一種基于空軌兩用無人機的高速鐵路安全檢測系統(tǒng)的制作方法

本發(fā)明涉及無人機領(lǐng)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(tǒng)。
背景技術(shù)：
：目前，我國高速鐵路線路質(zhì)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(fā)展，人工巡檢的方式已經(jīng)完全不能適應(yīng)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(biāo)、列車動力指標(biāo)的檢測主要為軌檢車、人工巡查等檢測方式相結(jié)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(shù)應(yīng)用僅限對超限數(shù)據(jù)進行單次分析，對非超限數(shù)據(jù)挖掘不夠，對歷史規(guī)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(tǒng)的高速鐵路安全檢測方法是基于“地面”的檢測技術(shù)，在山路或者隧道里難免會出現(xiàn)“死角”，并且，針對當(dāng)前的軌道安全的檢測過度依賴于某一檢測來源數(shù)據(jù)，養(yǎng)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(shù)，靈活性不太高，如何實現(xiàn)高速鐵路的空中安全檢測保護還未曾涉及?，F(xiàn)有技術(shù)中的采用無人機檢測軌道缺陷的方法中，只能根據(jù)空中采集的圖像數(shù)據(jù)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(xù)行駛，因此其無法應(yīng)用到鐵軌的精確檢測上。本發(fā)明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(tǒng)，該系統(tǒng)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(zhǔn)檢測優(yōu)勢，當(dāng)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(dāng)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(jù)現(xiàn)場需求靈活搭配安排、隨時切換，突破解決了傳統(tǒng)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(shù)實現(xiàn)要素：為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的目的是提供一種具有快速靈活和高精準(zhǔn)檢測兩種巡檢模式的高速鐵路安全檢測系統(tǒng)，具體采用如下技術(shù)方案：該系統(tǒng)包括無人機，其包括用于控制行駛狀態(tài)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(shè)置無人機的飛行路線的路徑規(guī)劃模塊，以及用于向所述機載控制模塊發(fā)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(jiān)控中心，其包括用于監(jiān)控?zé)o人機的飛行狀態(tài)的監(jiān)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(jié)果的存儲單元，以及無人機行駛過程中出現(xiàn)意外情況時采取相應(yīng)措施的應(yīng)急處理單元；無線通信模塊，用于無人機、地面站、遠程監(jiān)控中心之間的無線通信。優(yōu)選地，所述無人機還包括提供空中飛行動力的旋轉(zhuǎn)葉片、提供沿軌道行駛動力的推動螺旋槳。