一种基于5G技术的铁路巡检无人机

摘要

本发明公开了一种基于5G技术的铁路巡检无人机，通过无人机携带激光成像雷达对接触网的接触线进行磨损检测，携带云台相机进行循迹飞行，携带高清摄像头对钢轨的断裂、形变进行识别，采用北斗定位模块实时定位无人机当前所在的位置，并在铁路沿线设有无线充电台，对无人机沿线巡检时提供充电的平台，提高无人机的巡航能力，并通过5G通信技术将采集到的数据实时传输至监控中心进行分析存储。也可以由监控中心通过5G通信技术向5G模块发送指令来控制无人机的飞行，当被巡检的铁路路段有列车通过时，监控中心提前自动向无人机发送有列车前往的信息，控制电路板便控制无人机改变飞行方向，飞往就近的无线充电台进行等待。

说明书

技术领域

本发明涉及铁路巡检领域，尤其涉及一种基于5G技术的铁路巡检无人机。

背景技术

随着我国铁路的高速发展，我国的铁路事业在世界上得到了很高的认可，很多国家都引进了我国的铁路技术，实行了我国的铁路规范。同时国内铁路也在不断地进行提速和革新，提高铁路检测的智能化是我国铁路行业优化升级和实现现代化的关键环节。如今，我国的铁路行业也朝着智能化而继续努力，铁路智能化对改造铁路传统产业，提高运输效率、提高服务质量、提升管理水平、保障运输安全、降低工作人员劳动强度，起到了不可或缺的作用。

一旦轨道上出现异物或者钢轨发生变形、断裂，将会严重影响列车安全运行，严重时还可能导致列车发生脱轨、侧翻等事故。此外在接触网中，接触线与受电弓直接接触，在受电弓的反复摩擦下，会导致受电弓出现磨损，严重时会导致接触线断裂，影响列车的供电安全。

现有技术中，主要采取人工或轨检车对铁路沿线巡检。其中人工沿线巡检是通过工作人员沿着铁路线路对轨道、接触网进行巡检，受工作人员经验的影响，导致对接触网的磨损情况、钢轨的变形、断裂情况的判断存在一定的误差，且大多数处于夜间工作，大大的增加了工作人员的劳动强度；巡检车沿铁路线路巡检时，能够对铁路沿线的基本情况进行检测，也需要夜间出动巡检，且一旦轨道出现形变、或存在大量的障碍物时，不能够继续前进。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种基于5G技术的铁路巡检无人机，通过无人机携带激光成像雷达对接触网的接触线进行磨损检测，携带云台相机进行循迹飞行，携带高清摄像头对钢轨的断裂、形变进行识别，携带5G模块将采集到的数据实时传输至监控中心进行分析存储，采用北斗定位模块实时定位无人机当前所在的位置，并在铁路沿线设有无线充电台，对无人机沿线巡检时提供充电的平台，提高无人机的巡航能力。有效的替代人工沿线巡检，提高了检测精度，降低工作人员的劳动强度，且不受轨道障碍物、钢轨形变、断裂的影响，正常沿线巡检。

