【技術實現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術涉及無人機水庫岸坡巡檢，具體為一種基于無人機激光雷達的水庫岸坡巡檢方法及系統(tǒng)。
技術介紹
1、我國水利水電工程開發(fā)經(jīng)過幾十年的迅猛發(fā)展，諸多大江大河流域已經(jīng)修建了眾多具有一定規(guī)模的大壩、跨流域調(diào)水工程、抽水蓄能電站等，我國已經(jīng)成為世界上水利水電工程最多的國家，其建設規(guī)模不斷刷新世界紀錄，形成了一批具有代表性的大庫水庫高壩，數(shù)量極其龐大，大部分是二十一世紀初期建造，至今已蓄水運行20余年。尤其在我國西部山區(qū)地形條件優(yōu)勢明顯的河流上形成的大型水庫岸坡高陡、地形落差大、植被茂密、交通條件極差并且氣候多變，水庫蓄水后，庫區(qū)及下游岸坡的自然地質(zhì)條件會相應改變，可能會引發(fā)坍塌、滑坡等一系列環(huán)境地質(zhì)問題，以及水庫運行過程中，水庫岸坡長期受環(huán)境、水位升降沖刷、浸泡及巖體強度弱化等影響，其形態(tài)、地質(zhì)構造、不利結(jié)構面組合等使得穩(wěn)定性變差，容易引發(fā)崩塌、滑坡等一系列的地質(zhì)災害，嚴重威脅水庫運行安全。為此，水庫岸坡的安全問題已成為水利水電行業(yè)重點關注的方向，水庫滑坡、塌岸問題也將日益突出，針對數(shù)量巨大的水庫岸坡安全問題如何提前識別，尤其是山區(qū)道路不暢的情況下，快速、準確發(fā)現(xiàn)災害位置、規(guī)模等顯得尤為重要。
2、水庫岸坡傳統(tǒng)巡檢通常依賴人工觀察或地面設備巡檢，而近些年隨著無人機激光雷達的迅猛發(fā)展和不斷完善，其能快速、非接觸、高精度和高密度獲得高山峽谷區(qū)地表三維空間信息，已成為當前不可或缺的數(shù)據(jù)獲取手段。因其多種優(yōu)勢兼具一身而風靡全球，在高山峽谷區(qū)大型水庫岸坡地質(zhì)災害調(diào)查、安全巡檢等方面具有先天優(yōu)勢，并發(fā)揮了巨大作用，使得水庫岸坡巡檢工
3、然而無人機激光雷達在水庫岸坡巡檢的應用仍然存在一些亟待解決的問題：由于水庫岸坡的地形復雜多變，且存在著陡坡、懸崖、溝壑等地形，致使無人機的飛行控制和導航仍然存在一定的困難，也就是說，對于這種情況下，對無人機的飛行控制和導航提出了更高的要求，不僅需要具備良好的機動性和穩(wěn)定性，還要具備能夠在復雜的地形環(huán)境中自主飛行的能力，避免撞擊障礙物、炸機等事故的發(fā)生，亟待提升無人機的復雜地形的自主適應能力。
技術實現(xiàn)思路
1、為解決上述技術問題，本專利技術通過以下技術方案予以實現(xiàn)：一種基于無人機激光雷達的水庫岸坡巡檢方法及系統(tǒng)，包括如下步驟：
2、步驟一：確保無人機工作狀態(tài)正常，啟動激光雷達，連接岸邊的地面gnss基準站，校準無人機位置和通信信號，并設置巡檢區(qū)域邊界和飛行參數(shù)；利用岸邊基準站提供的導航數(shù)據(jù)，結(jié)合激光雷達初步獲取的地形數(shù)據(jù)，生成無人機的初始巡檢路徑；路徑設計期間避開危險區(qū)域，確保覆蓋全部岸坡；
3、步驟二：根據(jù)路徑規(guī)劃開始巡檢，依靠無線電信號與地形數(shù)據(jù)動態(tài)定位自身位置和方向，并在飛行中持續(xù)采集岸坡的三維地形數(shù)據(jù)，用于實時更新位置和飛行路徑；
4、步驟三：在巡檢過程中，無人機根據(jù)激光雷達獲取的地形數(shù)據(jù)識別前方障礙物或危險地形，自動調(diào)整飛行高度和方向；如遇復雜地形，則重新規(guī)劃路徑以確保巡檢的連續(xù)性和安全性；
5、步驟四：巡檢完成后，系統(tǒng)對全部采集的數(shù)據(jù)進行綜合分析，提取岸坡結(jié)構特征，并識別出易發(fā)生滑坡、崩塌的高風險區(qū)域，最終生成完整的巡檢報告；無人機完成巡檢后返航，系統(tǒng)復位為下次巡檢做準備，并儲存分析數(shù)據(jù)以供進一步研究或維護參考。