優(yōu)選地，所述機載控制模塊接收到地面站的任務(wù)指令后，啟動旋轉(zhuǎn)葉片并控制推動螺旋槳保持關(guān)閉狀態(tài)，所述無人機按照所述地面站規(guī)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(fā)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(yōu)選地，當(dāng)所述監(jiān)控模塊檢測到無人機飛行軌跡出現(xiàn)偏離時，應(yīng)急處理單元向地面站發(fā)送警報信號，地面控制模塊檢測是否與無人機失聯(lián)，如已失聯(lián)，則將無人機編號發(fā)送回遠程監(jiān)控中心；如未失聯(lián)，則根據(jù)無人機當(dāng)前位置信息控制其運行方向使其回到預(yù)設(shè)的飛行路線中。優(yōu)選地，無人機還包括通過伸縮連桿連接在其機體兩側(cè)的水平導(dǎo)向輪，以及用于測量水平導(dǎo)向輪與鋼軌的距離的超聲波測距儀。優(yōu)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(fā)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(guān)閉旋轉(zhuǎn)葉片并控制超聲波測距儀開始實時測量水平導(dǎo)向輪與鋼軌的距離，機載控制模塊根據(jù)所述距離控制伸縮連桿伸長直至水平導(dǎo)向輪接觸至工字鋼的內(nèi)側(cè)，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(shù)據(jù)。優(yōu)選地，當(dāng)所述監(jiān)控模塊檢測到無人機未在軌道上行駛時，應(yīng)急處理單元向地面站發(fā)送警報信號，地面控制模塊檢測是否與無人機失聯(lián)，如已失聯(lián)，則將無人機編號發(fā)送回遠程監(jiān)控中心；如未失聯(lián)，則地面控制模塊先向機載控制模塊發(fā)送重新起飛指令，機載控制模塊收到重新起飛信號后關(guān)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(zhuǎn)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(fā)送降落指令，使無人機重新回到沿軌道行駛狀態(tài)。本發(fā)明具有如下有益效果：本發(fā)明的方案具有高便攜，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(yōu)點，可替代人工和軌檢車等傳統(tǒng)巡檢方式，為高速軌道評價線路安全狀態(tài)、科學(xué)制定大維修計劃、合理安排日常維修和推進實現(xiàn)我國“空天車地”信息一體化軌道交通安全保障目標(biāo)提出模型和理論依據(jù)。附圖說明圖1為本發(fā)明的無人機立體結(jié)構(gòu)圖。圖2為本發(fā)明的無人機側(cè)視結(jié)構(gòu)圖。圖3為本發(fā)明軌道缺陷檢測方法流程圖。圖4為本發(fā)明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為本發(fā)明高速鐵路軌道檢測系統(tǒng)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(zhuǎn)葉片，3-機殼，4-高清攝像頭，5-推動螺旋槳，6-水平導(dǎo)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(shè)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。本發(fā)明考慮到鐵路上的實際情況并不復(fù)雜，并且自身工作量不大，通過比對分析，本發(fā)明選用的四旋翼輕型無人機，如圖1所示。基于目前的實驗環(huán)境，如表1所示列出了本方案無人機的一些主要參數(shù)，比如飛行高度、飛行時間、抗風(fēng)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(shù)外形尺寸<40*30*40cm控制距離<1km空機重量（電池）7.5kg工作環(huán)境溫度0~40℃飛行速度16m/s（無風(fēng)）飛行時間約25分鐘飛行高度120m抗風(fēng)能力5~6級高速鐵路軌枕一般都由鋼筋混凝土構(gòu)成，其損壞到一定的程度會對高速鐵路安全構(gòu)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(huán)境、拍攝視角和空中其他等干擾因素影響，利用現(xiàn)有算法也很難分辨出鋼軌的損壞程度。