基于无人机载激光甲烷检测仪的甲烷检测系统及检测方法与流程

1.本发明涉及燃气管道泄露检测系统领域，具体为基于无人机载激光甲烷检测仪的甲烷检测系统及检测方法。


背景技术：

2.随着社会的不断发展，燃气这种绿色环保的清洁能源，在人类生活中变得越来越重要，燃气事业也迎来了快速发展的机会。然而燃气发展的同时伴随着巨大的危机，突发天然气泄露引发的恶性事故频频发生，造成重大人员伤亡和财产损失，使生态环境受到严重破坏。燃气管网泄漏造成的损害范围大，后果严重。
3.高压燃气管道具有距离长、范围广、途经地貌复杂的特点，许多地段受环境恶劣、交通不便等不利因素制约，在一定程度上给管道定期巡检带来困难，目前燃气公司对管线的维护工作主要依靠人工日常巡检，工作人员配备相应的手持巡检设备，通过步行或开车的方式来进行燃气管线巡检，这种方法受气候影响大、设备故障率高、山区数据信号较差等因素的影响，导致全年巡检数据零散，巡检结果数据的记录过程耗时耗力，巡检数据很多时候不能完整的反应是否泄露以及泄露的具体情况，同时导致许多隐患不能及时被发现和治理，进而引发事故。
4.随着管线建设的不断加快，管线越来越多地需要通过人口居住的地区，这导致了第三方非法占压的事件不断发生。此情况下由于管线不能正常检测维护，容易腐蚀发生穿孔，造成泄漏；同时占压造成管道变形发生裂管事件，造成燃气泄漏；燃气泄漏后无法及时抢修，产生次生灾害等。现有无人机高压燃气管道巡线方案仅搭载甲烷监测设备进行巡检，虽然甲烷监测设备加装了摄像头，而无人机巡线时由于无人机高度的变化，以及启停、加减速、转弯等情况下会产生一定的俯仰角，这样就会导致甲烷检测设备脱离检测区域，同时导致摄像头难以拍摄清晰的管线环境信息图片，进而无法判断是否存在第三方占压等情况。


技术实现要素：

5.针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于无人机载激光甲烷检测仪的甲烷检测系统及检测方法，该系统使用无人机搭载激光甲烷遥测仪和可见光吊舱的双挂载平台来执行巡检任务，本系统结构简单、设计合理且智能化较高，能有效解决现有管线巡检中存在的人工操作繁琐、复杂环境下的管线泄露监测、巡检数据碎片化监控片面化、第三方占压或破坏导致泄露等问题。
6.本发明是通过以下技术方案来实现：
7.一种基于无人机载激光甲烷检测仪的甲烷检测系统，包括地面控制终端、无人机(1)和激光甲烷检测模块；
8.所述激光甲烷检测模块通过电动吊架设置在无人机的底部，所述甲烷检测模块包括激光器(21)和对准摄像头(22)，激光器(21)的激光束和对准摄像头(22)的光轴平行设置，并位于同一垂直平面，激光器(21)用于检测巡检区域的甲烷浓度，对准摄像头用于拍摄
巡检区域的图像；
9.所述无人机用于根据俯仰角调节激光甲烷检测模块的角度，使激光甲烷检测模块始终位于当前的巡检区域；
10.所述激光甲烷检测模块通过无人机与地面控制终端连接，地面控制终端用于对甲烷浓度信息、飞行路径以及视频信息按照时间进行融合，生成检测区域的甲烷浓度变化图。
11.优选的，所述对准摄像头固定在激光器的底部，并且对准摄像头和激光器同步移动。
12.优选的，所述电动吊架的调节范围为-10
°‑
90
°
。
13.优选的，所述无人机包括无人机本体，以及设置在其上的动力系统模块、控制模块、无线通讯模块以及gps定位模块；
14.动力系统模块，用于给无人机本体提供飞行动力；
15.gps定位模块，用于对无人机本体提供实时的位置信息；
16.无线通讯模块，用于无人机本体与地面控制终端的数据交互；
