基于多源信息融合的隧道全息巡检无人机装置及方法

1.本发明涉及隧道巡检技术领域，尤其是涉及一种基于多源信息融合的隧道全息巡检无人机装置及方法。


背景技术：

2.随着我国基础设施建设的不断发展，大量公路隧道、铁路隧道、水工隧洞、城市地铁隧道等正处于在建或拟建中，在隧道这种封闭的工业场景中，为了保证生产和作业的安全，必须定期进行隧道巡检。传统的隧道巡检方式依赖于人力完成，以常规的隧道二衬检测为例，隧道现场往往需要控制工程车辆进出，然后采用机械托举工人到隧道二衬壁面，工人再托举地质雷达沿二衬表面进行扫描探测，不仅巡检效率低、巡检效果差、影响隧道施工工序，而且还面临一定的安全风险，当二衬壁面存在钢筋出露、通风管道等时甚至还会导致二衬检测难以完成。


技术实现要素：

3.本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出基于多源信息融合的隧道全息巡检无人机装置，提高效率及效果，并提高适应性。
4.根据本发明实施例的基于多源信息融合的隧道全息巡检无人机装置，包括：无人机，所述无人机包括机体、驱动系统和旋翼，所述驱动系统和所述旋翼安装于所述机体，所述驱动系统与所述旋翼动力耦合连接；辅助飞行系统，所述辅助飞行系统安装于所述机体，与所述驱动系统通信连接，用于确定所述无人机的三维坐标信息和目标航线；全息探测系统，所述全息探测系统与所述辅助飞行系统通信连接，用于获取隧道的扫描信息及确定风险点；远程控制系统，所述驱动系统、所述辅助飞行系统和所述全息探测系统均与所述远程控制系统通信连接，所述远程控制系统用于控制所述无人机的工作。
5.根据本发明实施例的基于多源信息融合的隧道全息巡检无人机装置，通过利用无人机代替人工进行巡检，提高巡检效率及效果，并提高对不同工作环境的适应性。
6.在一些实施例中，所述辅助飞行系统包括：定位模块，所述定位模块用于确定所述无人机的三维坐标信息；航线规划模块，所述航线规划模块与所述定位模块通信连接，用于基于所述无人机的三维坐标信息以及起点和终点的三维坐标信息，确定目标航线；防撞模块，所述防撞模块用于防护所述无人机。
7.在一些实施例中，所述定位模块包括：bds模块、gps模块和ins模块，所述全息探测系统与所述定位模块通信连接，所述定位模块用于结合所述全息探测系统获得隧道里程信息，修正所述无人机的三维坐标信息。
8.在一些实施例中，所述防撞模块包括：物理防撞模块，所述物理防撞模块包覆所述旋翼；和/或，所述防撞模块包括：飞行避障模块，所述飞行避障模块包括：超声波探测器、激光雷达及毫米波雷达，所述飞行避障模块综合所述超声波探测器、所述激光雷达及所述毫米波雷达探测的信息以防护所述无人机。
9.在一些实施例中，所述全息探测系统包括：扫描模块，安装于所述机体，用于获取隧道的图像信息和三维信息；物探模块，安装于所述机体，用于获取二衬壁后物探图像深度信息，并结合图像识别技术确定二衬壁后异常区；成像模块，所述成像模块与所述扫描模块和所述物探模块通信连接，用于基于多源信息融合技术和图像识别技术确定隧道轮廓立体图像并形成隧道三维全息动态交互图像。
10.在一些实施例中，所述扫描模块包括：rgbd全景摄像头，安装于所述机体，用于扫描所述隧道轮廓并生成三维隧道实况模型，所述三维隧道实况模型包括景深信息；激光雷达，安装于所述机体，用于扫描所述隧道轮廓并生成隧道三维坐标模型，所述隧道三维坐标模型包括坐标信息及距离信息。
11.在一些实施例中，所述物探模块包括：空气耦合雷达，所述空气耦合雷达可枢转地安装于所述机体，用于获取所述二衬壁后物探图像深度信息。
12.在一些实施例中，所述定位模块与所述扫描模块通信连接，还用于确定裂缝的三维坐标信息及隧道里程信息；所述定位模块与所述物探模块通信连接，还用于确定异常区的三维坐标信息及隧道里程信息。
13.在一些实施例中，所述远程控制系统包括：5g通讯模块，所述5g通讯模块用于所述驱动系统与控制室的通讯；动态交互模块，安装于所述控制室，用于与用户交互。
