内清堵机器人，检测管道机器人的工作状态以判定管道是否需要维护；

无人机飞行路径自主导航方式有两种工作模式，模式一是针对裸露于地上石油管道走向的导航，当石油管道铺设在地面以上时，主要依靠无人机智能视觉传感装置及高度传感器所采集的数据为依据，进行路径导航；模式二主要针对地下管道的导航，将管道施工所记录的管道地理位置坐标输入到无人机存储系统，利用GPS导航寻址，实现无人机的导航；

当石油管道铺设在地面以上时，按照模式一来进行无人机的导航，由图像传感器采集管道的图像信息，通过采集的管道连续图像，不断反馈到系统的处理单元，然后由单片机系统控制无人机飞行控制模块，按照管道路径进行无人机的导航飞行；当石油管道埋藏在地表以下时，此时无人机导航系统工作在模式二状态，首先把所监测石油管道施工所记录的管道地理位置坐标数据输入到无人机数据存储单元，利用GPS导航寻址，并根据已存储的管道机器人三维坐标信息实现无人机沿管道走向的飞行导航，控制系统根据管道走向的已有数据和实时的GPS数据进行对比，控制无人机的导航飞行。

D、无人机导航飞行中，当检测到管道机器人信号后，通过对磁电传感器采集的磁信号进行分析，确定管道机器人的状态；当管道机器人处于静止状态，即被卡堵时，无人机信号处理系统首先使无人机速度降低，然后提取GPS系统此时的三维坐标信息，进行坐标信息的存储，同时传到地面控制中心；当管道机器人处于行走状态时，根据实时计算出的管道机器人的速度，无人机调整飞行状态，与管道机器人以相同速度向前行驶，以达到实时定位监测、跟踪的目的。

本发明的优点在于：

在无人机飞行初始化后，根据石油管道铺设在地面以上和地面以下两种情形确定无人机飞行的导航模式，两种导航模式都能使无人机在导航系统的控制下沿着石油管道铺设方向进行飞行，实现对管道内机器人的快速精准定位。在模式一导航下，无人机根据图像传感器和高度传感器采集的数据，控制无人机的空间飞行路径。在模式二情况下，由GPS系统根据管道走向的三维地理坐标数据进行自动导航飞行。同时在无人机监测到管道机器人时，根据管道机器人的状态自动调节飞行速度，同时把管道机器人状态信息传到地面控制中心。本发明实现用于管道机器人定位的无人机的导航，为管道机器人进行实时快速定位和跟踪提供了保证，摆脱了对人的依赖，大大降低人为因素的干扰，适应性强，自动化水平较高。

附图说明

图1 为根据本发明导航检测系统的组成结构图；

图2 为根据本发明的无人机导航巡检工作流程图；

图3 为根据本发明的无人机追踪机器人过程中速度调整流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的针对管道机器人定位的无人机导航系统进行详细描述。本次的具体实施是在以本发明技术方案为前提下进行实施，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。

如图1所示，该系统主要由管道机器人系统、无人机系统和地面控制平台三大部分组成。本发明旨在发明一种用于管道机器人监测和定位的无人机自主导航方法。

工程应用中，管道机器人在管道中运行，不断向管外发射23HZ的低频电磁信号，供无人机上的电磁感应天线接收和检测，以便对管道机器人进行定位和跟踪。该检测信号由以AT89C2051处理器为核心的信号发生器产生的低频信号，经电压放大电路，最终通过螺线管天线向外发射23Hz的低频电磁信号。

在管道机器人定位和跟踪过程中，无人机沿石油管道飞行的导航根据石油管道裸露于地面还是埋藏在地下两种情况，分别采用两种不同模式对无人机的飞行进行导航。

模式一是针对裸露地上石油管道走向的导航。当石油管道铺设在地面以上时，首先由视觉传感器Arduino STM32获取连续相邻帧的图像，然后经过处理器进行计算，确定所检测管道的走向，从而对无人机在水平面飞行路径的自动导航。同时根据超声波测距模块HC-SR04，采集无人机到管道的高度信息，根据地形不同，对比采集的高度和设定的值，自动调节飞行中无人机高度的导航，实现无人机在三维空间内飞行路径的导航。

