基于激光遥测技术的气体泄漏无人机巡检浓度反演方法技术

本发明专利技术提供了基于激光遥测技术的气体泄漏无人机巡检浓度反演方法，包括如下步骤：通过激光甲烷传感器基于其无人机扫描曲线，得到路径积分浓度采样；得到基于燃气管道坐标系的点阵浓度反演；基于点阵浓度和风向估计的气体泄漏扩散模型的极大似然估计，获得泄漏位置与泄漏率估计；气体泄漏扩散模型重构连续的浓度地图，并根据危险阈值划分危险区和隔离区；采用地面终端或者手持APP，进行智能化应急辅助决策分析。

Retrieval of Patrol Concentration for Gas Leakage UAV Based on Laser Telemetry Technology

The invention provides a gas leakage UAV inspection concentration inversion method based on laser telemetry technology, including the following steps: obtaining path integral concentration sampling by laser methane sensor based on UAV scanning curve; obtaining lattice concentration inversion based on gas pipeline coordinate system; maximum likelihood estimation based on lattice concentration and wind direction estimation of gas leakage diffusion model; Estimation of leak location and leak rate is obtained. Continuous concentration maps are reconstructed by gas leak diffusion model, and dangerous areas and isolation areas are divided according to danger threshold. Intelligent emergency decision-making analysis is carried out by using ground terminal or hand-held APP.

【技术实现步骤摘要】
基于激光遥测技术的气体泄漏无人机巡检浓度反演方法
本专利技术属于燃气泄漏巡检
，尤其是涉及一种基于激光遥测技术的气体泄漏无人机巡检浓度反演方法。
技术介绍
随着城市化的不断推进，燃气作为绿色环保的清洁能源，对人类生活的影响日益增大，燃气事业也迎来了快速发展的机会。然而在发展的同时，隐患与危机也逐步显现，燃气管网泄漏造成的损害范围大，后果严重。据统计输运过程中泄漏量约为10％，不仅造成直接经济损失，也成为巨大安全威胁。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，巡检结果的统计主要依靠工作人员记录在纸质巡检记录表上的数据，保证数据的完整性和准确性需要较多时间和心思。完成一次巡检任务需要花费较多人力、物力和时间。人工巡检过程中工作人员必须保持通讯工具畅通，确保随时随地进行联系，以此来判断巡检人员的位置及安全状况，然而在恶劣环境、燃气泄漏未知的情况下，工作人员对管线进行巡检时，也存在一定程度的安全隐患。使用无人机搭载激光甲烷遥测仪和可见光吊舱构成遥感系统。搭载激光甲烷遥测仪的无人机可对测量或泄露区域进行扫描，测量甲烷浓度，生成甲烷浓度的实时电子地图，及时处理紧急情况等。搭载的光学吊舱的无人机在需要观测的管线上方飞行，以自上而下的开阔视角通过实时高清图像系统进行现场观测，与地面观测一道形成一个无死角的观测形式，同时拍摄照片或视频，照片自动记录位置信息，可进行后处理或存档；因此无人机系统在燃气管线巡检中具有独特的优势：(1)巡检过程自动化；(2)数字化信息丰富、精确；(3)智能软件实时绘制泄露浓度电子地图。但是，存在问题在于机载远距离高灵敏度激光甲烷遥测技术，如何形成有效的浓度反演机制。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术旨在提出基于激光遥测技术的气体泄漏无人机巡检浓度反演方法，实现了实时可靠的无人机机载燃气泄漏测量装置浓度反演方案。为达到上述目的，本专利技术的技术方案是这样实现的：基于激光遥测技术的气体泄漏无人机巡检浓度反演方法，其特征在于包括如下步骤：1)通过激光甲烷传感器基于搭载无人机扫描曲线，得到路径积分浓度采样；2)得到基于燃气管道坐标系的点阵浓度反演；3)基于点阵浓度和风向估计的气体泄漏扩散模型的极大似然估计，获得泄漏位置与泄漏率估计；4)气体泄漏扩散模型重构连续的浓度地图，并根据危险阈值划分危险区和隔离区；5)采用地面终端或者手持APP，进行实时显示和智能化应急辅助决策分析。进一步的，在步骤2中，通过构造燃气管线的坐标系，将采样得到扫描曲线的路径积分浓度通过坐标旋转变换和差值的方式获取，管道坐标系、直角坐标系下的行列点阵处的积分浓度值。进一步的，具体包含如下步骤：31)构造燃气泄漏气体扩散的高斯烟羽模型，32)根据点阵浓度，当超过若干个点的浓度大于指定阈值，则判定可能存在泄漏；33)得到浓度大于指定阈值的点阵，构建气体泄漏扩散模型,再基于行列点阵浓度和风向测量，构建燃气泄漏模型的极大似然估计，完成泄漏位置估计和泄漏率估计。进一步的，在步骤4中，根据泄漏位置估计和泄漏率估计，以及燃气泄漏气体扩散的高斯烟羽模型，重新绘制气体泄漏的扩展浓度，再根据危险区域和隔离区域的浓度指标，构建浓度等高线，然后对浓度等高线计算求取最小矩形包络，形成危险区域和隔离区域的自动规划。进一步的，在步骤5中，通过终端或者手持APP实时显示巡检路径相对应位置的甲烷浓度值，进行泄露探测报警和浓度地图显示；具体可进行图形化数据显示，将甲烷浓度数据进行智能分析规划，在地图上自动划分出危险范围，数据上传云端。相对于现有技术，本专利技术所述的装置和方法具有以下优势：(1)本专利技术给出了机载激光甲烷传感器条带状目标扫描测量的浓度反演方案。(2)本专利技术提供了危险区和隔离区自动化规划方法，为应急处置辅助决策提供了依据。(3)本专利技术实时提供现场甲烷浓度分布情况的电子地图和危险区隔离区自动规划能力，为现场指挥提供直接参考依据。附图说明构成本专利技术的一部分的附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。在附图中：图1为本专利技术实施例所述燃气泄漏无人机巡检装置结构示意图；图2为本专利技术实施例反演方法流程示意图；图3为激光甲烷传感器的测量原理图；图4为本专利技术无人机巡检装置的使用示意图。具体实施方式需要说明的是，在不冲突的情况下，本专利技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。在本专利技术的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利技术的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本专利技术的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。在本专利技术的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本专利技术中的具体含义。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本专利技术。本专利技术实施例一种燃气泄漏无人机巡检装置，如图1所示，由如下部分组成：无人机1、燃气泄漏测量主控板2、无人机自动驾驶仪3、三轴稳定平台5、激光甲烷传感器6；激光甲烷传感器6安装于三轴稳定平台5上，三轴稳定平台5安装在无人机1下方；燃气泄漏测量主控板2、无人机自动驾驶仪3安装与无人机1内部。所述燃气泄漏测量主控板2根据内置的待巡检燃气管线8的路线坐标信息和无人机自动驾驶仪3提供的无人机GPS位置信息，通过无人机自动驾驶仪3进行无人机1的阶段性飞行轨迹控制，通过向三轴稳定平台5发送控制指令实现对激光甲烷传感器6的扫描轨迹的控制。还包括风向风速仪4，风向风速仪4安装与无人机1上方。上述燃气泄漏无人机巡检装置的气体泄漏无人机巡检浓度反演方法，如图2所示，包括如下步骤：步骤1，通过激光甲烷传感器基于其扫描曲线，得到路径积分浓度采样；步骤2，基于燃气管道坐标系的点阵浓度反演；步骤3，基于点阵浓度和风向估计的气体泄漏扩散模型的极大似然估计，获得泄漏位置与泄漏率估计；步骤4，气体泄漏扩散模型重构连续的浓度地图，并根据危险阈值划分危险区和隔离区；步骤5，采用地面终端或者手持显示APP，进行实时显示和智能化应急辅助决策分析。步骤1中，根据无人机的GPS定位，以及燃气管线的铺设位置，设定三轴稳定平台的扫描方式，可以实现移动平移螺旋线对燃气管线的有效覆盖，同时采样得到扫描曲线(螺旋线)的路径积分浓度采样。其中，激光甲烷传感器的测量原理如图3所示，天然气管道泄漏监测方法是一种光学方法，所依据的物理基础是本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于激光遥测技术的气体泄漏无人机巡检浓度反演方法，其特征在于包括如下步骤：1)通过激光甲烷传感器基于其搭载的无人机扫描曲线，得到路径积分浓度采样；2)得到基于燃气管道坐标系的点阵浓度反演；3)基于点阵浓度和风向估计的气体泄漏扩散模型的极大似然估计，获得泄漏位置与泄漏率估计；4)气体泄漏扩散模型重构连续的浓度地图，并根据危险阈值划分危险区和隔离区；5)采用地面终端或者手持APP，进行实时显示和应急辅助决策分析。