14.根据本发明实施例的隧道检查的方法，采用上述基于多源信息融合的隧道全息巡检无人机装置，所述方法包括：检查无人机；确定所述无人机航行起讫点，选择自动规划航线模式或人工规划航线模式；启动所述无人机并控制所述无人机悬停于起点坐标，调整所述无人机的三维位置，标定隧道里程，调整全息探测系统的工作状态，确定目标航线及测线；启动辅助飞行系统，控制所述无人机沿所述航线移动进行巡检；控制所述无人机沿所述航线返回起讫点同时进行所述测线的复测；或，控制无人机对重点区域进行复测；存储扫描信息。
15.本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
16.本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
17.图1为本发明实施例中基于多源信息融合的隧道全息巡检无人机装置的构成图；
18.图2为本发明实施例中采用基于多源信息融合的隧道全息巡检无人机装置进行隧道检查的方法的流程图。
19.附图标记：
20.100、基于多源信息融合的隧道全息巡检无人机装置；
21.10、辅助飞行系统；11、定位模块；111、bds模块；112、gps模块；113、ins模块；12、航线规划模块；13、防撞模块；131、物理防撞模块；132、飞行避障模块；1321、超声波探测器；1322、激光雷达；1323、毫米波雷达；
22.20、全息探测系统；21、扫描模块；211、rgbd全景摄像头；22、物探模块；221、空气耦合雷达；23、成像模块；
23.30、远程控制系统；31、5g通讯模块；32、动态交互模块。
具体实施方式
24.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
25.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
26.此外，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征，用于区别描述特征，无顺序之分，无轻重之分。
27.在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
28.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
29.下面结合附图描述本发明实施例的基于多源信息融合的隧道全息巡检无人机装置100。
30.如图1所示，根据本发明实施例的基于多源信息融合的隧道全息巡检无人机装置100，包括：无人机、辅助飞行系统10、全息探测系统20及远程控制系统30。
31.无人机包括机体、驱动系统和旋翼，驱动系统和旋翼安装于机体，驱动系统与旋翼动力耦合连接。
32.例如，无人机为多旋翼无人机，其具有结构简单、机动性能好、能垂直起降和定点盘旋等优点。
33.辅助飞行系统10安装于机体，与驱动系统通信连接，用于确定无人机的三维坐标信息和目标航线。
34.全息探测系统20与辅助飞行系统10通信连接，用于获取隧道的扫描信息及确定风险点。
35.其中，风险点为隧道内的缺陷点，例如壁面裂缝、墙壁后孔洞等等。
36.驱动系统、辅助飞行系统10和全息探测系统20均与远程控制系统30通信连接，远程控制系统30用于控制无人机的工作。
37.根据本发明实施例的基于多源信息融合的隧道全息巡检无人机装置100，通过利用无人机代替人工进行巡检，提高巡检效率及效果，并且无人机可以跨越不同的工作环境，例如壁面存在钢筋出露导致工程车辆无法行走，或者通风管道等较小空间，提高了对不同工作环境的适应性。
38.在一些实施例中，辅助飞行系统10包括：定位模块11、航线规划模块12及防撞模块
13。
39.定位模块11用于确定无人机的三维坐标信息。