因此，本方案設(shè)計了空鐵兩用專用無人機，使其既能完成空中航拍任務(wù)，又可運行在在鋼軌上拍攝鋼軌的高清圖片。本發(fā)明設(shè)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(dǎo)向輪6：導(dǎo)向輪是伸縮式的結(jié)構(gòu)，在無人機在行走的過程中，一直接觸這鋼軌內(nèi)側(cè)，起穩(wěn)定無人機的作用，使其在行走過程中不偏移軌道；3、滾動輪11：為無人機在鋼軌上行走提供條件；4、超聲波測距儀8：測量導(dǎo)向輪與鋼軌的距離；5、步進馬達9：控制水平導(dǎo)向輪伸縮的距離。如圖1，圖2所示，機體1上設(shè)置有旋轉(zhuǎn)葉片2，機體1包括機殼3，機殼3底部設(shè)置有高清攝像頭4，機殼內(nèi)3部設(shè)有單片機、無線通訊模塊、導(dǎo)航模塊、陀螺儀等，還包括推動螺旋槳5，其設(shè)置在機體1后側(cè)面，其旋轉(zhuǎn)軸線與水平線平行；兩個水平導(dǎo)向輪6，其通過伸縮連桿7與機體1連接，并對稱設(shè)置在機體1左右兩側(cè)；超聲波測距儀8，其設(shè)置在伸縮連桿7上；步進馬達9，其與伸縮連桿7連接，用于驅(qū)動伸縮連桿的伸長和縮短；兩個U型桿10，每個所述U型桿10的兩豎桿上端連接在機體1上，每個所述U型桿10的底桿上設(shè)置有兩個滾動輪11，兩個U型桿10對稱設(shè)置在機體1前后兩側(cè)。（1.1）滾動輪與導(dǎo)向輪材料選取滾動輪11安裝在無人機下方，垂直于地面，滾動輪11平行于地面安裝。由于無人機的載荷非常有限，而且載荷越重，飛行時間越短，所以需要選取質(zhì)量最輕、不易變形的材質(zhì)。表2列出了一些市面上比較符合本發(fā)明要求的可備選用的材質(zhì)，同時列出了它們的優(yōu)缺點，通過研究比對和樣品測試，最終選擇塑料制作滾動輪和導(dǎo)向輪。表2材質(zhì)優(yōu)點缺點1鋁硬度韌度高，不易變形，耐腐蝕，造假低廉，易于制作成型質(zhì)量較重2碳纖維硬度韌度高，不易變形，耐腐蝕，質(zhì)量輕造價昂貴，制作工藝復(fù)雜3塑料質(zhì)量輕，不易變形，易于制作成型，價格低廉韌度低，易腐蝕（1.2）滾動輪的設(shè)計圖2為無人機側(cè)視結(jié)構(gòu)圖。在本方案中，操作者要將無人機降落在鋼軌上，因為鋼軌的距離是1435mm，為了將無人機的正好落在鋼軌上，本方案給無人機增加了兩排滾輪，兩排滾輪的軸心距離應(yīng)該大于鋼軌距離1435mm，誤差最好不要超過1cm。滾動輪11的作用是使無人機在鋼軌上行走，由于飛機降落在鋼軌上是人工控制，這就要求操作手有較高的控制能力，同時由于誤差的存在，本發(fā)明設(shè)計的滾動輪寬度大于鋼軌截面的兩倍以上，輪寬為70mm，而工字鋼的頭寬是32.10mm。（1.3）導(dǎo)向輪6的設(shè)計如圖2所示，工字鋼的頭高是17.48mm，因此水平導(dǎo)向輪6與滾動輪11的差距，也就是其上表面和下表面的高度差設(shè)計為18.6mm。這樣能使得導(dǎo)向輪正好接觸工字鋼的內(nèi)側(cè)腰部，以此保證無人機行走時不被甩出軌道。（1.4）傳感器選型本發(fā)明設(shè)計改造的空鐵兩用專用無人機具有具有空中飛行和沿鐵軌運行兩種巡檢方式?？罩酗w行巡檢模式是通過操控者發(fā)出遙控指令控制，飛機在空中進行拍攝取樣；沿鐵軌運行巡檢模式需要無人機精準(zhǔn)的降落在鋼軌上，并且在行走過程中不能脫離軌道，水平導(dǎo)向輪就是起防止飛機偏離軌道的作用，由于導(dǎo)向輪是伸縮式的，平時都處于原點位置，在飛機降落在鋼軌上時，要可以移動到鋼軌內(nèi)側(cè)，所以需要傳感器測量這個移動距離。經(jīng)過調(diào)查，當(dāng)前輕便捷的測距儀器是超聲波測距傳感器和激光測距傳感器。