铁路线空中无人机自动巡查与实时图像采集传输方法
【专利说明】铁路线空中无人机自动巡查与实时图像采集传输方法 所属技术领域
[0001] 本发明涉及无人机侦查领域，具体涉及铁路线空中无人机自动巡查与实时图像采 集传输方法。
【背景技术】
[0002] 铁路线巡查是铁路线日常维护的基本工作，巡查方式可分为人工巡查、有人直升 机巡查以及无人机巡查。尽管人工巡查是最常用的巡查方式，但一直存在着效率较慢、受气 候地理环境制约等不足，机巡方式正被广泛研究与应用，尤其无人机巡查的安全高效特性， 铁路线空中无人机具有越来越大的应用价值。
[0003]目前针对铁路线空中无人机巡查的任务规划大多采用人工手动规划方式，此种方 式虽然确保了无人机的飞行安全，但是效率较低，无法满足大规模无人机巡查的需要，同时 手动规划方式很难在大区域内实现最优规划。无人机智能巡线任务规划首先需要对整个铁 道线区域内的所有重要节点构建一种数据结构，以便进行智能算法规划。
[0004] 现有的侦查视频图像的回传，大多数是基于模拟视频信号，图像不清晰，还需要一 个称为I0SD的设备，这个设备实际上就将高清摄像机的模拟视频信号与飞行参数进行叠 加回传地面，因此虽然飞机上存储的是高清图像，但回传到地面的图像是叠加了飞行状态 参数的模拟图像，而人们往往需要实时看到飞机上拍摄的高清数字图像。
[0005] 无人机系统包括了无人机机体平台、任务载荷及数据无线传输三个部分。无人机 视频数据传输应用实现的关键在于无线传输链路手段。目前的无线传输技术主要有包括以 下技术：3G 网络（CDMA2000、WCDMA、TD-SCDMA)、4G(TD-LTE 和 FDD-LTE)网络、无线局域网 (WIFI)、卫星、微波等。
[0006] 卫星和微波技术是无线视频传输的传统手段，且卫星通信技术的最大优点是服务 范围广、功能强大、使用灵活，不受地理环境和其它外部环境的影响，尤其是不受外界电磁 环境的影响。但这两种技术成本居高不下，其昂贵的初始建造费用和通讯费用常使人望而 却步，无法大面积推广。
【发明内容】
[0007] 本发明提供一种铁路线空中无人机自动巡查与实时图像采集传输方法，该方法能 够自动规划巡查航迹，支持视觉导航、图像识别与避障，能够在不受传送延迟影响的情况下 适当地改变参数，由此提高图像识别率，将卫星通信网络模式与传统通信模式融合在一起， 可解决大容量图像数据的高速交换，并具有较高的安全性。
[0008] 为了实现上述目的，本发明提供铁路线空中无人机自动巡查与实时图像采集传输 方法，该方法具体包括如下步骤：
[0009] S1.巡查线路规划模块规划巡查路线；
[0010] S2.中央处理模块启动监控程序，读取并执行上述智能规划线路，所述卫星导航模 块启动GPS导航程序；
[0011] S3.高清高倍变焦运动摄像机按照监控程序的轨迹采集视频图像，机端图像处理 模块对图像进行处理；
[0012] S4.视频图像无线发射模块，和视频图像接收模块，配合完成图像信号的无线发送 和接收；
[0013] S5.中心站点图像处理模块对接收到的图像信号进行处理，并在显示终端上显示。
[0014] 优选的，在步骤S1中，具体包括如下步骤：
[0015] S11.采用一元非线性回归预测方法，对铁道线路节点分布进行预测，生成若干条 节点线路，每条节点线路覆盖若干节点；
[0016] 该步骤S11中，首先将三维空间模型简化到二维空间模型，采用一元非线性回归 预测方法，对铁道线路节点分布进行预测；预测方式采用置信区间方式，根据历史节点数据 (响应变量）对新输入数据（解释变量）进行预测及判定。
[0017] S12.利用节点分布的临界情况，使若干条节点线路连通形成线路连通图；其中所 述临界情况包括：交叉跨越情况、多条线路距离较近平行分布情况、节点转向情况、节点分 支情况；
[0018] 该步骤S12中，若达到节点分布出现特殊情况而达到临界条件，进行临界类型判 断，并进行处理；将节点分布的临界种类分为以下几种：
[0019] 交叉跨越情况：预测区间段内出现多个点，超出了设定节点数，并且存在交叉点；
[0020] 多条线路距离较近平行分布情况：预测区间段内出现多个点，超出了设定节点数， 但无交叉点；
[0021] 节点转向情况：与预测方程相比，在预测区间内出现唯一拐点；
