一種基于空軌兩用無人機的高速鐵路安全檢測系統技術方案

本發明專利技術提供一種基于空軌兩用無人機的高速鐵路安全檢測系統，該系統包括無人機、遠程監控中心、地面站、無線通信模塊。無人機包括提供空中飛行動力的旋轉葉片和提供沿軌道行駛動力的推動螺旋槳，地面站用于設置無人機的飛行路線以及控制無人機的空中飛行模式和軌道航行模式，遠程監控中心用于監控無人機的飛行狀態，分析檢測信息，以及無人機行駛過程中出現意外情況時進行應急響應。本發明專利技術采用無人機的空中飛行和沿鐵軌運行兩種巡檢方式，兩種工作模式可根據現場需求靈活搭配安排、隨時切換，突破解決了傳統地面巡檢模式的高成本、靈活性差、占用正常行車空間等顯著問題。

【技術實現步驟摘要】
一種基于空軌兩用無人機的高速鐵路安全檢測系統
本專利技術涉及無人機領域，尤其利用空-軌兩用無人機進行高速鐵路安全檢測的系統。
技術介紹
目前，我國高速鐵路線路質量檢測主要有人工巡查、軌檢車檢測等手段。對鐵路扣件的檢查主要依靠人工巡查的方法，這種方法費時、費力、可靠性差，上路巡查時間不足，特別是隨著我國高速鐵路的逐步發展，人工巡檢的方式已經完全不能適應高速鐵路安全檢查的需要。針對軌道空間幾何尺寸信息、鋼軌裂痕程度指標、列車動力指標的檢測主要為軌檢車、人工巡查等檢測方式相結合。軌檢車檢測項目齊全，但它檢測周期長，成本高，檢測位置和視角受局限，靈活性較差，目前多數應用僅限對超限數據進行單次分析，對非超限數據挖掘不夠，對歷史規律分析不夠，不利于病害確定，且容易受機車等因素干擾，便攜程度低。以上傳統的高速鐵路安全檢測方法是基于“地面”的檢測技術，在山路或者隧道里難免會出現“死角”，并且，針對當前的軌道安全的檢測過度依賴于某一檢測來源數據，養護維修存在一定盲目性。從目前的研究狀況可以看出，針對軌道扣件丟失、鋼軌裂痕、軌枕裂痕程度的檢測是通過人工檢測、軌檢車檢測。但以上檢測方法都是基于“地面”的檢測技術，靈活性不太高，如何實現高速鐵路的空中安全檢測保護還未曾涉及。現有技術中的采用無人機檢測軌道缺陷的方法中，只能根據空中采集的圖像數據檢測扣件缺失與否，而無法進行鋼軌或軌枕裂紋的精確檢測，而目前的空陸兩用無人機又僅能在陸地上行駛，無法在鐵路軌道上沿軌持續行駛，因此其無法應用到鐵軌的精確檢測上。本專利技術提出一種采用空軌兩用無人機進行高速鐵路安全檢測的系統，該系統利用無人機的空中飛行和沿鐵軌運行兩種巡檢方式，兼顧了快速靈活和高精準檢測優勢，當需要對對象（如軌枕病害及鋼軌扣件缺失等）進行快速檢測時采用飛行模式，當需要對對象（如鋼軌表面缺陷及軌枕前期病害）進行高精度檢測時采用鐵軌運行模式，兩種工作模式可根據現場需求靈活搭配安排、隨時切換，突破解決了傳統地面巡檢模式的高成本、靈活性差、占用正常行車空間等顯著問題。
技術實現思路
為了解決上述技術問題，本專利技術的目的是提供一種具有快速靈活和高精準檢測兩種巡檢模式的高速鐵路安全檢測系統，具體采用如下技術方案：該系統包括無人機，其包括用于控制行駛狀態的機載控制模塊，以及用于采集軌道圖像信息的高清相機,，以及用于傳輸軌道圖像信息的圖像傳輸模塊；地面站，其包括用于設置無人機的飛行路線的路徑規劃模塊，以及用于向所述機載控制模塊發送控制指令以及接收無人機傳回的軌道圖像信息的地面控制模塊；遠程監控中心，其包括用于監控無人機的飛行狀態的監控模塊、分析地面站傳回的軌道圖像信息的圖像分析單元、存儲圖像分析單元分析結果的存儲單元，以及無人機行駛過程中出現意外情況時采取相應措施的應急處理單元；無線通信模塊，用于無人機、地面站、遠程監控中心之間的無線通信。