一种基于无人机自主导航技术的双曲拱坝巡检方法与流程

本发明涉及双曲拱坝检测，尤其涉及一种基于无人机自主导航技术的双曲拱坝巡检方法。

背景技术：

1、双曲拱坝是目前常见的一种大型水坝，通常具有大坝高度高，坝体面积大厚度薄的特点。对于双曲拱坝来说，拱坝外立面高度高且面积巨大，其表面巡检难度极大。随着无人机技术的发展，越来越多开始使用无人机对拱坝进行巡检。但是由于大型双曲拱坝通常建设在深山峡谷内，受地形和拱坝高度的影响，采用卫星导航的无人机在拱坝下游侧飞行时由于卫星信号丢失而常常导致无人机炸机。很难正常开展无人机自动巡检。基于此，本发明提出了一种基于无人机自主导航技术的双曲拱坝巡检方法。

技术实现思路

1、针对现有技术中所存在的不足，本发明提供了一种基于无人机自主导航技术的双曲拱坝巡检方法，该方法利用安装于无人机上的激光雷达实现对大坝及其周围环境内的点云数据采集，从而获取周围环境的点云信息；再对点云数据进行处理和计算，识别出双曲拱坝结构，并解算出双曲拱坝在不同高度的水平面上的双曲线的焦点；利用双曲线的焦点作为参考点，规划出无人机下一时刻的导航目标点，从而实现无人机在双曲拱坝前按规定的路径自主导航和飞行；最后利用无人机搭载云台相机采集双曲拱坝表面图像，从而实现无人机在双曲拱坝上的自主导航和巡检，解决了现有技术中存在的无人机自动巡检双曲拱坝时易丢失信号导致炸机的问题。

2、根据本发明的实施例，一种基于无人机自主导航技术的双曲拱坝巡检方法，具体实现方式如下：

3、s1：激光雷达点云数据获取，点云数据过滤以及点云数据配准。

4、s2：双曲线拟合及双曲线焦点估算。

5、s3：无人机导航目标点规划。

6、s4：无人机导航算法修正。

7、s5：双曲拱坝表面图像采集。

8、优选的，所述激光雷达水平安装于无人机上，激光雷达可围绕竖直方向旋转并可获得双曲拱坝及周边环境的点云信息。

9、优选的，所述点云数据过滤是指去除在扫描过程中受外部环境和双曲拱坝表面的不均匀反射导致的坏点和无效点。

10、优选的，所述的点云数据配准具体是通过迭代的算法就近搜索点匹配，将多次扫描的点云数据的坐标进行转换，使其在同一坐标系下，从而获得双曲拱坝及其周边环境的整体点云数据。

11、优选的，所述双曲线拟合及双曲线焦点估算是指：对获得的双曲拱坝及其周边环境的整体点云数据进行加工，只保留双曲拱坝范围内的点云数据；将点云数据按照不同的水平高度进行切割和划分，并在水平方向上对点云数据与双曲线进行拟合，寻找出最优的双曲线；进而计算出双曲线的焦点。

12、优选的，所述无人机导航目标点是指无人机下一个时刻的导航坐标，该坐标与双曲线的焦点在同一个水平面内且与焦点具有一一映射关系。

13、优选的，所述无人机导航目标点规划是指无人机以下一时刻的导航目标点为目标，规划下一时刻无人机的飞行目标。

14、优选的，所述无人机导航算法修正，是指无人机在到达当前导航目标点后，无人机通过激光点云数据拟合出当前水平面的双曲线并计算出双曲线焦点，基于该焦点可计算出当前水平面内的无人机理论的导航目标点，再对当前实际的位置进行修正，得到无人机在当前水平面内的最终目标位置。

15、优选的，所述双曲拱坝表面图像采集是指无人机在到达当前水平面内的最终目标位置后，无人机保持悬停，云台相机在水平方向上对大坝表面图像进行扫描。

16、优选的，所述图像扫描完成后，无人机飞行至下一个目标点并再次悬停并进行图像扫描，最终实现无人机全自主飞行并完成双曲拱坝的图像采集。

17、相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：无人机可以在无需卫星导航的情况下，利用激光雷达导航设备，即可实现无人机在双曲拱坝表面的自主导航和自动图像采集。同时，该方法可以让无人机在悬停状态下实现同一个水平面内的图像采集，减少无人机飞行距离，提高无人机稳定性和图像采集效率。

技术特征：

1.一种基于无人机自主导航技术的双曲拱坝巡检方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述一种基于无人机自主导航技术的双曲拱坝巡检方法，其特征在于：所述激光雷达水平布置于所述无人机上，且所述激光雷达竖直转动设置，激光雷达可转动获得双曲拱坝及周边环境的点云信息。

3.根据权利要求1所述一种基于无人机自主导航技术的双曲拱坝巡检方法，其特征在于：所述步骤s1中的点云数据的过滤是指去除在所述激光雷达扫描过程中受外部环境和墙壁面的不均匀反射导致的坏点和无效点；所述步骤s1中的点云数据配准是指通过迭代的算法就近搜索点匹配，将多次扫描的点云数据的坐标进行转换，使其在同一坐标系下，从而获得环境的整体点云数据。

4.根据权利要求1所述一种基于无人机自主导航技术的双曲拱坝巡检方法，其特征在于：所述步骤s2中的点云数据的加工包括有效点云数据的筛选、点云双曲线拟合及双曲线焦点估算；其中，有效点云数据筛选是指对无人机所在水平面内的点云信息进行筛选，剔除非双曲拱坝区域的点云数据，保留双曲拱坝部分的点云数据作为有效点云数据；

5.根据权利要求4所述一种基于无人机自主导航技术的双曲拱坝巡检方法，其特征在于，所述步骤s3中，无人机导航目标点的规划方式为：

6.根据权利要求1所述一种基于无人机自主导航技术的双曲拱坝巡检方法，其特征在于，所述步骤s4中无人机的位置修正的方式为：在无人机飞行至导航目标点后，将再次估算该时刻无人机所在平面内的理论目标点，然后计算该理论目标点与无人机实际坐标之间的差值，并将该差值作为负反馈加入下一个导航目标点的规划中，完成对导航目标点的修正。

7.根据权利要求1所述一种基于无人机自主导航技术的双曲拱坝巡检方法，其特征在于，所述步骤s5中双曲拱坝表面图像采集方式为：

技术总结
本发明提供了一种基于无人机自主导航技术的双曲拱坝巡检方法，具体实现方式为：S1、激光雷达点云数据获取，点云数据过滤以及点云数据配准；S2：双曲线拟合及双曲线焦点估算；S3：无人机导航目标点规划；S4：无人机导航算法修正；S5：双曲拱坝表面图像采集。本发明基于携带激光雷达和云台相机的无人机系统，可实现无人机在双曲拱坝表面的自主导航和自主图像采集功能，能提高无人机对双曲拱坝的图像采集效率。

技术研发人员：毛业栋,张春辉,徐铬,徐兰兰,齐智勇,李友平,冉应兵,郭钰静
受保护的技术使用者：中国长江电力股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13