为了实现上述目的，本发明提供的一种基于5G技术的铁路巡检无人机是这样实现的：

一种基于5G技术的铁路巡检无人机，包括无人机航模、风叶螺旋桨、旋转电机、调速器、蓄电池、云台相机、控制电路板、激光成像雷达、5G模块、北斗定位模块、高清摄像头、激光测距雷达、无线电能接收器、电压传感器、电流传感器、ZigBee路由器，由无人机航模、风叶螺旋桨、旋转电机、调速器、蓄电池、控制电路板组成无人机的主体结构，其中无人机航模的四个支架上分别安装有相同的旋转电机和调速器，每个旋转电机上安装有风叶螺旋桨，控制电路板、蓄电池安装在无人机航模中，由蓄电池为旋转电机、调速器、控制电路板供电，通过控制电路板控制调速器的输出，进而调速器对旋转电机进行调速，通过调节各个旋转电机不同转速来控制无人机的飞行方向和调节无人机的飞行高度，激光成像雷达、5G模块、北斗定位模块安装在无人机航模的上方，激光成像雷达用于检测接触线的磨损情况，在控制电路板中计算出接触线的直径，进而判断接触线的磨损程度，北斗定位模块用于实时定位无人机当前所在的位置，云台相机、高清摄像头、激光测距雷达、无线电能接收器、电压传感器、电流传感器、ZigBee路由器安装在无人机航模的底端，云台相机用于辅助无人机进行循迹飞行，高清摄像头对钢轨的断裂、形变进行识别，激光测距雷达用于检测无人机距离地面的高度，电压传感器、电流传感器用于分别检测蓄电池的电压和电流，并将检测到的电压电流信息传输至控制电路板。

本发明的云台相机辅助无人机进行循迹飞行的方案为：由于铁路轨道主要是由两根钢轨和轨枕组合而成的，所以通过云台相机采集钢轨的图像信息并传输至控制电路板进行图像识别处理，通过图像识别算法识别出两根钢轨所在的相对位置，以两根钢轨为循迹线，控制电路板便控制无人机沿着钢轨飞行。

本发明的高清摄像头对钢轨的断裂、形变进行识别的方案为：由于无人机是沿着轨道飞行的，所以无人机是悬在钢轨上空的，通过高清摄像头采集轨道的图片上传至控制电路板，在控制电路板中进行图像识别，在二值图像中，钢轨断裂处的像素会出现明显的不同，通过计算像素来判断钢轨是否断裂，而当钢轨发生形变时，两根钢轨之间的距离也会改变，且在图像中，钢轨的像素值与背景图的像素值存在明显的差异，通过计算两根钢轨像素值之间的间距来判断钢轨是否发生形变。

本发明在铁路沿线设有无线充电台，用于为无人机充电。

本发明的无线充电台包括支撑台、ZigBee终端节点、无线电能发射器、稳压器，稳压器安装在支撑台中，且稳压器连接在220V市电与无线电能发射器之间，将220V市电稳压后为无线电能发射器供电，ZigBee终端节点、无线电能发射器安装在支撑台上方，无线电能发射器用于为无线电能接收器供电，实现无人机的无线充电，ZigBee终端节点用于与ZigBee路由器建立无线连接关系。

本发明的无人机寻找无线充电台的方案为：在ZigBee终端节点和ZigBee路由器中设置相同的通信协议，只有无人机上的ZigBee路由器才能与无线充电台的ZigBee终端节点进行通信，当电压传感器、电流传感器检测到无人机的蓄电池电压电流低于预设值时，控制电路板控制控制ZigBee路由器打开，ZigBee路由器与最近的ZigBee终端节点建立通讯，调速器调节旋转电机的转速，进而调节无人机的方向向已经建立连接的ZigBee终端节点处飞去，停留在无线充电台上，接着无线电能发射器为无线电能接收器供电，通过无线电能接收器将电能传输给蓄电池，当电压传感器、电流传感器检测蓄电池的电压电流正常后，表明充电结束，控制电路板控制无人机飞往轨道上方继续巡检。

本发明的5G模块用于将控制电路板处理后的接触线磨损信息、无人机所在位置、钢轨形变、断裂信息、路况图片信息实时传输至监控中心，监控中心可根据无人机传来的铁路沿线信息确定需要维修的点，也可以由监控中心通过5G通信技术向5G模块发送指令来控制无人机的飞行，当被巡检的铁路路段有列车通过时，监控中心提前自动向无人机发送有列车前往的信息，控制电路板便控制无人机改变飞行方向，飞往就近的无线充电台进行等待。

