一种基于北斗导航的热力管网无人机智能巡检系统的制作方法

本实用新型涉及一种无人机应用领域，尤其涉及一种热力管网无人机智能巡检系统。

背景技术：

随着国家“节能减排”政策和大气污染防治行动的推进，分散的高污染小锅炉、小热电逐步由超净排放的燃煤大机组和天然气热电机组替代进行集中供热。热力管网覆盖的范围越来越大，城市与郊区以及城市之间都建成了互联互通热力管网，超长距离热力管网输送半径超过了30公里，有些管网处于荒郊野外、农田菜地、水网湿地等复杂地形区域，受传统人工巡检和常规巡检方法所限，很难做到全覆盖，巡检质量与效率较低，容易发生漏检，热力管网发生泄漏、支架滑脱、阀门故障、保温失效或者遭受意外碰撞等经常不能被及时发现。许多热用户是不能中断的，热力管网一旦发生故障引起供热中断，将对下游热用户产生较大的安全和经济影响。提高热力管网运行可靠性关键在于加强巡检的质量和效率，尽早发现管网隐患和缺陷，及时采取处置措施，避免产生较大损失。

近年来，国内外民用无人机在安全性、载荷能力方面提高很快，特别是高精度、高性能、轻型化的机载探测设备的出现，以及导航定位、测控技术的进步，极大地促进了无人机智能巡检技术的发展。目前国内无人机巡检在电力线路、石油天然气管线等领域的应用开展的相对比较成熟。将无人机应用于长距离输送热力管网巡检是一种高效、智能、全新的热力管网巡检模式，高度集中了无人机、计算机、无线通讯、定位导航、地理信息、高精度探测等诸多前沿成果，代表着热力管网巡检数字化、智能化的发展方向。随着无人机巡检的应用，热力管网巡检的发展趋势将由目前人巡为主逐步过渡到“机巡为主、人机协调”的模式。

热力管网无人机巡检主要解决位于城市远郊、野外荒山、农田水网等复杂地形区域热力管网的巡检巡查。从巡检任务要求、机载设备选型、作业成本、经济效益等方面综合分析，宜采用轻型电动多旋翼无人机的解决方案。由此开发一套由轻型电动八旋翼无人机，飞行控制与巡检设备系统，无线通讯网路，远程监控中心和智能分析诊断软件等组成的专用于长距离热力输送管网的无人机智能巡检系统。

技术实现要素：

本实用新型的目的是将无人机巡检技术应用于长距离热力输送管网运行维护管理领域，开发一套完全基于北斗卫星系统自主导航飞行的实用化无人机智能巡检系统，完全代替常规人工巡检，提升巡检的质量和效率，同时大大提升管网安全运行管理现状和技术水平。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：设计采用轻型电动八旋翼无人机作为飞行平台；设计采用微型工控机、北斗接收机、飞行控制器、无线网桥、旋转云台、可更换智能探测设备、锂电池模块构成飞行控制与巡检设备；设计采用通讯服务器、应用服务器、操作员站、智能分析诊断软件构成远程监控中心；设计采用无线网桥将无人机的飞行控制与巡检设备系统和远程监控中心连接，实现无线远程数据通讯；设计采用手持式遥控器或平板电脑作为人工遥控终端，可由人工对无人机进行可视范围的遥控。

所述的轻型电动八旋翼无人机，采用八旋翼结构，在结构中心安装电机驱动与控制模块，向外延伸对称布置四个互成90°的一级机臂，每个一级机臂端部布置两个互成90°的末级机臂，每个末级机臂端部各安装一个直流电机驱动的螺旋桨。直流电机的转速、正反转及启停由电机驱动与控制模块输出控制，设计有效飞行载荷不小于10千克，飞行速度10-20米/秒，飞行高度低于200米，抗风能力不小于3级，由大容量锂电池模块供电，续航时间不少于40分钟。

所述的飞行控制与巡检设备，集中安装在无人机结构中心下方。采用向下悬挂形式，设置两层机架和一部旋转云台，将锂电池模块、飞行控制器、无线网桥安装在第一层机架上，将微型工控机、北斗接收机安装在第二层机架上，旋转云台安装在第二层机架下方，将可更换智能探测设备安装在旋转云台上。