40.航线规划模块12与定位模块11通信连接，用于基于无人机的三维坐标信息以及起点和终点的三维坐标信息，确定目标航线。具体地，航线规划模块12自动生成多条预设航线，并自动选择最优航线为目标航线。
41.防撞模块13用于防护无人机。
42.在一些实施例中，定位模块11包括：bds(北斗卫星导航系统)模块111、gps模块112和ins(惯性导航系统)模块113，全息探测系统20与定位模块11通信连接，定位模块11用于结合全息探测系统20获得隧道里程信息，修正无人机的三维坐标信息。
43.其中，定位模块11综合bds模块111、gps模块112和ins模块113三者的定位信息，从而使得定位模块11确定的无人机的三维坐标信息更加准确。
44.进一步地，全息探测系统20与定位模块11通信连接，定位模块11用于结合全息探测系统20获得隧道里程信息，修正无人机的三维坐标信息，例如通过下文的rgbd全景摄像头211拍摄的隧道里程信息，修正无人机的三维坐标信息，从而使得三维坐标信息更加准确。
45.在一些实施例中，防撞模块13包括：物理防撞模块131和/或飞行避障模块132。例如，一些实施例中，物理防撞模块131和飞行避障模块132均存在；或者，在一些实施例中，物理防撞模块131单独存在；或者，在一些实施例中，飞行避障模块132单独存在。
46.物理防撞模块131包覆旋翼。
47.例如，物理防撞模块131为可拆卸式保护框，可拆卸式保护框轻质、柔性，对旋翼进行针对性保护，避免撞机时隧道壁面或其他障碍物直接损伤旋翼。
48.飞行避障模块132包括：超声波探测器1321、激光雷达1322及毫米波雷达1323，飞行避障模块132综合超声波探测器1321、激光雷达1322及毫米波雷达1323探测的信息以防护无人机。
49.需要说明的是，单独使用超声波探测器1321探测距离小，易受噪声干扰误报，本发明通过使用激光雷达1322和毫米波雷达1323可对误报信息进行修正；单独使用激光雷达1322受粉尘烟雾影响大，在隧道烟尘环境下容易误报，本发明通过使用超声波探测器1321和毫米波雷达1323可对误报信息进行修正；单独使用毫米波雷达1323存在盲点区域并且受杂波影响较大，本发明通过使用超声波探测器1321和激光雷达1322可对误报信息进行修正。本发明的飞行避障模块132综合超声波探测器1321、激光雷达1322、毫米波雷达1323的优点，解决超声波探测器1321误报错报、探测距离小，激光雷达1322受粉尘烟雾影响大，毫米波雷达1323噪声严重的缺点，实现无人机在隧道光线弱、粉尘多、工程噪声多、障碍物多这一特殊环境的高效避障。
50.在一些实施例中，全息探测系统20包括：扫描模块21、物探模块22及成像模块23。
51.扫描模块21安装于机体，用于获取隧道的图像信息和三维信息。
52.物探模块22安装于机体，用于获取二衬壁后物探图像深度信息，并结合图像识别技术确定二衬壁后异常区。
53.成像模块23与扫描模块21和物探模块22通信连接，用于基于多源信息融合技术和图像识别技术确定隧道轮廓立体图像并形成隧道三维全息动态交互图像。
54.在一些实施例中，成像模块23还与定位模块11通信连接，进一步形成隧道三维全息动态交互图像。
55.具体地，成像模块23基于多源信息融合技术和图像识别技术，集成下文扫描模块21的激光雷达1322生成的隧道三维坐标模型形成隧道轮廓立体图像，然后集成定位模块11确定的是三维坐标信息，最后综合下文中的rgbd全景摄像头211生成的三维隧道实况模型和空气耦合雷达221获取的二衬壁后物探图像深度信息，锁定二衬壁表面裂缝及壁后异常区域的坐标及里程，形成隧道三维全息动态交互图像。
56.在一些实施例中，扫描模块21包括：rgbd全景摄像头211与激光雷达1322。
57.rgbd全景摄像头211安装于机体，用于扫描隧道轮廓并生成三维隧道实况模型，三维隧道实况模型包括景深信息。
58.激光雷达1322安装于机体，用于扫描隧道轮廓并生成隧道三维坐标模型，隧道三维坐标模型包括坐标信息及距离信息。
