[發(fā)明專利]一種水電站引水管道內(nèi)無(wú)人機(jī)自動(dòng)巡檢的定位導(dǎo)航方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202210975309.7
• 申請(qǐng)日: 2022-08-15
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN115290093A
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-11-04
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 沈潤(rùn)杰;何斌;占全喜
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 同濟(jì)大學(xué)
• 主分類號(hào): G01C21/20
• 分類號(hào): G01C21/20;G01C21/16;G05D1/08
• 代理公司: 北京慕達(dá)星云知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 11465
• 代理人: 符繼超

本發(fā)明公開(kāi)了一種水電站引水管道內(nèi)無(wú)人機(jī)自動(dòng)巡檢的定位導(dǎo)航方法，包括：利用無(wú)人機(jī)搭載的激光雷達(dá)掃描引水管道內(nèi)部，得到點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并將點(diǎn)云數(shù)據(jù)擬合為圓柱體模型；確定圓柱體模型的中軸線；確定機(jī)體坐標(biāo)系下無(wú)人機(jī)的當(dāng)前位置坐標(biāo)在中軸線的垂足點(diǎn)，根據(jù)垂足點(diǎn)計(jì)算無(wú)人機(jī)的目標(biāo)點(diǎn)位置；根據(jù)前后兩幀中軸線的距離變化，計(jì)算中軸線坐標(biāo)系下無(wú)人機(jī)的實(shí)際速度，并將中軸線坐標(biāo)系下無(wú)人機(jī)的實(shí)際速度轉(zhuǎn)換至世界坐標(biāo)系下；根據(jù)無(wú)人機(jī)的實(shí)際速度和期望速度，對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整。本發(fā)明能夠適應(yīng)不同彎曲程度的管道環(huán)境，對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行準(zhǔn)確定位和導(dǎo)航。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及引水管道檢測(cè)及維修技術(shù)領(lǐng)域，更具體的說(shuō)是涉及一種水電站引水管道內(nèi)無(wú)人機(jī)自動(dòng)巡檢的定位導(dǎo)航方法。

背景技術(shù)

引水管道由壓力鋼管焊接而成，用于將水庫(kù)中的水送至水輪機(jī)發(fā)電，在運(yùn)行期間，引水管道將充滿水，隨著時(shí)間的推移，引水管道的內(nèi)部情況就未知了，因此需要定期檢查引水管道的壓力鋼管的焊縫處是否有開(kāi)裂，剝落，或者氣蝕等劣化跡象，以及檢查壓力鋼管是否有損壞防護(hù)處理和金屬腐蝕的跡象，以防引水管道出現(xiàn)開(kāi)裂導(dǎo)致水電站大壩完全拆除的災(zāi)難性后果。

常規(guī)的引水管道檢查方式有吊繩人工檢查，需要搭建大量腳手架或者吊繩，具有極大的危險(xiǎn)，依靠人工難以對(duì)管道進(jìn)行全面檢查，且常規(guī)方法巡檢周期長(zhǎng)，成本高，并且難以準(zhǔn)確判斷故障。

賓夕法尼亞的GRASP實(shí)驗(yàn)室提出了基于三維激光雷達(dá)的位姿估計(jì)算法，該算法采用Velodyne16線激光雷達(dá)，IMU和四個(gè)攝像頭，通過(guò)在非線性流形上的優(yōu)化過(guò)程重建以無(wú)人機(jī)為中心的局部地圖，并通過(guò)無(wú)跡卡爾曼濾波器優(yōu)化最終的六自由度狀態(tài)估計(jì)，所提出的方法可以適應(yīng)于不同直徑，橫截面和不同彎曲程度的管道環(huán)境。但是仍然存在管道軸線方向依賴視覺(jué)，視覺(jué)識(shí)別定位效果不佳，需要大量布設(shè)二維碼。

新加坡科技大學(xué)的C.H.Tana等人利用無(wú)人機(jī)對(duì)豎井巡檢作了相關(guān)的研究，它是通過(guò)搭載旋轉(zhuǎn)的TOF Range sensor測(cè)得周圍距離，對(duì)流水道的兩側(cè)擬合兩條平行線或者對(duì)于豎井?dāng)M合圓在二維平面定位，但是該方法只能應(yīng)用在豎井中，對(duì)于引水管道的斜彎段不再適用并且沿軸線方向不能估計(jì)，整個(gè)巡檢過(guò)程需要有經(jīng)驗(yàn)人員手動(dòng)操作。

因此，如何提供一種能夠適應(yīng)不同彎曲程度的管道環(huán)境，對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行準(zhǔn)確定位的水電站引水管道內(nèi)無(wú)人機(jī)自動(dòng)巡檢的定位導(dǎo)航方法是本領(lǐng)域技術(shù)人員亟需解決的問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容

有鑒于此，本發(fā)明提供了一種水電站引水管道內(nèi)無(wú)人機(jī)自動(dòng)巡檢的定位導(dǎo)航方法，能夠適應(yīng)不同彎曲程度的管道環(huán)境，對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行準(zhǔn)確定位和導(dǎo)航。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種水電站引水管道內(nèi)無(wú)人機(jī)自動(dòng)巡檢的定位導(dǎo)航方法，包括：

利用無(wú)人機(jī)搭載的激光雷達(dá)掃描引水管道內(nèi)部，得到點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并將點(diǎn)云數(shù)據(jù)擬合為圓柱體模型；

確定所述圓柱體模型的中軸線；

確定機(jī)體坐標(biāo)系下無(wú)人機(jī)的當(dāng)前位置坐標(biāo)在所述中軸線的垂足點(diǎn)，根據(jù)所述垂足點(diǎn)計(jì)算無(wú)人機(jī)的目標(biāo)點(diǎn)位置；

根據(jù)前后兩幀中軸線的距離變化，計(jì)算中軸線坐標(biāo)系下無(wú)人機(jī)的實(shí)際速度，并將中軸線坐標(biāo)系下無(wú)人機(jī)的實(shí)際速度轉(zhuǎn)換至世界坐標(biāo)系下；

根據(jù)無(wú)人機(jī)的實(shí)際速度和期望速度，對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整。

進(jìn)一步的，在上述一種水電站引水管道內(nèi)無(wú)人機(jī)自動(dòng)巡檢的定位導(dǎo)航方法中，還包括：對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理；所述預(yù)處理包括：

確定點(diǎn)云數(shù)據(jù)的中心點(diǎn)，截取點(diǎn)云數(shù)據(jù)中各點(diǎn)到中心點(diǎn)距離大于1m且小于10m范圍內(nèi)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)；

采用統(tǒng)計(jì)濾波方法計(jì)算所截取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中每個(gè)點(diǎn)到其最近的K個(gè)點(diǎn)的平均距離和標(biāo)準(zhǔn)差，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差準(zhǔn)則，剔除噪聲點(diǎn)云。