17.控制模块，用于根据无人机的俯仰角调节电动吊架的角度。
18.一种基于无人机载激光甲烷检测仪的甲烷检测系统的检测方法，包括以下步骤：
19.根据管线地图规划无人机的飞行路径，设置激光甲烷检测模块的检测角度；
20.实时获取无人机的俯仰角，当俯仰角超出设定俯仰角的设定阈值范围，则无人机的控制单元根据当前无人机的俯仰角通过电动吊架调节激光甲烷检测模块的检测角度，调整后的激光甲烷检测模块对预定的检测区域进行甲烷检测，同时获取检测区清晰图像，并根据检测区域的图像确定检测区域的占压情况；
21.地面控制终端实时获取无人机的飞行路径、甲烷检测信息以及图像信息，并根据时间将飞行路径、甲烷检测信息以及图像信息进行融合，生成巡检区域的甲烷浓度分布图。
22.优选的，所述检测角度为激光光束与垂直面的夹角，夹角为30
°
。
23.优选的，所述地面控制终端实时获取无人机的飞行数据，将无人机的位置数据实时做点连线，得到无人机的实际飞行轨迹，将实际飞行轨迹与规划的飞行路径进行对比判断是否偏离巡检路线；
24.当无人机的实际飞行轨迹与规划的飞行路径发生偏航，当偏航距离大于设置的最大偏航距离，则以规划的飞行路径对无人机的航迹进行修正。
25.优选的，当检测区域的甲烷浓度超出初始设定阈值，则地面控制终端输出报警信号，并将无人机的自动巡检模式修改为手动巡检模式，由地面控制终端的工作人员在报警区域进行环绕飞行检测；
26.完成该报警区域的检测后，将无人机切换至自动巡检模式，无人机以设定的飞行路径为目标更新导航路径，并根据更新导航路径继续执行巡检任务。
27.与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
28.本发明提供的基于无人机载激光甲烷检测仪的甲烷检测系统，在无人机的底部通过电动吊架搭载激光器和对准摄像头，根据无人机融合的俯仰角，并结合电动吊架对激光器和对准摄像头的俯仰角进行调节，使激光器始终处于检测区域，同时保证对准摄像头拍摄的图像清晰度，激光器负责甲烷浓度检测，其使用一束特定波长的激光通过被测空间，如果该空间中存在甲烷分子，甲烷分子吸收激光，从而被检出，同时对准摄像头用于解决远距
离、高亮度条件下指示激光可视性差，无法明确判定检测点的问题，根据其拍摄的高清图像确定检测区域是否存在占压问题，其次，将无人机的位置信息、激光器的检测信息以及拍摄的图像根据时间进行融合，形成随地点变化的浓度变化图，便于更快速确定甲烷泄露具体地点。
附图说明
29.图1为本发明巡检无人机的结构示意图；
30.图2为本发明甲烷检测系统的结构框图；
31.图3为本发明甲烷检测系统的检测方法流程图。
32.图中：1、无人机；2、信息采集模块；21为激光器，22为对准摄像头，23为高清摄像机，24为电动吊架。
具体实施方式
33.下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
34.参阅图1，一种基于无人机载激光甲烷检测仪的甲烷检测系统，包括地面控制终端、无人机1和信息采集模块2；所述无人机包括无人机本体，以及设置在其上的动力系统模块、飞控模块、无线通讯模块以及gps定位模块。
35.动力系统模块，用于给无人机本体提供飞行动力；gps定位模块用于对无人机本体提供实时的位置信息；无线通讯模块用于无人机本体与地面控制终端的实时通讯，实现无人机本体与控制终端的交互数据的传送或者接收；机载飞控模块用于根据控制终端的指令，实现自动起飞、自动降落，并按照指定的航线进行巡检作业。地面站与无人机之间所有的数据均是通过无线通讯模块进行通信，地面控制终端接受来自无人机发送的下行数据链，同时发送上行数据链给无人机。