59.rgbd全景摄像头211实现对隧道壁面的扫描成像，激光雷达1322可测量隧道三维信息，完成对隧道的三维建模。
60.在一些实施例中，扫描模块21的激光雷达1322与飞行避障模块132的激光雷达1322两者分别设置；在另一些实施例中，扫描模块21与飞行避障模块132共用激光雷达1322，减少零部件数量。
61.在一些实施例中，物探模块22包括：空气耦合雷达221，空气耦合雷达221可枢转地安装于机体，用于获取二衬壁后物探图像深度信息。
62.具体地，空气耦合雷达221通过可调整角度的球铰底座搭载于无人机上部，满足无人机航行时对隧道边墙、拱腰、拱肩、拱顶的扫描要求。
63.在一些实施例中，定位模块11与扫描模块21通信连接，还用于确定裂缝的三维坐标信息及隧道里程信息。定位模块11与物探模块22通信连接，还用于确定异常区的三维坐标信息及隧道里程信息。
64.具体地，定位模块11与扫描模块21协同配合，扫描模块21基于图像识别技术通过rbgd全景摄像头拍摄二衬表面裂缝，定位模块11可以实时定位裂缝的三维坐标信息，同时换算为隧道里程，实现裂缝的准确定位。
65.具体地，的定位模块11可与物探模块22协同配合，物探模块22基于空气耦合雷达221扫描采集的数据自动生成二衬壁后物探图像深度信息，结合图像识别技术自动锁定二衬壁后空洞等异常区，定位模块11可以实时定位异常区的三维坐标，同时换算为隧道里程，实现异常区的准确定位。
66.在一些实施例中，远程控制系统30包括：5g通讯模块31与动态交互模块32。
67.5g通讯模块31用于驱动系统与控制室的通讯。动态交互模块32安装于控制室，用于与用户交互。
68.具体地，5g通讯模块31包括：5g模组及基站，无人机与控制室均设有5g模组，确保无人机在隧道环境下不会丢失信号失联，满足多源数据实时传输需求。
69.具体地，动态交互模块32可对隧道全息动态交互图像进行放大、缩小及旋转等交互操作，可对无人机航线、巡航速度及三维位置进行动态操控，提高对隧道巡检的精细化程度。
70.下面结合图1，描述本发明基于多源信息融合的隧道全息巡检无人机装置100的一个具体实施例。
71.一个基于多源信息融合的隧道全息巡检无人机装置100，包括：无人机、辅助飞行系统10、全息探测系统20及远程控制系统30，辅助飞行系统10、全息探测系统20及远程控制系统30共用部分传感器，功能互联互通。
72.无人机包括：机体、驱动系统和旋翼。
73.辅助飞行系统10包括定位模块11、防撞模块13、航线规划模块12，实现无人机三维位置坐标的定位以及自动飞行、安全飞行。
74.定位模块11搭载bds模块111、gps模块112、ins模块113多重飞行定位装置，其中gps模块112和bds模块111可以修正ins模块113的定位信息，当隧道内信号条件较差gps模块112与bds模块111定位失效时，可根据ins模块113确定无人机的坐标，同时借助rgbd全景摄像头211拍摄采集的隧道内里程信息可以实现信号条件较差条件下对ins模块113的坐标修正，确保获取准确的无人坐标定位信息。
75.防撞模块13包括物理防撞模块131和飞行避障模块132，物理防撞模块131采取可拆卸式轻质柔性保护框，保护旋翼不受碰撞及意外落石、飞溅物的损伤，同时不影响无人机的正常飞行及所搭载传感器的采集工作。飞行避障模块132包括超声波探测器1321、激光雷达1322、毫米波雷达1323三种传感器，超声波探测器1321探测距离小，易受噪声干扰误报，此时激光雷达1322和毫米波雷达1323可对误报信息进行修正；激光雷达1322受粉尘烟雾影响大，在隧道烟尘环境下容易误报，此时超声波探测器1321和毫米波雷达1323可对误报信息进行修正；毫米波雷达1323存在盲点区域并且受杂波影响较大，此时超声波探测器1321和激光雷达1322可对误报信息进行修正。
76.航线规划模块12基于定位模块11输出的无人机实时三维坐标信息以及预先设定的起讫点坐标，可以帮助无人机自动规划航线并选择最优航线，在防撞模块13保护下实现自主飞行。