6、一種基于無人機激光雷達的水庫岸坡巡檢系統(tǒng)，包括無人機平臺、無線電定向模塊、無線電導航模塊、激光雷達傳感器、避障模塊和路徑規(guī)劃模塊，其中：所述無人機平臺配置了無線電定向模塊和無線電導航模塊，通過接收岸邊設立的無線電基準站發(fā)出的無線電信號進行位置校準，以實時優(yōu)化飛行路徑；所述激光雷達傳感器用于收集水庫岸坡的三維數(shù)據(jù)，得到地形數(shù)據(jù)；所述避障模塊結(jié)合無線電導航信號和激光雷達數(shù)據(jù)實時分析無人機周圍地形，實現(xiàn)精準避障；所述路徑規(guī)劃模塊用于通過無線電定向模塊得到的定向數(shù)據(jù)和無線電導航模塊獲得的導航數(shù)據(jù)，生成無人機的動態(tài)巡檢路線，以確保無人機在復雜地形中穩(wěn)定自主飛行；
7、其中，所述無線電定向模塊用于自動識別岸邊設置的無線電基準站，通過測量不同無線電基準站的無線電信號強度、到達時間差以及頻率偏移而進行三角定位計算，計算出無人機相對于無線電基準站的位置信息，得到定位數(shù)據(jù)；所述無線電定向模塊包括信號增強單元和環(huán)境適應單元；所述信號增強單元用于基于無人機在不同的工況因素下，分析不同工況因素對定位數(shù)據(jù)準確性的影響程度，例如，在遠離基準站時，信號強度可能減弱，導致定位精度下降；在復雜地形區(qū)域，信號可能發(fā)生反射、遮擋等現(xiàn)象，影響信號的傳輸和接收，進而影響定位結(jié)果，并通過對定位數(shù)據(jù)的修正和優(yōu)化，明確無人機的定向精度，得到定向數(shù)據(jù)，其中，工況因素包括遠離基準站、信號干擾、復雜地形和信號弱區(qū)；使無人機在各種工況下都能具備穩(wěn)定的定位能力，為后續(xù)的飛行控制和導航提供可靠依據(jù)；所述環(huán)境適應單元用于基于環(huán)境適應算法識別信號環(huán)境的變化，并調(diào)整無線電定向模塊的通信頻率和發(fā)射功率，以適應復雜地形的信號反射和遮擋，提升無線電定向模塊的有效測距范圍，使無人機在懸崖、陡坡等障礙區(qū)域保持可靠的導航信號。
8、優(yōu)選的，所述調(diào)整無線電定向模塊的通信頻率和發(fā)射功率的過程如下：無線電定向模塊持續(xù)采集通信相關數(shù)據(jù)，通信相關數(shù)據(jù)包括接收來自岸邊無線電基準站的信號強度、信號頻率、信號到達時間，同時記錄無人機的當前位置、飛行姿態(tài)以及周圍環(huán)境的一些基本特征，如地形類型、是否靠近障礙物，對采集到的通信相關數(shù)據(jù)進行預處理，去除噪聲干擾、數(shù)據(jù)歸一化，得到通信處理數(shù)據(jù)，以提高數(shù)據(jù)的質(zhì)量和可用性，利用環(huán)境適應算法對預處理后的通信處理數(shù)據(jù)進行分析，識別信號環(huán)境的變化，該環(huán)境適應算法結(jié)合多種因素考慮，包括信號強度的波動情況、信號頻率的穩(wěn)定性、信號到達時間的變化規(guī)律，例如，如果發(fā)現(xiàn)信號強度在短時間內(nèi)急劇下降，且信號到達時間出現(xiàn)明顯延遲，同時無人機處于復雜地形區(qū)域，如靠近懸崖或陡坡，則可能判斷信號環(huán)境發(fā)生了變化，可能是由于地形遮擋或信號反射導致的，得到信號環(huán)境變化的分析結(jié)果；
9、根據(jù)分析結(jié)果，確定通信頻率的調(diào)整：預先設定頻段列表和預設閾值，按照干擾程度從小到大進行排序，當檢測到干擾超過預設閾值時，依次切換到列表中的下一個頻段進行通信；
10、對于發(fā)射功率的調(diào)整：根據(jù)無人機與無線電基準站之間的距離以及信號強度的情況，當無人機遠離基準站時，信號強度減弱，為確保通信可靠，增加發(fā)射功率，發(fā)射功率的增加幅度根據(jù)距離的遠近進行計算，采用基于距離的功率調(diào)整公式pd＝p0+kd，其中pd為調(diào)整后的發(fā)射功率，p0為初始發(fā)射功率，k為功率調(diào)整系數(shù)，d為無人機與基準站之間的距離。