本发明的无人机进行铁路巡检的方案为：不需要进行铁路巡检时，控制电路板控制无人机飞往就近无线充电台进行充电等候，需要进行铁路巡检时，控制电路板控制无人机飞往轨道上方，当激光测距雷达用于检测无人机距离地面的高度超出预设值时，控制电路板控制调速器来改变旋转电机的转速，进而调节无人机的飞行高度，当无人机的飞行高度处于预设值时，表示无人机的飞行高度正常，接着由云台相机采集轨道的图片信息，控制电路板根据云台相机采集到的图片信息来识别钢轨的位置，以两根钢轨作为循迹线进行飞行，当轨道上出现障碍物时，控制电路板便控制5G模块将障碍物图片信息传输至监控中心，通过高清摄像头对钢轨的裂缝、形变进行检测，当检测到钢轨出现裂缝或者形变时，表明钢轨出现了异常，控制电路板便控制5G模块向监控中心上传钢轨出现断裂或者形变的异常信息，通过激光成像雷达检测接触线的磨损情况，在控制电路板中计算出接触线的磨损程度，并将接触线异常信息上传至监控中心，当电压传感器、电流传感器检测到无人机的蓄电池电压电流低于预设值时，表明无人机需要充电，控制电路板控制无人机飞往就近的无线充电站进行充电，等待充电结束后继续飞往轨道上进行巡检，直到巡检结束。

本发明的控制电路板采用DSP控制板。

由于本发明采用无人机巡检和5G模块通讯的结构，从而可以得到以下有益效果：

通过无人机携带激光成像雷达对接触网的接触线进行磨损检测，携带云台相机进行循迹飞行，携带高清摄像头对钢轨的断裂、形变进行识别，采用北斗定位模块实时定位无人机当前所在的位置，并在铁路沿线设有无线充电台，对无人机沿线巡检时提供充电的平台，提高无人机的巡航能力，并通过5G通信技术将采集到的数据实时传输至监控中心进行分析存储。有效的替代人工沿线巡检，提高了检测精度，降低工作人员的劳动强度，且不受轨道障碍物、钢轨形变、断裂的影响，正常沿线巡检。

附图说明

图1为本发明一种基于5G技术的铁路巡检无人机的整体结构示意图；

图2为本发明一种基于5G技术的铁路巡检无人机的底部结构示意图；

图3为本发明一种基于5G技术的铁路巡检无人机的无线充电台的安装结构示意图；

图4为本发明一种基于5G技术的铁路巡检无人机的无线充电台的结构示意图；

图5为本发明一种基于5G技术的铁路巡检无人机的无人机寻找无线充电台的方案流程图；

图6为本发明一种基于5G技术的铁路巡检无人机的电路连接示意图。

主要元件符号说明。

具体实施方式

下面结合实施例并对照附图对本发明作进一步详细说明。

请参阅图1至图6，本发明中的一种基于5G技术的铁路巡检无人机，包括无人机航模1、风叶螺旋桨2、旋转电机3、调速器4、蓄电池5、云台相机6、控制电路板7、激光成像雷达8、5G模块9、北斗定位模块10、高清摄像头11、激光测距雷达12、无线电能接收器13、电压传感器14、电流传感器15、ZigBee路由器16。