優選地，所述無人機還包括提供空中飛行動力的旋轉葉片、提供沿軌道行駛動力的推動螺旋槳。優選地，所述機載控制模塊接收到地面站的任務指令后，啟動旋轉葉片并控制推動螺旋槳保持關閉狀態，所述無人機按照所述地面站規劃的飛行路線到達待檢測的軌道段后，所述地面站給無人機發送采集軌道圖像信息指令，無人機收到采集軌道圖像信息指令后，所述機載控制模塊開啟高清相機進行軌道圖像信息的采集。優選地，當所述監控模塊檢測到無人機飛行軌跡出現偏離時，應急處理單元向地面站發送警報信號，地面控制模塊檢測是否與無人機失聯，如已失聯，則將無人機編號發送回遠程監控中心；如未失聯，則根據無人機當前位置信息控制其運行方向使其回到預設的飛行路線中。優選地，無人機還包括通過伸縮連桿連接在其機體兩側的水平導向輪，以及用于測量水平導向輪與鋼軌的距離的超聲波測距儀。優選地，無人機完成待檢測軌道段的空中檢測后，地面站向機載控制模塊發送降落指令，待無人機的滾動輪降落到鋼軌上后，機載控制模塊關閉旋轉葉片并控制超聲波測距儀開始實時測量水平導向輪與鋼軌的距離，機載控制模塊根據所述距離控制伸縮連桿伸長直至水平導向輪接觸至工字鋼的內側，完成所述接觸后，機載控制模塊控制推動螺旋槳運行，無人機開始采集軌道圖像數據。優選地，當所述監控模塊檢測到無人機未在軌道上行駛時，應急處理單元向地面站發送警報信號，地面控制模塊檢測是否與無人機失聯，如已失聯，則將無人機編號發送回遠程監控中心；如未失聯，則地面控制模塊先向機載控制模塊發送重新起飛指令，機載控制模塊收到重新起飛信號后關閉推動螺旋槳，并控制伸縮連桿縮回到原始位置，再啟動旋轉葉片控制無人機起飛，完成起飛后，地面控制模塊向機載控制模塊發送降落指令，使無人機重新回到沿軌道行駛狀態。本專利技術具有如下有益效果：本專利技術的方案具有高便攜，抗干擾能力強，不受檢測位置的限制，靈活性較高，低成本等優點，可替代人工和軌檢車等傳統巡檢方式，為高速軌道評價線路安全狀態、科學制定大維修計劃、合理安排日常維修和推進實現我國“空天車地”信息一體化軌道交通安全保障目標提出模型和理論依據。附圖說明圖1為本專利技術的無人機立體結構圖。圖2為本專利技術的無人機側視結構圖。圖3為本專利技術軌道缺陷檢測方法流程圖。圖4為本專利技術鐵路扣件缺失識別方法流程圖。圖5為截取的扣件二值圖像示意圖。圖6為鋼軌及軌枕表面裂紋識別方法流程圖。圖7為本專利技術高速鐵路軌道檢測系統示意圖。圖8為無人機降落模式流程圖。具體實施方式1-機體，2-旋轉葉片，3-機殼，4-高清攝像頭，5-推動螺旋槳，6-水平導向輪，7-伸縮連桿，8-超聲波測距儀，9-步進馬達，10-U型桿，11-滾動輪。（一）無人機設計按尺度分類，無人機可分為微型無人機、輕型無人機、小型無人機、以及大型無人機。本專利技術考慮到鐵路上的實際情況并不復雜，并且自身工作量不大，通過比對分析，本專利技術選用的四旋翼輕型無人機，如圖1所示。基于目前的實驗環境，如表1所示列出了本方案無人機的一些主要參數，比如飛行高度、飛行時間、抗風能力等。此無人機負載飛行時間長，飛行時振動小，便于試驗中超聲波高度傳感器測量，并且可負載2公斤，可滿足實驗要求。