所述的微型工控机是无人机飞行控制与巡检设备的核心，安装有多个应用和任务管理程序，完成飞行路线规划、自主导航飞行、自动探测、数据存储与传输等综合任务。微型工控机通过不同的接口与其它飞行控制与巡检设备连接。

所述的北斗接收机，采用国产化、具有自主知识产权的北斗核心板卡，以接收北斗卫星系统信号为主，兼容全球卫星其他导航系统信号。北斗接收机通过RS232串行接口与微型工控机连接，将实时计算的无人机当前位置、速度、姿态等导航信息输出到微型工控机，用于飞行的航向、速度、高度和姿态等控制。

所述的飞行控制器通过串行接口与微型工控机连接，接收微型工控机输出的飞行航向、速度、高度和姿态等控制指令，转换成飞行模式指令，通过电机驱动与控制模块，控制八个驱动螺旋桨的直流电机的启/停和旋转方向，实现无人机的飞行航向、速度、高度和姿态的控制。

所述的可更换智能探测设备用于拍摄和发现热力管网运行的缺陷和故障，通常采用红外热成像仪为主，辅助以3D数码相机和可见光摄像机等，将实时的现场热力管网红外影像(3D影像、可见光影像)等图像由接口传输到微型工控机上，就地存储或通过无线通讯链路同步传送到远程监控中心，使用智能分析诊断软件进行筛选和识别。

所述的无线网桥是连接无人机、飞行控制与巡检设备和远程监控中心的无线通讯设备，实现无线、远程、高速通讯，能够实时传送红外或可见光影像。

所述的远程监控中心，实时接收无人机的飞行信息，能对无人机实施安全可靠的操作控制，将程控飞行转为人工遥控飞行，或是中断程控巡检任务，执行特定巡检任务。远程监控中心安装有智能分析诊断软件，能够迅速发现和识别热力管网的缺陷和故障，同时给出报警和处置建议。

本实用新型与现有技术相比，达到的有益效果是：

无人机巡检作为先进的生产工具和作业手段，与传统人工巡检方式相比具有很多无法比拟的优势；

1、受地理条件的影响较小，机动性和灵活性强，起降场地要求低，可以深入巡检人员难以到达区域；

2、巡检快速、效率高，节约大量人力成本，出动一次往返巡检10公里以上热力管网，八个小时可以巡检超过100公里热力管网，相当于5-6名巡检人员一天工作量；

3、具有自动驾驶和精确定位功能，沿管网走向自主导航飞行，实现悬停、绕飞等多种飞行姿态，对疑似故障点进行定点检测，避免漏检；

4、可更换多种智能探测设备，满足不同巡检项目要求，探测范围广，适应性强；

5、数字化程度高，飞行期间同步传送影像数据，巡检结果以电子文档保存，便于实时识别和以后复查；

6、智能化程度高，智能图像分析诊断软件可以实时识别多种隐患和缺陷，如管道法兰、阀门泄漏、保温失效、管道变形、支架滑脱等，及时报警和提示管网运行维护人员采取处置措施。

无人机智能巡检系统是一种高效便捷的巡检方式，提高了长距离热力输送管网巡检作业的质量、效率和自动化、智能化水平，代表了热力管网安全运行管理的趋势和方向，具有较好的应用前景和市场需求，能够创造更高的经济效益和社会效益。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

图1热力管网无人机智能巡检系统各部分组成示意图

图2无人机飞行控制及巡检设备系统三视图

图3无人机飞行控制与巡检设备系统各部分连接示意图

图4远程监控中心各部分组成示意图

图中1.轻型电动八旋翼无人机，2.北斗卫星系统，3.地面卫星基站，4.微型工控机，5.两层机架，6.电机驱动与控制模块，7.卫星信号，8.天线，9.北斗接收机，10.飞行控制器，11.无线网桥，12.人工遥控终端，13.可更换智能探测设备，14.长距离输送热力管网，15.旋转云台，16.飞行控制与巡检设备，17.锂电池模块，18.无线通讯，19.通讯服务器，20.远程监控中心，21.操作员站，22.螺旋桨，23.直流电机，24.机臂，25.起落架，26.热网管理人员，27.笔记本电脑，28.集线器，29.防火墙，30.应用服务器，31.DC电源，32.串行接口，33，USB接口，34.以太网接口。