36.所述信息采集模块2包括摄像模块和甲烷检测模块。
37.所述摄像模块包括高清摄像机23，用于对无人机本体飞行过程中的目标图像信息进行抓拍和采集；
38.所述甲烷检测模块包括激光器21和对准摄像头22，激光甲烷检测模块主要由激光器、对准摄像头以及电动吊架构成，激光器用于甲烷浓度检测，其使用一束特定波长的激光通过被测空间，如果该空间中存在甲烷分子，甲烷分子吸收激光从而被检出。同时将测得浓度数据通过无人机系统的无线通讯模块实时传输给地面控制系统，进行实时监测。
39.对准摄像头用于解决远距离、高亮度条件下指示激光可视性差，无法明确判定检测点的问题，便于实时观察并确定检测目标，其显示内容同样通过无人机系统的无线通讯模块传输给地面控制系统。电动吊架负责兼顾多方向的甲烷检测的需求，可在地面控制系统的遥控器控制下自动将激光器的指向从+10
°
～-90
°
进行调节，改变激光射出方向。
40.激光器与对准摄像头并列安装在电动吊架下方，电动吊架与无人机连接，对准摄像头的对准镜头光路和激光器的检测激光光路平行，镜头所拍摄画面的中心即甲烷探测器对准位置。
41.参阅图2和3，下面对本发明提供的基于无人机载激光甲烷检测仪的甲烷检测系统
的检测方法进行详细的说明，包括以下过程：
42.步骤1、无人机执行巡检任务起飞前，通过地面控制终端根据需要巡检的管线地图规划无人机的飞行路径；设定激光器波长，使其波长处于天然气的吸收带；设定甲烷浓度检测阈值；设定最大偏航距离。
43.步骤2、通过电动吊架调整激光器的光路角度，为了让竖直向上扩散的甲烷分子尽可能多地出现在检测光路上，一般设置激光器光路方向与无人机的水平飞行方向夹角成72
°
。
44.步骤3、无人机起飞后，并将按照设定的飞行路径进行飞行，地面控制终端对无人机的飞行状态实时控制，飞行状态包括无人机的飞行速度、飞行高度、飞行姿态以及悬停时间。
45.步骤4、无人机系统中内嵌gps定位导航模块，可实时跟踪巡检踪迹，精准定位检测点，并将无人机的飞行路径发送给地面控制终端，并形成巡检轨迹地图，当无人机的飞行路径与管线的路径发生偏航，当偏航距离大于设置的最大偏航距离，则以管线路径对无人机的航迹进行修正。
46.将无人机的位置数据实时做点连线，得到无人机的实际飞行轨迹，将实际飞行轨迹与设计飞行轨迹进行对比判断是否偏离巡检路线。
47.步骤5、无人机巡检过程中，激光器21将飞行路径上检测到的甲烷浓度信息实时传送给地面控制终端，同时对准摄像头22和高清相机拍摄的视频信息发送给地面控制终端，地面控制终端的数据显示单元中显示甲烷浓度信息以及视频信息，将甲烷浓度信息、飞行路径以及视频信息按照时间进行整合，形成随地点变化的浓度变化图，便于更快速确定甲烷泄露具体地点。
48.步骤6、如果检测到的甲烷浓度超出初始设定阈值，则地面控制终端输出报警信号，并将无人机的自动巡检模式修改为手动巡检模式，由地面控制终端的工作人员在报警区域悬停检测，或环绕飞行检测，以获取泄露区域更多信息，完成该报警区域的检测后，将无人机切换至自动巡检模式，无人机以设定的飞行路径为目标更新导航路径，并根据更新导航路径继续执行巡检任务。
49.步骤7、当激光器所发射光路发生偏离，对电动吊架24进行吊舱角度的调节，实现激光器光路的俯仰角度的调整，调整后的激光器对预定的检测区域进行甲烷检测，同时对准摄像头获取检测区清晰图像，并根据图像确定检测区域的占压情况。
50.具体调整方法如下：
51.s7.1、在无人机执行巡检任务前，设置激光器和对准摄像头的光路角度，使对准摄像头能够获取拍摄区域的图像。