11、優(yōu)選的，所述無線電導航模塊結(jié)合激光雷達傳感器的地形數(shù)據(jù)，采用多路徑評估算法，對由不同無線電基準站發(fā)送的信號路徑進行動態(tài)識別，得到導航數(shù)據(jù)，并規(guī)劃出無人機的最佳飛行路徑，通過最佳飛行路徑自動繞過障礙物或危險區(qū)域；一旦檢測到路徑阻礙，則立即調(diào)整飛行高度或方向，實現(xiàn)無人機對陡坡、懸崖和溝壑的實時規(guī)避。
12、優(yōu)選的，所述無線電導航模塊得本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術保護點】
1.一種基于無人機激光雷達的水庫岸坡巡檢方法，其特征在于，包括如下步驟：
2.一種基于無人機激光雷達的水庫岸坡巡檢系統(tǒng)，其特征在于：包括無人機平臺、無線電定向模塊、無線電導航模塊、激光雷達傳感器、避障模塊和路徑規(guī)劃模塊，其中：所述無人機平臺配置了無線電定向模塊和無線電導航模塊，通過接收岸邊設立的無線電基準站發(fā)出的無線電信號進行位置校準；所述激光雷達傳感器用于收集水庫岸坡的三維數(shù)據(jù)，得到地形數(shù)據(jù)；所述避障模塊結(jié)合無線電導航信號和激光雷達數(shù)據(jù)實時分析無人機周圍地形；所述路徑規(guī)劃模塊用于通過無線電定向模塊得到的定向數(shù)據(jù)和無線電導航模塊獲得的導航數(shù)據(jù)，生成無人機的動態(tài)巡檢路線；
3.根據(jù)權利要求2所述的一種基于無人機激光雷達的水庫岸坡巡檢系統(tǒng)，其特征在于：所述調(diào)整無線電定向模塊的通信頻率和發(fā)射功率的過程如下：無線電定向模塊持續(xù)采集通信相關數(shù)據(jù)，通信相關數(shù)據(jù)包括接收來自岸邊無線電基準站的信號強度、信號頻率、信號到達時間，同時記錄無人機的當前位置、飛行姿態(tài)以及周圍環(huán)境的一些基本特征，對采集到的通信相關數(shù)據(jù)進行預處理，去除噪聲干擾、數(shù)據(jù)歸一化，得到通信處理數(shù)據(jù)，利用環(huán)境
4.根據(jù)權利要求3所述的一種基于無人機激光雷達的水庫岸坡巡檢系統(tǒng)，其特征在于：所述無線電導航模塊結(jié)合激光雷達傳感器的地形數(shù)據(jù)，采用多路徑評估算法，對由不同無線電基準站發(fā)送的信號路徑進行動態(tài)識別，得到導航數(shù)據(jù)，并規(guī)劃出無人機的最佳飛行路徑。
5.根據(jù)權利要求4所述的一種基于無人機激光雷達的水庫岸坡巡檢系統(tǒng)，其特征在于：所述無線電導航模塊得到導航數(shù)據(jù)并規(guī)劃出無人機最佳飛行路徑的過程如下：
6.根據(jù)權利要求5所述的一種基于無人機激光雷達的水庫岸坡巡檢系統(tǒng)，其特征在于：所述路徑規(guī)劃模塊用于通過無線電定向模塊得到的定向數(shù)據(jù)和無線電導航模塊獲得的導航數(shù)據(jù)，生成無人機的動態(tài)巡檢路線；動態(tài)巡檢路線生成期間，路徑規(guī)劃模塊采用預測算法依據(jù)無人機當前位置、飛行速度和地形結(jié)構，預判即將遇到的地形復雜度，然后對無人機的飛行參數(shù)進行實時調(diào)整，而得到動態(tài)巡檢路線。
7.根據(jù)權利要求6所述的一種基于無人機激光雷達的水庫岸坡巡檢系統(tǒng)，其特征在于：生成無人機的動態(tài)巡檢路線過程如下：
8.根據(jù)權利要求7所述的一種基于無人機激光雷達的水庫岸坡巡檢系統(tǒng)，其特征在于：在需要爬升或加速的區(qū)域提前規(guī)劃好能量消耗的過程如下：
9.根據(jù)權利要求8所述的一種基于無人機激光雷達的水庫岸坡巡檢系統(tǒng)，其特征在于：所述避障模塊包括碰撞預測單元和避障執(zhí)行單元；所述碰撞預測單元用于根據(jù)無線電導航模塊和激光雷達傳感器的地形數(shù)據(jù)，實時分析無人機周圍地形，構建碰撞預測模型，識別地形中潛在的障礙物或急劇變化區(qū)域，生成碰撞預測結(jié)果；所述避障執(zhí)行單元依據(jù)碰撞預測結(jié)果調(diào)整無人機飛行姿態(tài)和飛行速度；