激光測距傳感器具有精度高，測量范圍大，干擾小，測量穩(wěn)定等優(yōu)勢，但是由于其價格較高。而且經(jīng)過市場調(diào)查后發(fā)現(xiàn)超聲波傳感器的精度以及測量范圍也可以達到所需標(biāo)準(zhǔn)，所以最終選取超聲波傳感器作為本項目的測量傳感器。（1.5）馬達選型步進電機9是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元步進電機件，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的。可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準(zhǔn)確定位的目的，同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到高速的目的。伺服電機把收到的電信號轉(zhuǎn)換成電機軸上的角位移或角速度輸出。和步進電機相比，伺服電機多帶了編碼器，編碼器作用是將反饋信號給驅(qū)動器，驅(qū)動器根據(jù)反饋值與目標(biāo)值進行比較，調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的角度。它每旋轉(zhuǎn)一個角度，都會發(fā)出對應(yīng)數(shù)量的脈沖，這樣伺服驅(qū)動器和伺服電機編碼器的脈沖形成了呼應(yīng)，所以它是閉環(huán)控制，步進電機是開環(huán)控制。伺服電機的雖然具有閉環(huán)控制的優(yōu)點，但是價格較高，并且此項目對精度要求不高，所以最終選取步進電機控制水平螺旋勁和導(dǎo)向輪的伸縮。當(dāng)無人機降落在鋼軌上后，超聲波測距儀8實時測量兩個水平導(dǎo)向輪與其同側(cè)鋼軌的距離，單片機根據(jù)超聲波測距儀傳遞的距離信息控制步進馬達9運轉(zhuǎn)，步進馬達9進而驅(qū)動伸縮連桿7運動，當(dāng)超聲波測距儀8檢測到兩個水平導(dǎo)向輪6均接觸到工字鋼的內(nèi)側(cè)后，單片機控制步進馬達9停止，并控制推動螺旋槳5運行，在起飛或者工作結(jié)束后水平導(dǎo)向輪回到原點位置。（2）無人機綜合檢測方法1）設(shè)定待檢測軌道段，并指派無人機飛往待檢測軌道段；2）無人機接收任務(wù)指令，識別需要前往的待檢測軌道段，并開啟機載GPS系統(tǒng)，啟動所述旋轉(zhuǎn)葉片從停機坪上升至空中，無人機自動行駛到待檢測軌道段，在無人機空中行駛過程中，保持所述推動螺旋槳關(guān)閉；3）無人機行駛到待檢測軌道段后，在空中采集軌道路面圖像數(shù)據(jù)，根據(jù)所述軌道路面圖像數(shù)據(jù)檢測鐵路扣件缺失情況；4）無人機完成待檢測軌道段的空中檢測后，控制無人機降落，待無人機的滾動輪降落到鋼軌上后關(guān)閉旋轉(zhuǎn)葉片，超聲波測距儀實時測量水平導(dǎo)向輪與鋼軌的距離，并根據(jù)所述距離控制水平導(dǎo)向輪接觸至工字鋼的內(nèi)側(cè)，完成所述接觸后，控制推動螺旋槳運行，通過推動螺旋槳提供的動力，滾動輪在鋼軌上行駛，無人機開始采集鋼軌軌面圖像數(shù)據(jù)，根據(jù)所述鋼軌軌面圖像數(shù)據(jù)檢測鋼軌和軌枕裂紋情況；5）完成待檢測軌道段的軌面檢測后，先關(guān)閉推動螺旋槳，然后控制水平導(dǎo)向輪回到原位，再啟動旋轉(zhuǎn)葉片上升至空中，根據(jù)記載GPS系統(tǒng)飛回至停機坪。利用空鐵兩用專用無人機在高空拍攝采集軌道交通的路面圖像數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)被實時存儲在SD卡中，在windows平臺下，利用圖像處理分析方法判斷高速鐵路扣件缺失情況；利用在鋼軌上行走的無人機采集高速鐵路路面信息，并實時保存在SD卡中，在windows平臺下，并利用圖像處理分析方法判斷高速鐵路軌枕和鋼軌的裂紋情況。如圖3所示。3.1）判斷高速鐵路扣件缺失方法根據(jù)系統(tǒng)的基本工作原理和實現(xiàn)目標(biāo)，軟件系統(tǒng)主要實現(xiàn)圖像的處理和扣件狀態(tài)的識別，檢測扣件流程圖如圖4所示。