[0022] 节点分支情况：与预测方程相比，在预测区间内出现多个拐点。
[0023] S13.构建铁道线路巡查规划图并存储。
[0024] 步骤S11具体包括如下步骤：
[0025] S111.降维处理：对三维节点地理坐标进行降维处理转换为二维坐标；设定原A节 点三维坐标为（xt, yt, zt), xt表示节点三维空间经度坐标，y t表示节点炜度坐标，z t表示节 点所处海拔，则降维后A节点坐标为（xt，yt);
[0026] S112回归方程的确立：应用于输电线路任务规划的一元线性回归预测模型公式 如下：
[0028] 式中xt表示t时刻节点经度坐标，g表示t时刻估计炜度坐标；
[0029] S113.取回归预测步长为N，得回归方程中参数a，b的求解方程式如下：
[0031] 其中，
i N为预测移动步长；由于两基节点之间的距离在几十米甚至上 百米不等，大多数情况为连续多基以节点所组成可近似直线段。
[0032] 优选的，步骤S113中，步长N为5米-10米。
[0033] 优选的，步骤S11进一步包括步骤114 :构建预测区间，由于实际的节点所确定的 曲线方程与预测方程存在一定程度的偏差，因此对Y值进行了区间预测，即构建平均值的 预测区间，根据节点分布情况，设定显著性水平a，计算Y平均值的置信度为Ι-a的预测区 间。
[0034] 优选的，步骤S13具体包括如下步骤：
[0035] S131.建立节点矩阵，其中行列坐标表示节点号，矩阵数据为节点地理位置信息； 根据预测结果将节点分为两种类型：重要节点与非重要节点；其中重要节点包括线路起止 节点及交叉节点；非重要节点即为仅属于单一线路的内部节点；
[0036] S132.对于重要节点，构建重要节点邻接表；
[0037] S133.对于非重要节点，进行矩阵结构存储，矩阵行坐标表示所属线路，列坐标表 示节点号。
[0038] 步骤S132中，对于重要节点，由于节点数据量较大，考虑到算法存储空间及算法 效率，采用链式存储结构-邻接表。
[0039] 优选的，在步骤S2中，监控程序包括应用级程序、实时任务调度程序和外部中断 处理程序、硬件初始化程序、硬件驱动程序、CAN通信协议程序、LAN (TCP/IP)通信协议程 序，所述应用级程序与实时任务调度程序和外部中断处理程序连接，所述实时任务调度程 序和外部中断处理程序与硬件初始化程序连接，所述硬件初始化程序与硬件驱动程序连 接。
[0040] 优选的，所述应用级程序包括应用层接口程序、电源管理与电量监测程序、飞行指 示灯控制程序、安全控制程序、视觉控制程序、航迹控制程序、增稳控制程序、遥控器解码程 序、通信处理程序。
[0041] 优选的，在步骤S3中，可采用如下步骤中的一个或多个对视频图像进行处理：
[0042] S31 :数据接收单元接收包括图像编码数据和参数的图像编码流；
[0043] S32 :基于指示图像识别准确度的指标改变参数；
[0044] S33 :基于图像接收装置的环境信息改变参数；
[0045] S34 :根据运行情况改变参数；
[0046] S35 :改变解块滤波器的参数；
[0047] S36 :改变量化参数；
[0048] S37 :改变正交变换系数。
[0049] 优选的，在步骤S4中，多信道分发系统对信道进行检测，选择最优的信道，优先级 依次为：短距离无线传输，移动通信传输，卫星通信传输。
[0050] 优选的，在步骤S5中，包括如下子步骤：
[0051] S51.视频文件分割器对视频文件进行分割；
[0052] S52.视频压缩编码器对分割完成的文件进行压缩；
[0053] S53.加密装置对压缩完的视频文件进行加密操作。
[0054] 优选的，在步骤S5中，中心站点图像处理模块的解密装置对于视频文件进行解密 后，解码设备对文件进行解码，显示设备进行视频实时显示。
[0055] 本发明具有以下优点和有益效果：（1)可利用对铁路线进行智能规划，提高规划 效率，通过智能遍历算法，在铁路线路网中规划处最佳的巡视路线，满足在最短的巡视距离 情况下对区域内所有重要节点的遍历；(2)支持高清数字图像实时传回地面，满足高清数 字传输要求，支持视觉导航、障碍规避和图像目标识别跟踪，满足新技术发展要求；（3)