10.根據(jù)權利要求9所述的一種基于無人機激光雷達的水庫岸坡巡檢系統(tǒng)，其特征在于：生成碰撞預測結(jié)果的過程：在無人機飛行過程中，碰撞預測單元實時獲取的導航數(shù)據(jù)和激光雷達數(shù)據(jù)進行預處理和特征提取，得到當前時刻的特征向量，將當前時刻的特征向量輸入到已經(jīng)構建好的碰撞預測模型中，碰撞預測模型根據(jù)輸入的特征向量，計算無人機在未來一段時間內(nèi)與周圍地形或障礙物發(fā)生碰撞的概率值，該概率值在0到1之間，0表示幾乎不可能發(fā)生碰撞，1表示極有可能發(fā)生碰撞，根據(jù)設定的碰撞閾值：0.5，判斷無人機是否存在碰撞風險，如果計算得到的碰撞概率大于等于碰撞閾值，則認為存在碰撞風險；否則，認為當前飛行狀態(tài)相對安全，如果判定存在碰撞風險，碰撞預測單元進一步生成碰撞預測結(jié)果，該碰撞預測結(jié)果包括預計碰撞的時間、位置、碰撞對象，以及碰撞的嚴重程度估計。
...【技術特征摘要】
1.一種基于無人機激光雷達的水庫岸坡巡檢方法，其特征在于，包括如下步驟：
2.一種基于無人機激光雷達的水庫岸坡巡檢系統(tǒng)，其特征在于：包括無人機平臺、無線電定向模塊、無線電導航模塊、激光雷達傳感器、避障模塊和路徑規(guī)劃模塊，其中：所述無人機平臺配置了無線電定向模塊和無線電導航模塊，通過接收岸邊設立的無線電基準站發(fā)出的無線電信號進行位置校準；所述激光雷達傳感器用于收集水庫岸坡的三維數(shù)據(jù)，得到地形數(shù)據(jù)；所述避障模塊結(jié)合無線電導航信號和激光雷達數(shù)據(jù)實時分析無人機周圍地形；所述路徑規(guī)劃模塊用于通過無線電定向模塊得到的定向數(shù)據(jù)和無線電導航模塊獲得的導航數(shù)據(jù)，生成無人機的動態(tài)巡檢路線；
3.根據(jù)權利要求2所述的一種基于無人機激光雷達的水庫岸坡巡檢系統(tǒng)，其特征在于：所述調(diào)整無線電定向模塊的通信頻率和發(fā)射功率的過程如下：無線電定向模塊持續(xù)采集通信相關數(shù)據(jù)，通信相關數(shù)據(jù)包括接收來自岸邊無線電基準站的信號強度、信號頻率、信號到達時間，同時記錄無人機的當前位置、飛行姿態(tài)以及周圍環(huán)境的一些基本特征，對采集到的通信相關數(shù)據(jù)進行預處理，去除噪聲干擾、數(shù)據(jù)歸一化，得到通信處理數(shù)據(jù)，利用環(huán)境適應算法對預處理后的通信處理數(shù)據(jù)進行分析，識別信號環(huán)境的變化，該環(huán)境適應算法結(jié)合多種因素考慮，包括信號強度的波動情況、信號頻率的穩(wěn)定性、信號到達時間的變化規(guī)律，得到信號環(huán)境變化的分析結(jié)果；
4.根據(jù)權利要求3所述的一種基于無人機激光雷達的水庫岸坡巡檢系統(tǒng)，其特征在于：所述無線電導航模塊結(jié)合激光雷達傳感器的地形數(shù)據(jù)，采用多路徑評估算法，對由不同無線電基準站發(fā)送的信號路徑進行動態(tài)識別，得到導航數(shù)據(jù)，并規(guī)劃出無人機的最佳飛行路徑。
5.根據(jù)權利要求4所述的一種基于無人機激光雷達的水庫岸坡巡檢系統(tǒng)，其特征在于：所述無線電導航模塊得到導航數(shù)據(jù)并規(guī)劃出無人機最佳飛行路徑的過程如下：
6.根據(jù)權利要求5所述的一種基于無人機激光雷達的水庫岸...
【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：呂寶雄，李少達，譚駿祥，楊振胤，孫建邦，李威，王慕華，張江，
申請(專利權)人：成都理工大學，
類型：發(fā)明
國別省市：
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