CN114604426B - 一种用于混凝土建筑裂缝愈合修复无人机系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及混凝土建筑裂缝愈合修复无人机系统技术领域，且公开了一种用于混凝土建筑裂缝愈合修复无人机系统，包括有无人机本体，所述无人机本体包括有主旋翼桨叶、大功率无刷电机、补光灯、双目摄像、云台高清摄像头、小功率无刷电机、辅助旋翼桨叶、支架、云台旋转底盘、卡口结构、喷口，通过设置云台旋转底盘、卡口结构、喷口、喷涂装置下部壳体、可拆卸进料盒、微型隔膜泵、搅拌子、旋转轴、内嵌电机，采用能使混凝土愈合的真菌混合材料能够实现少量喷涂大面积修补特性，能够渗透缝隙进行长期地、反复地修补，粉末状修补材料质量轻，有效减轻负荷，使得采用无人机携带喷涂变为可能，达到了便于使用的效果。
Description
技术领域
本发明涉及混凝土建筑裂缝愈合修复无人机系统技术领域，具体为一种用于混凝土建筑裂缝愈合修复无人机系统。
背景技术
混凝土桥梁是城市交通的心脏，对城市的交通运输行业至关重要，每年全球万亿吨混凝土被用于桥梁建筑，规模庞大的建筑背后也带来了高昂的维护成本。由混凝土浇筑的桥梁强度高，承受应变能力较差，在许多桥梁病害中最常见的就是各类裂缝、表面脱落，每年需要耗费大量人力进行预防性诊断与修补。
随着微生物矿化作用的研究进展，将能够进行矿化作用的微生物如芽孢杆菌注入修补基体中混合形成愈合剂，使用少量愈合剂可以达到自动愈合的效果，即MICP技术，并且不同于传统修补方式容易老化，于混凝土相容性较差等缺点，微生物修补的方式类似于生物体的愈合过程，由内而外地发生矿化作用促进修补面的分子键建立牢固连接，不仅相容性较好，还能够提供不间断修补，生态无污染。
目前修补桥梁损伤的方式有灌浆修补，化学修补，粘合剂填充的方式，其中灌浆修补使用同等规格的水泥注入裂缝并令其自然风干，化学修补通常采用环氧树脂类等化学加固材料混入灌浆填充裂缝，以期达到更好的粘合特性。
多旋翼无人机具有操控性强，高度耦合的特点，旋翼数量从四到八个不等，可以实现六个个空间自由度的运动，特别适用于低速，垂直起降，空中悬停要求的作业任务，广泛应用于自动化巡检，药物喷洒等领域。传统方式下由于混凝土桥梁裂缝多发于梁柱，距离作业基面距离过高，机械手臂无法到达，多通过人工吊索接近，携带修补材料进行手动填补，不仅作业风险大，且经济效益较差。得益于多旋翼无人机悬停特性，能够在任意高度以任意姿态实施作业，并且随着现代飞控技术和云台技术的发展，无人机末端执行器悬停稳定性得到充分保障。针对桥梁修补领域的难题，并结合无人飞控的成熟应用，现提出一种用于混凝土建筑裂缝愈合修复无人机系统及其混合喷涂方法，利用MICP技术对混凝土桥梁裂缝进行检测并修补，使用该混合修补剂产生自发的愈合效果，有效避免裂隙的复发与进一步恶化，作业流程高度自动化最大程度减少人工干预，能够产生巨大的现实意义。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种用于混凝土建筑裂缝愈合修复无人机系统，达到便于使用的目的。