当石油管道埋藏在地表以下时，此时无人机导航系统工作在模式二状态。首先工作人员把所监测石油管道施工所记录的管道地理位置坐标数据输入到无人机数据存储单元，利用GPS导航寻址，并根据已存储的管道机器人三维坐标信息实现无人机沿管道走向的飞行导航，控制系统根据管道走向的已有数据和实时的GPS数据进行对比，控制无人机的导航飞行。

无人机上的核心处理单元主要采用以STM32F107处理器为核心的处理装置，采用串口通信，实现对检测的管道图像及高度等信号、GPS数据等数据的读取、存储和处理，控制飞行状况。无人机首先根据不同工作模式确定管道走向，规划飞行路线。其次，无人机追踪到管道机器人后，通过磁电传感器采集的信号，计算出管道机器人的状态，控制无人机以与管道机器人相同速度飞行，实现跟踪功能，并通过数传系统将预处理后的数据传输到地面控制平台。

数据存储模块采用型号为MC32DTF的SD卡，用于存储模式二所需用的地下管道GPS数据以及检测信号。同时，当无人机上传感器监测到管道机器人时，微处理器记录下管道机器人的定位坐标，通过无线通信方式传输给地面控制平台。

地面控制平台主要包括初始飞行指令生成模块、数传模块、数据分析模块。工作开始时，根据管道实际铺设情况，由工作人员确定无人机的导航模式，通过无线通信方式对无人机进行初始化，使无人机根据所设定的模式进行导航飞行。地面控制平台运用Qt4编写飞行控制软件初始化无人机，设置无人机飞行的高度、飞行速度以及飞行姿态。当初始化完毕后，无人机得到追踪指令，开始沿管道走向进行飞行。当无人机监测到管道机器人位置时，无人机向地面控制平台来反馈管道机器人的定位信息。

如图2所示，为了便于描述无人机的工作状态，通过流程图的方式，对无人机的实际工作原理进行阐述。无人机进行初始化，首先无人机进行工作状态的自检，然后进行工作模式的选择。当接到来自地面控制平台的追踪指令以及工作模式的信号后，无人机根据设定的工作模式对管道走向进行导航寻址，确定飞行路线，追踪管道机器人。如果选择模式一导航方式，就启动视觉传感器和高度传感器模块，利用图像和高度检测进行导航飞行。当不是模式一时，自动进入模式二方式，首先进行所需管道地理坐标数据的存储，无人机采用GPS导航方式进行飞行。无人机导航飞行中，当检测到管道机器人信号后，通过对磁电传感器采集的磁信号进行分析，确定管道机器人的状态。当管道机器人处于静止状态，即被卡堵时，无人机信号处理系统首先使无人机速度降低，然后提取GPS系统此时的三维坐标信息，进行坐标信息的存储，同时传到地面控制中心。当管道机器人处于行走状态时，根据实时计算出的管道机器人的速度，无人机调整飞行状态，与管道机器人以相同速度向前行驶，以达到实时定位监测、跟踪的目的。

图3为无人机导航飞行速度的控制流程图。追踪管道机器人时飞行状态的调整过程。首先，无人机初始化，根据地面工作人员的初始飞行指令，设定飞行速度，按照模式一或模式二导航飞行，沿管道走向进行检测。在飞行过程中，无人机采集单元不断进行电磁信号检测。当检测到管道机器人时，无人机对管道机器人的速度进行快速测量，同时不断调整自身速度，使其与管道机器人相同速度进行飞行。同时，无人机数据分析系统通过检测管道机器人运行的速度的变化，判断管道机器人的工作状态，判断管道机器人是处于卡堵状态还是处于行走状态，进而判断管道是否发生故障。检测管道机器人位置的快慢以及无人机的速度能否快速自我调整是实现管道故障快速定位的关键。