52.在本实施例中，由于对准摄像头固定设置在激光器的底部，激光器的光路与对准摄像头的光轴平行设置，并且两者通过电动吊架同步调节，激光器的俯仰角为60
°
，即光路与无人机的水平夹角为60
°
。
53.s7.2、实时获取无人机融合的俯仰角，当俯仰角的大于设定阈值后，以激光器光路的设定角度为起始角度，根据俯仰角对激光器光路角度进行调节，调节值我俯仰角的相反数。
54.电动吊架负责激光器的光路角度调节，其调整的平面为飞机俯仰角发生平面，调
节的角度在+10
°
～-90
°
。因电动吊舱活动的角度只存在于俯仰角平面，因此在无人机飞行过程中，需要保持稳定的滚转角以及正确的飞行航向(保证偏航角)。飞机的滚转角和偏航角主要由飞控中的导航模块和来负责迭代更新。通过一定的扩展卡尔曼滤波算法进行实时解算。
55.无人机执行巡检任务中，旋翼机只有在进行较大角度协调转弯时才会有较大的滚转角，但是管线绵延一般以直线为主，转弯也是较小角度，这里也可忽略滚转角对激光对准的影响，无人机巡检时激光所测位置并非飞机正下方，而是正下方靠前的30
°
角左右的夹角进行激光发射检测，主要考虑飞机的俯仰角发生变化所造成的激光对准问题，旋翼机在启停、加减速、转弯等情况下会产生一定的俯仰角，且主要是发生抬头情况，无人机抬头过大将导致激光无法对准既定区域，可能发生误检、漏检等情况，同时造成图像拍摄不清楚的问题。电动转台的设计就是针对这个问题。
56.飞机在执行飞行任务中时，当融合出的姿态角显示超出
±
15
°
的阈值后，将电动吊架以30
°
为中心，进行角度调节，调节的值为俯仰角的相反数，具体可通过无人机的核心控制mcu输出一路pwm来控制电动吊架的舵机转动，实现激光器的俯仰角度的调节，电动吊架的核心起点是否以30
°
为初始，可通过上下行数据链，借由地面站软件来进行控制，地面操作人员可通过高清摄像头所返回的实时数据，调整初始偏转夹角，实时角度转动以飞控输出，由此以解决飞机的定位准确问题，保证所测区域为期望区域。
57.本发明提供的基于无人机载激光甲烷检测仪的甲烷检测系统，在无人机的底部通过电动吊架搭载激光器和对准摄像头，根据无人机融合的俯仰角，并结合电动吊架对激光器和对准摄像头的俯仰角进行调节，使激光器始终处于检测区域，同时保证对准摄像头拍摄的图像清晰度，激光器负责甲烷浓度检测，其使用一束特定波长的激光通过被测空间，如果该空间中存在甲烷分子，甲烷分子吸收激光，从而被检出，同时对准摄像头用于解决远距离、高亮度条件下指示激光可视性差，无法明确判定检测点的问题，根据其拍摄的高清图像确定检测区域是否存在占压问题，其次，将无人机的位置信息、激光器的检测信息以及拍摄的图像根据时间进行融合，形成随地点变化的浓度变化图，便于更快速确定甲烷泄露具体地点。
58.以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于无人机载激光甲烷检测仪的甲烷检测系统，其特征在于，包括地面控制终端、无人机(1)和激光甲烷检测模块；所述激光甲烷检测模块通过电动吊架设置在无人机的底部，所述甲烷检测模块包括激光器(21)和对准摄像头(22)，激光器(21)的激光束和对准摄像头(22)的光轴平行设置，并位于同一垂直平面，激光器(21)用于检测巡检区域的甲烷浓度，对准摄像头用于拍摄巡检区域的图像；所述无人机用于根据俯仰角调节激光甲烷检测模块的角度，使激光甲烷检测模块始终位于当前的巡检区域；所述激光甲烷检测模块通过无人机与地面控制终端连接，地面控制终端用于对甲烷浓度信息、飞行路径以及视频信息按照时间进行融合，生成检测区域的甲烷浓度变化图。2.根据权利要求1所述的一种基于无人机载激光甲烷检测仪的甲烷检测系统，其特征在于，所述对准摄像头固定在激光器的底部，并且对准摄像头和激光器同步移动。3.根据权利要求1所述的一种基于无人机载激光甲烷检测仪的甲烷检测系统，其特征在于，所述电动吊架的调节范围为-10