77.全息探测系统20包括扫描模块21、物探模块22、成像模块23。
78.扫描模块21包括rgbd全景摄像头211及激光雷达1322，扫描模块21与飞行避障模块132共用激光雷达1322，rgbd全景摄像头211可扫描隧道轮廓形成附带景深信息的高分辨率的三维隧道实况模型，激光雷达1322可对隧道轮廓进行三维扫描并生成包含坐标及距离信息的隧道三维坐标模型。
79.物探模块22搭载空气耦合雷达221，空气耦合雷达221通过可调整角度的球铰底座安装在无人机平台上部，可以实现对隧道边墙、拱腰、拱肩、拱顶等不同位置测线的扫描要求。
80.成像模块23集成扫描模块21和物探模块22采集的多源信息，基于图像识别技术及多源数据融合技术，对定位、扫描的探测结果进行自动修正，输出隧道三维全息动态交互图像。
81.远程控制系统30包括5g通讯模块31与动态交互模块32。
82.5g通讯模块31通过搭载在无人机及控制室的5g模组及基站组成，确保无人机在隧道环境下不会丢失信号失联，满足多源数据实时传输需求。
83.动态交互模块32可以对隧道二衬全息动态交互图像进行放大、缩小、旋转等交互
操作，可对无人机航行线路、巡航速度及三维位置进行动态操控，实现对隧道巡检的精细化调控。
84.本发明通过上述设置，采用无人机搭载技术取代工程车辆搭载机械臂推举操作工的相关技术，省却了大量人力的消耗，提高工作效率节约成本，确保施工的安全。本发明的基于多源信息融合的隧道全息巡检无人机装置100搭载多种传感器和定位装置，结合大数据、人工智能、图像识别、数据融合等先进技术，提升隧道巡检探测质量的同时，实现了数据的动态成像及实时交互功能，引领了隧道未来智慧巡检的发展方向。同时，本发明中的基于多源信息融合的隧道全息巡检无人机装置100操作简单，便于工人学习和掌握，现场准备和调试时间短，不影响隧道后续施工工序的进行，便于推广普及。
85.根据本发明实施例的隧道检查的方法，采用上述基于多源信息融合的隧道全息巡检无人机装置100，方法包括：
86.s102：检查无人机。
87.具体地，检查空气耦合雷达221的功率是否适应隧道现场探测需求，检查5g通讯系统是否正常，检查定位模块11及各个传感器是否正常工作，检查无人机是否正常工作。
88.s103：确定无人机航行起讫点，选择自动规划航线模式或人工规划航线模式。
89.具体地，步骤s103还包括步骤s301：安装无人机物理防撞模块131。
90.s104：启动无人机并控制无人机悬停于起点坐标，调整无人机的三维位置，标定隧道里程，调整全息探测系统20的工作状态，确定目标航线及测线。
91.具体地，步骤s104还包括步骤s401：调整球铰底座的偏转角度，检查rgbd全景摄像头211的成像效果及空气耦合雷达221的探测效果。
92.s105：启动辅助飞行系统10，控制无人机沿航线移动进行巡检。
93.在一些实施例中，步骤s105还包括步骤s501：使用动态交互模块32对无人机进行调控。
94.s106：控制无人机沿航线返回起讫点同时进行测线的复测；或，控制无人机对重点区域进行复测。
95.s107：存储扫描信息。
96.具体地，完成一条测线的巡检任务后，自动存储全息动态交互图像及相关传感器所采集的原始数据信息。
97.需要说明的是，如需进行下一条测线的巡检任务只需重复步骤s104～s107即可，如需进行新的隧道巡检任务只需重复步骤s103～s107即可。
98.根据本发明实施例的基于多源信息融合的隧道全息巡检无人机装置100的其他构成以及操作对于本领域普通技术人员而言都是已知的，这里不再详细描述。
99.在本说明书的描述中，参考术语“实施例”、“示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
100.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。