具体实施方式

【实施例1】

如图1所示，基于北斗导航的热力管网无人机智能巡检系统由轻型电动八旋翼无人机1、飞行控制与巡检设备16、远程监控中心20、北斗卫星系统2、地面卫星基站3共同构成。

轻型电动八旋翼无人机1采用对称布置的八旋翼的结构形式，电机驱动与控制模块6位于无人机结构中心，与飞行控制器10连接，接收飞行控制器的控制指令，输出信号至直流电机23，控制螺旋桨的转速、正反转和启/停，从而实现飞行的航向、速度、高度和姿态控制。锂电池模块17向轻型电动八旋翼无人机和飞行控制与巡检设备供电。微型工控机通过北斗板卡显示控制接口程序得到当前的位置和速度数据，通过机载传感器得到当前的高度、姿态、剩余电力、设备状态等数据，导航管理软件实时计算当前位置与规划路线的航向、速度、高度偏差，飞行控制器通过接口程序接收航向、速度、高度计算偏差量，给出姿态、高度、速度控制指令，分解生成横滚、俯仰、偏航、悬停等飞行模式指令，进而输出调节各螺旋桨电机的信号指令，控制电机的转速、正反转和启/停，从而实现无人机的姿态、动作、速度、高度和位置控制要求。

飞行控制与巡检设备16由微型工控机4、北斗接收机9、飞行控制器10、无线网桥11、旋转云台15、可更换智能探测设备13、锂电池模块17组成，用于完成规划线路、导航定位、飞行控制、自动探测、存储和数据传送等综合飞行巡检任务。

远程监控中心20由通讯服务器19、应用服务器30、操作员站21、防火墙29、无线网桥11、集线器28以及智能分析诊断软件组成，用于完成飞行巡检全程监控和智能分析诊断任务。远程监控中心通过无线网桥11连接微型工控机4，建立无线远程数据通讯。无人机在飞行中实时发回飞行参数(包括速度、坐标、高度等)以及智能探测设备的图像数据，在接收数据信息的同时，热网管理人员可以根据需要对无人机飞行模式和飞行姿态进行调整，对智能探测设备拍摄角度进行遥控，以达到最佳观测效果。

北斗卫星系统2、地面卫星基站3、无人机上的北斗接收机9和天线8组成基于北斗卫星的导航定位系统，接收卫星和地面站信号，实时计算无人机当前位置和坐标信息，用于无人机完成飞行的导航和定位控制。

人工遥控终端12用于在某些特殊不适合无人机自主导航飞行或者热力管网上空比较复杂的区域，通过人工目视进行遥控操纵无人机飞行。

【实施例2】

如图2所示，轻型电动八旋翼无人机采用对称布置两级机臂支撑的八旋翼结构，以此保证足够的强度和有效载荷，电机驱动与控制模块6安装在结构中心，向外延伸布置四个互成90°的一级机臂24，每个一级机臂末端布置两个互成90°的末级机臂，八个末级机臂端部布置八个由直流电机23驱动的螺旋桨22。为了保证飞行的稳定性，采用中心悬挂方式，在结构中心下方设置两层机架5和一部旋转平台15，用于安装和固定各台飞行控制与巡检设备16。无人机外形尺寸为1690mm×1690mm×492mm(机臂展开，不含螺旋桨)，一级机臂长度700mm，末级机臂长度350mm，直流电机最大功率800W，螺旋桨材料为高强度工程塑料，最大有效起飞重量(海平面附近)26千克，最大功耗7KW，最大飞行速度20米/秒。

