[发明专利]一种隧道智能无人机巡检方法

权利要求书

1.一种隧道智能无人机巡检方法，采用隧道智能无人机巡检系统；其特征在于：所述系统包括无人机、飞行控制器、机载计算机、惯性测量单元IMU、单目黑白相机、高分辨率相机、单点激光测距仪、气压计、二维激光雷达和照明设备；

所述飞行控制器用于控制所述无人机的起飞、移动、降落；

所述机载计算机、单目黑白相机、惯性测量单元IMU分别与所述飞行控制器连接，用于计算视觉惯导里程计，对无人机自身进行定位导航；

所述单点激光测距仪、气压计分别与所述飞行控制器连接，用于对无人机飞行高度的测量，实现稳定飞行；

所述二维激光雷达和所述机载计算机连接，用于对隧道周围环境进行感知，实现有效地避障、对隧道曲折方向的估计以及实时路线调整；

所述照明装置用于为隧道提供稳定的光照环境，由无人机的电池供电，安装在无人机的机架前端；

所述高分辨率相机和所述机载计算机相连接，采集高分辨率的图像，用于稠密的三维重建；

所述飞行控制器、机载计算机、惯性测量单元IMU、单目黑白相机、高分辨率相机、单点激光测距仪、气压计、二维激光雷达均固定安装在传感器放置架上，所述放置架固定设置在所述无人机的机架上方；

所述方法包括以下步骤：

步骤1：以单目黑白相机和惯性测量单元IMU计算视觉里程计，同时结合二维激光雷达、单点激光测距仪、气压计的数据，实现无人机在隧道内的定位和精准地导航飞行；

步骤1中，机载计算机通过处理单目黑白相机和惯性测量单元IMU的数据，利用VINS-Mono算法计算视觉惯性里程计实现无人机在隧道内的定位；

如果由于环境因素而造成单目黑白相机采集到的图像检测不到特征点，则切换使用二维激光雷达采集的信息，通过计算无人机距离隧道左右两侧墙面的距离，保证无人机在左右两墙面间的中心处飞行；同时，在单目黑白相机拍摄的图像中能检测到特征点时，重新初始化视觉惯性里程计，切换回使用视觉惯性里程计定位；

无人机的高度信息由单点激光测距仪和气压计相结合提供；

所述利用VINS-Mono算法计算视觉惯性里程计实现无人机在隧道内的定位；

首先使用纯视觉的单目位姿估计方法，通过初始的若干图像帧，在一个局部滑动窗口中恢复初始的图像帧位姿和三维点坐标，完成对无人机的位姿初始化；

然后将视觉估计得结果与惯性测量单元 IMU 预积分的值进行对齐，实现对陀螺仪偏置的校正，求解重力向量方向，并恢复单目黑白相机的尺度因子，得到单目黑白相机和惯性测量单元IMU 的约束关系，统一两个坐标系，将单目黑白相机坐标系和惯性测量单元IMU坐标系进行对齐后，在图像上的所有计算将以惯性测量单元 IMU 坐标系作为机体坐标系，使所有坐标转换后具有一致的变换；

最后通过最小化特征点重投影误差来求解单目黑白相机位姿和三维特征点的最优估计，同时，引入惯性测量单元IMU数据对位姿估计进行补偿，获得更好的估计效果；

步骤2：使用二维激光雷达对隧道进行感知，包括对隧道墙面进行估计，得出无人机前进的航向角，以及感知周围的障碍物，进行无人机避障；

步骤3：利用照明装置为隧道提供稳定的光照环境，由高分辨率相机采集隧道内的影像，同时恢复相机的运动轨迹，结合高分辨率相机拍摄的图像，进行隧道的三维重建；

步骤4：结合GPS信号和二维激光雷达，判断无人机是否通过隧道；

如果通过隧道，则利用GPS信号飞往降落点降落，否则继续按照隧道墙面方向向前飞行。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述飞行控制器、机载计算机、惯性测量单元IMU、单目黑白相机、高分辨率相机、单点激光测距仪、气压计、二维激光雷达均固定安装在传感器放置架上，所述传感器放置架通过对飞行控制器、机载计算机、惯性测量单元IMU、单目黑白相机、高分辨率相机、单点激光测距仪、气压计、二维激光雷达和无人机电池不对称的布局放置，使得无人机的重心保持在无人机的几何中心。