降噪的主要任務(wù)就是:最大可能地將有效信號與噪聲信號分離，保留真實的信號，去除噪聲信號，以達到降噪的目的。本發(fā)明采用中值濾波的方法，中值濾波是基于排序統(tǒng)計理論的一種能有效抑制噪聲的非線性信號處理技術(shù)，中值濾波的基本原理是把數(shù)字圖像或數(shù)字序列中一點的值用該點的一個鄰域中各點值的中值代替，讓周圍的像素值接近的真實值，從而消除孤立的噪聲點。本發(fā)明運用了canny邊緣檢測算子實現(xiàn)軌道邊緣檢測，canny邊緣檢測算子具有不漏檢、不多檢;檢測出的邊緣點盡可能貼近實際邊緣;單個邊緣產(chǎn)生的多個響應(yīng)概率低等優(yōu)點。具體算法是通過尋找圖像梯度的局部極大值和用高斯函數(shù)的一階微分來計算梯度；通過2個閾值來分別檢測強邊緣和弱邊緣，當(dāng)且僅當(dāng)弱邊緣與強邊緣連接時，弱邊緣才被輸出。所以Canny算法不易受噪聲干擾，能在噪聲和邊緣檢測間取得平衡，從而找出真正的弱邊緣。所以本發(fā)明選用Canny算法實現(xiàn)軌道邊緣檢測。3.1.1)扣件定位方法扣件的位置具有顯著的結(jié)構(gòu)特征，位于鋼軌和軌枕交叉的位置，根據(jù)此特點可以定位扣件的位置，而且鋼軌處于垂直位置，灰度變化在水平方向上，相反軌枕處于水平位置，灰度變化在垂直方向上，其余部分灰度或者紋理等比較復(fù)雜，變化沒有規(guī)律。根據(jù)這個特征找出鋼軌和軌枕邊緣，再根據(jù)先驗信息提取出扣件，該方法稱為十字交叉定位法，具體步驟概括為:（i）對圖像進行邊緣檢測；（ii）將邊緣檢測后的圖像分別進行水平方向與垂直方向的投影；（iii）采用區(qū)域統(tǒng)計掃描法，以鋼軌寬度為區(qū)域?qū)挾?，在水平投影上從左向右區(qū)域統(tǒng)計掃描，最小值即為鋼軌的左邊界，相同方法，從右向左區(qū)域統(tǒng)計掃描，獲得鋼軌的右邊界；（iv）以軌枕寬度為區(qū)域?qū)挾?，在垂直投影上采用相同方法從左向右進行區(qū)域統(tǒng)計掃描。3.1.2）扣件圖像特征提取分析方法本發(fā)明的扣件特征提取是基于二值圖像的，如圖5為截取的扣件二值圖像。二值圖像與灰度圖像相比具有兩大優(yōu)點：一是存儲容量小、計算速度快；二是可以計算圖像中目標(biāo)的幾何特性與拓撲特性。用于識別的特征需要具有可區(qū)別性、可靠性、獨立性、數(shù)量少等特點。邊緣檢測后的圖像是二值圖像，更能顯示和計算出扣件的幾何特性，因此本章對經(jīng)過Canny邊緣檢測的扣件圖像進行特征提取?；谝陨咸攸c，本發(fā)明針對扣件特征提取方法如下：（i）圖像面積是二值圖像的一個基本特性，實質(zhì)就是圖像中像素值為1的所有像素個數(shù)的總和，能實現(xiàn)原始圖像面積的無偏和一致估計。對任意圖像R來說，像素點坐標(biāo)用(x，y)表示，面積A的計算公式可以表示為：A=公式1本發(fā)明的目的是判斷扣件是否缺失，即圖像的組成，跟頻域無關(guān)，因此選擇時域特征提取。因為提取的扣件圖像基本上是上下對稱的，所以做垂直方向的投影則更能反映扣件特征，因此針對扣件圖像進行垂直方向的投影，圖像垂直方向投影后，投影向量可以看作是一個一維信號，表示為{Xi（t），i=l，2，…，N}。公式2、公式3、公式4屬于時域統(tǒng)計參數(shù)分析方法。（ii）均值:是數(shù)據(jù)組的均值，表征投影向量的中心趨勢。有無扣件，邊緣檢測后圖像的信息量多少不一，不同的投影向量均值也不同。這些均值，很大程度上能反映投影向量的特征。如公式2。X=公式2（iii）標(biāo)準(zhǔn)差:描述信號的波動量。如公式3.a=X公式3（iv）均方差:表征信號的強度。定義如公式4。Xrms=公式4以上公式在扣件存在和丟失的兩種情況下，差異都有一定范圍內(nèi)的變化，本發(fā)明通過以上公式，分析計算比對二值圖像特點，設(shè)定閾值，最后檢測得出扣件丟失結(jié)論。3.2)判斷高速鐵路鋼軌、軌枕裂痕方法本系統(tǒng)的功能之一是要能夠檢測出鋼軌表面是否存在危及行車安全的裂紋及掉塊等缺陷，并判斷這些缺陷是否達到重傷或折斷標(biāo)準(zhǔn)。于是，本發(fā)明針對這一目標(biāo)，在軌道圖像處理的基礎(chǔ)上，研究了鋼軌表面區(qū)域的缺陷提取，同時輸出結(jié)果。