表1無人機參數外形尺寸<40*30*40cm控制距離<1km空機重量（電池）7.5kg工作環境溫度0~40℃飛行速度16m/s（無風）飛行時間約25分鐘飛行高度120m抗風能力5~6級高速鐵路軌枕一般都由鋼筋混凝土構成，其損壞到一定的程度會對高速鐵路安全構成威脅，由于鋼筋混凝土的損壞一般比較明顯，因此，完全可以利用無人機的飛行模式航拍采集軌枕圖像信息。高速軌道的扣件丟失也可利用無人機航拍采集扣件缺失信息。但是，鋼軌便面的損壞或者裂紋并不明顯，如果采取無人機飛行模式航拍很難將鋼軌損壞圖像信息采集完整，同時航拍的圖片更容易受到環境、拍攝視角和空中其他等干擾因素影響，利用現有算法也很難分辨出鋼軌的損壞程度。因此，本方案設計了空鐵兩用專用無人機，使其既能完成空中航拍任務，又可運行在在鋼軌上拍攝鋼軌的高清圖片。本專利技術設計的空鐵兩用專用無人機具有空中飛行的快速巡檢方式和沿鐵軌運行的高精度巡檢方式。如圖1所示的空鐵兩用專用無人機，各部件功能說明如下：1、推動螺旋槳5：為無人機在鋼軌上的行走提供動力；2、水平導向輪6：導向輪是伸縮式的結構，在無人機在行走的過程中，一直接觸這鋼軌內側，起穩定無人本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于空軌兩用無人機的高速鐵路安全檢測系統，其特征在于，該系統包括無人機，其包括用于控制行駛狀態的機載控制模塊、用于采集軌道圖像信息的高清相機，以及用于傳輸軌道圖像信息的圖像傳輸模塊；地面站，其包括用于設置無人機的飛行路線的路徑規劃模塊，以及用于向所述機載控制模塊發送控制指令以及接收無人機傳回的軌道圖像信息的地面控制模塊；遠程監控中心，其包括用于監控無人機的飛行狀態的監控模塊、分析地面站傳回的軌道圖像信息的圖像分析單元、存儲圖像分析單元分析結果的存儲單元，以及無人機行駛過程中出現意外情況時采取相應措施的應急處理單元；無線通信模塊，用于無人機、地面站、遠程監控中心之間的無線通信。

【技術特征摘要】
1.一種基于空軌兩用無人機的高速鐵路安全檢測系統，其特征在于，該系統包括無人機，其包括用于控制行駛狀態的機載控制模塊、用于采集軌道圖像信息的高清相機，以及用于傳輸軌道圖像信息的圖像傳輸模塊；地面站，其包括用于設置無人機的飛行路線的路徑規劃模塊，以及用于向所述機載控制模塊發送控制指令以及接收無人機傳回的軌道圖像信息的地面控制模塊；遠程監控中心，其包括用于監控無人機的飛行狀態的監控模塊、分析地面站傳回的軌道圖像信息的圖像分析單元、存儲圖像分析單元分析結果的存儲單元，以及無人機行駛過程中出現意外情況時采取相應措施的應急處理單元；無線通信模塊，用于無人機、地面站、遠程監控中心之間的無線通信。2.如權利要求1所述的基于空軌兩用無人機的高速鐵路安全檢測系統，其特征在于，所述無人機還包括提供空中飛行動力的旋轉葉片、提供沿軌道行駛動力的推動螺旋槳。3.如權利要求2所述的基于空軌兩用無人機的高速鐵路安全檢測系統，其特征在于，所述機載控制模塊接收到地面站的任務指令后，啟動旋轉葉片并控制推動螺旋槳保持關閉狀態，所述無人機按照所述地面站規劃的飛行路線到達待檢測的軌道段后，所述地面站給無人機發送采集軌道圖像信息指令，無人機收到采集軌道圖像信息指令后，所述機載控制模塊開啟高清相機進行軌道圖像信息的采集。4.如權利要求3所述的基于空軌兩用無人機的高速鐵路安全檢測系統，其特征在于，當所述監控模塊檢測到無人機飛行軌跡出現偏離時，應急處理單元向地面...

【專利技術屬性】
技術研發人員：吳云鵬，秦源璟，趙雪軍，秦勇，賈利民，
申請(專利權)人：北京交通大學，
類型：發明
國別省市：北京,11