【实施例3】

如图3所示，飞行控制与巡检设备16由微型工控机4、北斗接收机9、飞行控制器10、无线网桥11、旋转云台15、可更换智能探测设备13、锂电池模块17组成。

在无人机电机驱动与控制模块6下方的第一层机架上安装固定飞行控制器10、无线网桥11、锂电池模块17设备。飞行控制器10承担无人机的飞行控制功能和飞行信息回传功能。无人机的飞行控制模式主要有姿态控制、动作控制以及速度和位置控制等，姿态控制有水平、竖直、偏航等模式，动作控制有起飞、降落、返航等模式，通过姿态、动作、速度和位置的组合，可以形成多达十余种飞行控制模式。飞行控制器10通过串行接口32分别与微型工控机4和电机驱动与控制模块6连接，接收微型工控机的飞行指令，向电机驱动与控制模块6输出控制指令。微型工控机4通过无线网桥11与远程监控中心20构成无线通讯数据链路，采用工作于5.4GHz和5.8GHz免许可频段的双频无线电系统，可实现速度高达256Mbps的宽带通信，适用于视频监控以及视频流传输等应用，通信距离可达10-15公里。大容量锂电池模块17输出多种电压的DC直流电源31，向微型工控机4、北斗接收机9、无线网桥11、飞行控制器10、无人机电机驱动与控制模块6供电。

第一层机架向下为第二层机架，安装微型工控机4和北斗接收机9。工控机采用无风扇、嵌入式、紧凑坚固的全密封铝合金箱体和大面积铝鳍散热结构，双核处理器，多个工业网络和接口，具有过流、过压、防浪涌和静电保护。微型工控机4通过RS232串行接口32与北斗接收机9连接，通过以太网接口34与无线网桥11连接，通过USB接口33连接可更换智能探测设备13和旋转云台15。微型工控机4承担无人机飞行控制、驱动智能探测设备、存储并发送数据与图像、与远程监控中心通讯等任务。北斗接收机9采用国产北斗多模高动态导航定位板卡，具有完全自主知识产权，支持BDS B1/B3、GPS L1双系统，以保证卫星信号接收的稳定性和可靠性。接收机精度高、体积小、功耗低，外接天线。

旋转云台15安装在第二层机架下方，云台采用通用型结构，可以在水平和竖直两个平面内一定角度范围内转动，以此扩大探测范围，在云台上安装固定如红外热成像仪、3D数码相机或可见光高清摄像机等可更换智能探测设备13。采用红外热成像仪，既可以作为温度测量仪，也可以作为图像记录仪，能够灵敏发现热力管网以及设备(阀门、旋转补偿器、疏水器等)表面温度细小变化，对于识别管网泄漏、阀门故障、保温失效等缺陷非常有效。采用3D数码相机用于拍摄热力管网外观和结构图像，对比相同区域不同时间段的管网外观和结构图像，能够识别细小的管网变形、移位等隐患。采用可见光高清摄像机，用于监视热力管网运行和周边自然环境等变化情况。

【实施例4】

如图4所示，远程监控中心20由通讯服务器19、应用服务器30、操作员站21、防火墙29、无线网桥11、集线器28和若干应用软件组成。远程监控中心20通过通讯服务器19、防火墙29和无线网桥11，向无人机飞行控制与巡检设备16发送控制指令，接收无人机传回的巡检图像和数据，并保存在数据库中。应用服务器30安装有无人机飞行监控软件、智能分析诊断软件。热网管理人员在操作员站21上监视无人机发回的飞行数据(包括速度、坐标、高度等)以及智能探测设备的实时巡检图像，同时根据需要，可以对无人机的飞行模式、飞行姿态进行调整，对智能探测设备拍摄的角度和焦距进行遥控，以达到对热力管网缺陷进行最佳的观测。红外图像处理分析软件将接收到的热像图进行过滤、去噪等图像处理，通过比色原理，标识温度，并沿飞行巡检管网的长度和宽度方向，绘制温度场分布图。当管道及其附属设备(旋转补偿器、疏水阀、阀门)外轮廓或背景区域如果出现高于50℃时，将其作为热点，标识为温度异常，并进行报警提示。专家智能诊断软件，用于自动识别管网故障并给出故障种类。软件采用相对温差判断法和表面温度判断法，对于经过图像处理软件筛选出的热点，判别允许温升和最高允许温度，与热力管网典型故障特征知识库关联，结合热力管网沿程温降、压降的计算，给出管道、阀门泄漏、设备故障或保温失效的故障判断和定位信息。