當(dāng)鋼軌、軌枕表面有缺陷時，便被攝像機拍攝到含有缺陷的鋼軌圖片。通過對圖片的處理和分析，可以將其中的缺陷提取出來并進行模式識別，最后輸出結(jié)果。整個圖像處理過程為3部分。第1部分，圖像讀入和預(yù)處理，主要是對圖像進行去噪和剪輯，降低后續(xù)處理的復(fù)雜度。第2部分，鋼軌定位，通過對圖像的分析，使用合適的算法提取出鋼軌圖像。第3部分，模式識別，分析由第2步得到的鋼軌圖像，檢測缺陷并輸出結(jié)果。整個處理流程如圖6。（i）預(yù)處理首先是對圖像進行中值濾波，減低噪聲對圖像的影響。然后，對圖像進行剪輯，去掉無關(guān)的區(qū)域。根據(jù)上一節(jié)提到的方法對原始圖像進行剪輯即可去掉不相關(guān)區(qū)域，只保留鋼軌或軌枕圖像。剪輯后的圖像剪輯掉了非鋼軌或非軌枕區(qū)域，與原始圖像相比，不光減少了存儲空間，更減少了后續(xù)處理時非鋼軌或非軌枕區(qū)域所增加的處理量和處理難度。（ii）邊緣干擾消除處理有鋼軌或軌枕缺陷的位置會造成鋼軌圖像灰度的變化，使用邊緣檢測算法，可以增強這種灰度變化。系統(tǒng)中采用自適應(yīng)閾值canny邊緣檢測算子結(jié)構(gòu)簡單，速度快，并且其結(jié)果已經(jīng)滿足后續(xù)處理的信息量要求。在完成邊緣檢測以后，圖片中的大部分非缺陷圖像都已經(jīng)被濾除，但仍有部分多余信息被保留。經(jīng)分析，結(jié)果中一般存在3類信息，包括缺陷信息，軌道邊緣變化部分，細小坑洞。其中軌道或軌枕邊緣由于長度和亮度都與缺陷相近，容易被識別成缺陷，如果首先去除掉該項干擾，提取效果會有很大提升。通過研究分析，發(fā)現(xiàn)邊緣變化部分有接近直線的特點，而缺陷一般沒有，所以選擇Hough變換的方法，將信息中的直線特性的點濾除（大于一定長度的直線）。Hough變換的基本思想是利用點-線的對偶關(guān)系。直角坐標(biāo)x-y中的點（x，y)，經(jīng)過點－正弦曲線對偶變換如公式5，在極坐標(biāo)p-a中變?yōu)橐粭l正弦曲線，a取[-90°，90°]，以x軸為基準(zhǔn)。可以證明，直角坐標(biāo)x-y中直線上的點經(jīng)過Hough變換后，它們的正弦曲線在極坐標(biāo)p-a有一個公共交點。也就是說，極坐標(biāo)p-a上的一點（p，a），對應(yīng)于直角坐標(biāo)x-y中的一條直線。找到該點對應(yīng)的直線，并將其亮度置0即可消除直線。公式5（iii）特征提取和結(jié)果輸出消除直線后，圖像中只有缺陷圖像和細小坑洞，對圖像進行掃描，我們得到只含鋼軌特征的二值圖像，然后再利用公式1、公式2、公式3、公式4進行分析比對圖片特征值最終得出檢測結(jié)論。（3）高速鐵路安全檢測系統(tǒng)本發(fā)明設(shè)計的基于空鐵兩用專用無人機的高速鐵路安全檢測系統(tǒng)的空中飛行巡檢方式是以改造無人駕駛飛機作為空中平臺，以機載遙感設(shè)備，如高分辨率CCD數(shù)碼相機、輕型光學(xué)相機獲取信息，用計算機對圖像信息進行處理，并按照一定精度要求制作成圖像。全系統(tǒng)在設(shè)計和最優(yōu)化組合方面具有突出的特點，是集成了高空拍攝、遙控、遙測技術(shù)、視頻影像微波傳輸和計算機影像信息處理的新型應(yīng)用技術(shù)。本系統(tǒng)的無人機空中拍攝平臺，適應(yīng)國家經(jīng)濟和軌道交通建設(shè)發(fā)展的需要，為高速鐵路安全檢測提供了有效的遙感技術(shù)服務(wù)手段，具有起飛降落受場地限制較小、穩(wěn)定性好、小型輕便、低噪節(jié)能、高效機動、影像清晰、輕小型化、智能化的突出特點。本系統(tǒng)設(shè)計的空鐵兩用專用無人機，通過對無人機增加著地滾動輪、垂直地面的螺旋槳、水平導(dǎo)向輪實現(xiàn)無人機在鋼軌上向前推進的功能。此系統(tǒng)的飛行模式實現(xiàn)了針對軌枕病害及鋼軌扣件缺失等的快速檢測；系統(tǒng)的鐵軌運行模式實現(xiàn)了針對鋼軌表面缺陷及軌枕前期病害等的高精度檢測。在每種檢測模式下，本系統(tǒng)設(shè)計采用了一套效率更高的圖像算法對采集回來高速鐵路圖像進行計算分析得出檢測結(jié)論。