如图1、图2所示，由所述的无人机航模1、风叶螺旋桨2、旋转电机3、调速器4、蓄电池5、控制电路板7组成无人机的主体结构，其中无人机航模1的四个支架上分别安装有相同的旋转电机3和调速器4，每个旋转电机3上安装有风叶螺旋桨2，控制电路板7、蓄电池5安装在无人机航模1中，由蓄电池5为旋转电机3、调速器4、控制电路板7供电，调速器4与旋转电机3、控制电路板7之间电性连接，由控制电路板7控制调速器4的输出电压值大小来调节旋转电机3的转速，通过控制电路板7控制调速器4的输出，进而调速器4对旋转电机3进行调速，通过调节各个旋转电机3不同转速来控制无人机的飞行方向和调节无人机的飞行高度，激光成像雷达8、5G模块9、北斗定位模块10安装在无人机航模1的上方，激光成像雷达8用于检测接触线的磨损情况，并将检测到的信息传输至控制电路板7进行处理，在控制电路板7中计算出接触线的直径，进而判断接触线的磨损程度，北斗定位模块10用于实时定位无人机当前所在的位置，便于监控中心得知无人机当前的位置，云台相机6、高清摄像头11、激光测距雷达12、无线电能接收器13、电压传感器14、电流传感器15、ZigBee路由器16安装在无人机航模1的底端，云台相机6用于辅助无人机进行循迹飞行，高清摄像头11对钢轨的断裂、形变进行识别，激光测距雷达12用于检测无人机距离地面的高度，控制电路板7根据激光测距雷达12检测到的距离来调节无人机的飞行高度，使无人机飞行高度处于预设值范围内，保持与轨道之间的距离，电压传感器14、电流传感器15用于分别检测蓄电池5的电压和电流，并将检测到的电压电流信息传输至控制电路板7，当蓄电池5的电压电流发生相应变化时，控制电路板7便控制无人机飞往就近无线充电台17进行充电，无线电能接收器13用于建立无人机与无线充电台17的充电连接，ZigBee路由器16用于辅助无人机寻找无线充电台17。

所述的云台相机6辅助无人机进行循迹飞行的方案为：由于铁路轨道主要是由两根钢轨和轨枕组合而成的，所以通过云台相机6采集钢轨的图像信息并传输至控制电路板7进行图像识别处理，通过图像识别算法识别出两根钢轨所在的相对位置，以两根钢轨为循迹线，控制电路板7便控制无人机沿着钢轨飞行。

所述的高清摄像头11对钢轨的断裂、形变进行识别的方案为：由于无人机是沿着轨道飞行的，所以无人机是悬在钢轨上空的，通过高清摄像头11采集轨道的图片上传至控制电路板7，在控制电路板7中进行图像识别，在二值图像中，钢轨断裂处的像素会出现明显的不同，通过计算像素来判断钢轨是否断裂，而当钢轨发生形变时，两根钢轨之间的距离也会改变，且在图像中，钢轨的像素值与背景图的像素值存在明显的差异，通过计算两根钢轨像素值之间的间距来判断钢轨是否发生形变。

如图3所示，在铁路沿线设有无线充电台17，用于为无人机充电，当无人机需要充电时，可以飞往就近的无线充电台17进行充电。

如图4所示，所述的无线充电台17包括支撑台18、ZigBee终端节点19、无线电能发射器20、稳压器21，稳压器21安装在支撑台18中，且稳压器21连接在220V市电与无线电能发射器20之间，将220V市电稳压后为无线电能发射器20供电，ZigBee终端节点19、无线电能发射器20安装在支撑台18上方，无线电能发射器20用于为无线电能接收器13供电，实现无人机的无线充电，ZigBee终端节点19用于与ZigBee路由器16建立无线连接关系。

本发明的无人机寻找无线充电台17的方案为：在ZigBee终端节点19和ZigBee路由器16中设置相同的通信协议，只有无人机上的ZigBee路由器16才能与无线充电台17的ZigBee终端节点19进行通信，当电压传感器14、电流传感器15检测到无人机的蓄电池5电压电流低于预设值时，控制电路板7控制控制ZigBee路由器16打开，ZigBee路由器16与最近的ZigBee终端节点19建立通讯，调速器4调节旋转电机3的转速，进而调节无人机的方向向已经建立连接的ZigBee终端节点19处飞去，停留在无线充电台17上，接着无线电能发射器20为无线电能接收器13供电，通过无线电能接收器13将电能传输给蓄电池5，当电压传感器14、电流传感器15检测蓄电池5的电压电流正常后，表明充电结束，控制电路板7控制无人机飞往轨道上方继续巡检。