°‑
90
°
。4.根据权利要求1所述的一种基于无人机载激光甲烷检测仪的甲烷检测系统，其特征在于，所述无人机包括无人机本体，以及设置在其上的动力系统模块、控制模块、无线通讯模块以及gps定位模块；动力系统模块，用于给无人机本体提供飞行动力；gps定位模块，用于对无人机本体提供实时的位置信息；无线通讯模块，用于无人机本体与地面控制终端的数据交互；控制模块，用于根据无人机的俯仰角调节电动吊架的角度。5.一种权利要求1-4任一项所述的一种基于无人机载激光甲烷检测仪的甲烷检测系统的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：根据管线地图规划无人机的飞行路径，设置激光甲烷检测模块的检测角度；实时获取无人机的俯仰角，当俯仰角超出设定俯仰角的设定阈值范围，则无人机的控制单元根据当前无人机的俯仰角通过电动吊架调节激光甲烷检测模块的检测角度，调整后的激光甲烷检测模块对预定的检测区域进行甲烷检测，同时获取检测区清晰图像，并根据检测区域的图像确定检测区域的占压情况；地面控制终端实时获取无人机的飞行路径、甲烷检测信息以及图像信息，并根据时间将飞行路径、甲烷检测信息以及图像信息进行融合，生成巡检区域的甲烷浓度分布图。6.根据权利要求5所述的一种基于无人机载激光甲烷检测仪的甲烷检测系统的检测方法，其特征在于，所述检测角度为激光光束与垂直面的夹角，夹角为30
°
。7.根据权利要求5所述的一种基于无人机载激光甲烷检测仪的甲烷检测系统的检测方法，其特征在于，所述地面控制终端实时获取无人机的飞行数据，将无人机的位置数据实时做点连线，得到无人机的实际飞行轨迹，将实际飞行轨迹与规划的飞行路径进行对比判断是否偏离巡检路线；当无人机的实际飞行轨迹与规划的飞行路径发生偏航，当偏航距离大于设置的最大偏航距离，则以规划的飞行路径对无人机的航迹进行修正。8.根据权利要求5所述的一种基于无人机载激光甲烷检测仪的甲烷检测系统的检测方
法，其特征在于，当检测区域的甲烷浓度超出初始设定阈值，则地面控制终端输出报警信号，并将无人机的自动巡检模式修改为手动巡检模式，由地面控制终端的工作人员在报警区域进行环绕飞行检测；完成该报警区域的检测后，将无人机切换至自动巡检模式，无人机以设定的飞行路径为目标更新导航路径，并根据更新导航路径继续执行巡检任务。

技术总结
本发明公开了一种基于无人机载激光甲烷检测仪的甲烷检测系统及检测方法，包括地面控制终端、无人机和激光甲烷检测模块；所述激光甲烷检测模块通过电动吊架设置在无人机的底部，所述甲烷检测模块包括激光器和对准摄像头，激光器的激光束和对准摄像头的光轴平行设置，并位于同一垂直平面，激光器用于检测巡检区域的甲烷浓度，对准摄像头用于拍摄巡检区域的图像；该系统使用无人机搭载激光甲烷遥测仪和可见光吊舱的双挂载平台来执行巡检任务，结构简单设计合理且智能化较高，能有效解决现有管线巡检中存在的人工操作繁琐、复杂环境下的管线泄露监测、巡检数据碎片化监控片面化、第三方占压或破坏导致泄露等问题。三方占压或破坏导致泄露等问题。三方占压或破坏导致泄露等问题。


技术研发人员：高杰 沈楷清
受保护的技术使用者：西安万飞控制科技有限公司
技术研发日：2023.02.09
技术公布日：2023/5/16