（3.1）系統(tǒng)組成如圖7所示，基于空鐵兩用專用無人機的高速鐵路安全檢測系統(tǒng)包括無人機、遠程監(jiān)控中心、地面站、無線通信模塊。無人機包括用于控制行駛狀態(tài)的機載控制模塊（單片機），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(shè)置無人機的飛行路線的路徑規(guī)劃模塊，以及用于向所述機載控制模塊發(fā)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(jiān)控中心，其包括用于監(jiān)控?zé)o人機的飛行狀態(tài)的監(jiān)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(jié)果的存儲單元，以及無人機行駛過程中出現(xiàn)意外情況時采取相應(yīng)措施的應(yīng)急處理單元；無線通信模塊，用于無人機、地面站、遠程監(jiān)控中心之間的無線通信。此方案選擇的高清相機分辨率是1200萬像素，搭載在無人機上，是一款專業(yè)無人機航拍相機，配備遙控器和圖像傳輸功能，內(nèi)帶SD卡，遙控器可在1千米內(nèi)控制相機拍攝，并實時觀測到圖像數(shù)據(jù)。機載控制模塊由電源模塊供電，機載控制模塊通過圖像傳輸模塊連接高清相機，相機拍攝的數(shù)據(jù)信息能夠通過圖像傳輸模塊傳輸?shù)降孛嬲緝?nèi)，地面站內(nèi)設(shè)置有計算機，計算機連接能夠接收圖像傳輸模塊所傳輸信息的視頻采集卡，實時接收圖像信息。所述機載控制模塊接收到地面站的任務(wù)指令后，啟動旋轉(zhuǎn)葉片并控制推動螺旋槳保持關(guān)閉狀態(tài)，所述無人機按照所述地面站規(guī)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(fā)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。當(dāng)所述監(jiān)控模塊檢測到無人機飛行軌跡出現(xiàn)偏離時，應(yīng)急處理單元向地面站發(fā)送警報信號，地面控制模塊檢測是否與無人機失聯(lián)，如已失聯(lián)，則將無人機編號發(fā)送回遠程監(jiān)控中心；如未失聯(lián)，則根據(jù)無人機當(dāng)前位置信息控制其運行方向使其回到預(yù)設(shè)的飛行路線中。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(fā)送降落指令，遠程監(jiān)控中心監(jiān)控?zé)o人機降落狀態(tài)以保證無人機精準(zhǔn)降落在鋼軌上，當(dāng)控制無人機降落時，當(dāng)發(fā)現(xiàn)無人機滾動輪未對準(zhǔn)鋼軌時，實時警告地面站操控者，直至符合降落路線為止。如圖8為空鐵兩用專用無人機降落模式流程圖。待無人機的滾動輪降落到鋼軌上后，機載控制模塊關(guān)閉旋轉(zhuǎn)葉片并控制超聲波測距儀開始實時測量水平導(dǎo)向輪與鋼軌的距離，機載控制模塊根據(jù)所述距離控制伸縮連桿伸長直至水平導(dǎo)向輪接觸至工字鋼的內(nèi)側(cè)，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(shù)據(jù)。當(dāng)所述監(jiān)控模塊檢測到無人機未在軌道上行駛時，應(yīng)急處理單元向地面站發(fā)送警報信號，地面控制模塊檢測是否與無人機失聯(lián)，如已失聯(lián)，則將無人機編號發(fā)送回遠程監(jiān)控中心；如未失聯(lián)，則地面控制模塊先向機載控制模塊發(fā)送重新起飛指令，機載控制模塊收到重新起飛信號后關(guān)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(zhuǎn)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(fā)送降落指令，使無人機重新回到沿軌道行駛狀態(tài)。當(dāng)前第1頁1 2 3