所述的5G模块9用于将控制电路板7处理后的接触线磨损信息、无人机所在位置、钢轨形变、断裂信息、路况图片信息实时传输至监控中心，监控中心可根据无人机传来的铁路沿线信息确定需要维修的点，进而实现有针对性、目的性的进行检修，降低工作人员的劳动强度，也可以由监控中心通过5G通信技术向5G模块9发送指令来控制无人机的飞行，当被巡检的铁路路段有列车通过时，监控中心提前自动向无人机发送有列车前往的信息，控制电路板7便控制无人机改变飞行方向，飞往就近的无线充电台17进行等待。

如图5所示，所述的无人机进行铁路巡检的方案为：不需要进行铁路巡检时，控制电路板7控制无人机飞往就近无线充电台17进行充电等候，需要进行铁路巡检时，控制电路板7控制无人机飞往轨道上方，当激光测距雷达12用于检测无人机距离地面的高度超出预设值时，控制电路板7控制调速器4来改变旋转电机3的转速，进而调节无人机的飞行高度，当无人机的飞行高度处于预设值时，表示无人机的飞行高度正常，接着由云台相机6采集轨道的图片信息，控制电路板7根据云台相机6采集到的图片信息来识别钢轨的位置，以两根钢轨作为循迹线进行飞行，当轨道上出现障碍物时，控制电路板7便控制5G模块9将障碍物图片信息传输至监控中心，通过高清摄像头11对钢轨的裂缝、形变进行检测，当检测到钢轨出现裂缝或者形变时，表明钢轨出现了异常，控制电路板7便控制5G模块9向监控中心上传钢轨出现断裂或者形变的异常信息，通过激光成像雷达8检测接触线的磨损情况，在控制电路板7中计算出接触线的磨损程度，并将接触线异常信息上传至监控中心，当电压传感器14、电流传感器15检测到无人机的蓄电池5电压电流低于预设值时，表明无人机需要充电，控制电路板7控制无人机飞往就近的无线充电站进行充电，等待充电结束后继续飞往轨道上进行巡检，直到巡检结束。

本发明的控制电路板7采用DSP控制板。

本发明的工作原理与工作过程如下：

如图6所示，控制电路板7根据云台相机6采集到的钢轨图片作为循迹路线控制无人机沿着钢轨飞行，控制电路板7控制调速器4的输出，进而调速器4对旋转电机3进行调速，通过调节各个旋转电机3不同转速来控制无人机的飞行方向和调节无人机的飞行高度，高清摄像头11采集轨道的图片上传至控制电路板7，在控制电路板7中进行图像识别，识别出钢轨的断裂情况和形变情况，控制电路板7根据激光测距雷达12检测到的距离来调节无人机的飞行高度，使无人机飞行高度处于预设值范围内，保持与轨道之间的距离，激光成像雷达8检测接触线的磨损情况，并将检测到的信息传输至控制电路板7进行处理，在控制电路板7中计算出接触线的直径，进而判断接触线的磨损程度，北斗定位模块10用于实时定位无人机当前所在的位置，并将检测到的位置信息传输至控制电路板7，电压传感器14、电流传感器15分别检测蓄电池5的电压和电流，并将检测到的电压电流信息传输至控制电路板7，当蓄电池5的电压电流发生相应变化时，控制电路板7控制控制ZigBee路由器16打开，ZigBee路由器16与最近的ZigBee终端节点19建立通讯，调速器4调节旋转电机3的转速，进而调节无人机的方向向已经建立连接的ZigBee终端节点19处飞去，停留在无线充电台17上进行充电，由控制电路板7控制5G模块9将控制电路板7处理后的接触线磨损信息、无人机所在位置、钢轨形变、断裂信息、路况图片信息实时传输至监控中心，监控中心可根据无人机传来的铁路沿线信息确定需要维修的点，也可以由监控中心通过5G通信技术向5G模块9发送指令来控制无人机的飞行，当被巡检的铁路路段有列车通过时，监控中心提前自动向无人机发送有列车前往的信息，控制电路板7便控制无人机改变飞行方向，飞往就近的无线充电台17进行等待。