【技术特征摘要】
1.基于激光遥测技术的气体泄漏无人机巡检浓度反演方法，其特征在于包括如下步骤：1)通过激光甲烷传感器基于其搭载的无人机扫描曲线，得到路径积分浓度采样；2)得到基于燃气管道坐标系的点阵浓度反演；3)基于点阵浓度和风向估计的气体泄漏扩散模型的极大似然估计，获得泄漏位置与泄漏率估计；4)气体泄漏扩散模型重构连续的浓度地图，并根据危险阈值划分危险区和隔离区；5)采用地面终端或者手持APP，进行实时显示和应急辅助决策分析。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在步骤2中，通过构造燃气管线的坐标系，将采样得到扫描曲线的路径积分浓度通过坐标旋转变换和差值的方式获取，管道坐标系、直角坐标系下的行列点阵处的积分浓度值。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：具体包含如下步骤：31)构造燃气泄漏气体扩散的高斯烟羽模型，设风向为x轴，风速稳定表示为u，则气体在H高处的平均浓度计算公式为：式(1)中：<C>表示气体平均浓度，单位：Kg/m3；G表示泄漏率，单位：kg/s；σ表示在不同方向上的浓度的偏差标准值；u表示风速，单位：m/s；x为下风向；y表示风向在垂直方向上的距离，单位：m；z表示距地面距...

【专利技术属性】
技术研发人员：范国梁，陈治宇，李会颖，周玮，
申请(专利权)人：天津中科飞航技术有限公司，
类型：发明
国别省市：天津,12