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种用于混凝土建筑裂缝愈合修复无人机系统，包括有无人机本体，所述无人机本体包括有主旋翼桨叶、大功率无刷电机、补光灯、双目摄像、云台高清摄像头、小功率无刷电机、辅助旋翼桨叶、支架、云台旋转底盘、卡口结构、喷口、喷涂装置下部壳体、可拆卸进料盒、微型隔膜泵、搅拌子、旋转轴、内嵌电机、激光雷达，所述大功率无刷电机的输出端与主旋翼桨叶固定连接，所述小功率无刷电机的输出端与辅助旋翼桨叶固定连接，所述可拆卸进料盒、微型隔膜泵、喷口从后往前依次设置在喷涂装置下部壳体内，所述激光雷达内嵌在喷涂装置下部壳体内，所述无人机本体设置有电池。
优选的，所述主旋翼桨叶的数量为四个，所述辅助旋翼桨叶的数量为两个，通过设置主旋翼桨叶，为无人机提供升力和转矩，每侧旋翼有悬臂和驱动电机组成，悬臂中央有三角形镂空结构，为电机提供稳定支撑，并适当减轻整体重量；通过设置辅助旋翼桨叶，向下呈倾30°，两侧旋翼除了提供部分升力外，还能够通过非共线力提供一定的抗风阻力矩。
优选的，所述主旋翼桨叶、辅助旋翼桨叶与无人机本体中轴呈对称分布。
优选的，所述补光灯、双目摄像均设置在无人机本体的头部，所述补光灯、双目摄像与无人机本体中轴呈对称分布，通过设置补光灯、双目摄像，便以获得控制机体所需视野信息。
优选的，所述云台高清摄像头设置在双目摄像的正下方，通过设置云台高清摄像头，能保持与待修补裂缝的相对角度静止，并通过内置算法获取裂缝的宽度信息。
优选的，所述支架的一端与无人机本体的一侧可拆卸连接，通过设置支架，起到了支撑的作用。
优选的，所述云台旋转底盘设置在无人机本体的底部，所述云台旋转底盘的一侧与卡口结构连接，所述卡口结构设置在喷涂装置下部壳体上，通过设置卡口结构，便于云台旋转底盘带动喷涂装置做旋转运动至适合喷涂方向。
优选的，所述可拆卸进料盒内置有搅拌器，所述搅拌器包括有搅拌子、旋转轴、内嵌电机，所述内嵌电机的输出端与旋转轴的一端固定连接，所述旋转轴的另一端与搅拌子固定连接，通过设置搅拌器，搅拌器具有两个功能，一是使修补液混合均匀，二是防止修补液粘稠固结。
本发明提供了一种用于混凝土建筑裂缝愈合修复无人机系统。具备以下有益效果：
(1)、本发明通过设置主旋翼桨叶、大功率无刷电机、小功率无刷电机、辅助旋翼桨叶，主旋翼桨叶为无人机提供升力和转矩，每侧旋翼有悬臂和驱动电机组成，悬臂中央有三角形镂空结构，为电机提供稳定支撑，并适当减轻整体重量；辅助旋翼桨叶向下呈倾30°，两侧旋翼除了提供部分升力外，还能够通过非共线力提供一定的抗风阻力矩，当海拔较高处或靠近海面桥梁容易受气流影响，在梁柱包围面形成涡流，干扰气动飞行装置飞行稳定性，能够有效抵抗侧向涡流从而维持作业时飞行稳定性，达到了便于使用的效果。
(2)、本发明通过设置补光灯、双目摄像、云台高清摄像头、支架、激光雷达，通过设置补光灯、双目摄像，便以获得控制机体所需视野信息，使用云台高清摄像头，其由一种小型云台机构和高清摄像头构成，能保持与待修补裂缝的相对角度静止，并通过内置算法获取裂缝的宽度信息，使用激光雷达用于探测裂缝深度，配合云台高清摄像头探测所得裂缝宽度，控制微型隔膜泵流量，促使地面人员可以手动遥控进行修补作业，在信号覆盖情况差等特殊情况下还可实现一定程度上的自动化修补作业，使其能够应用于以往仅能通过人员作业的场景，达到了便于使用的效果。
(3)、本发明通过设置云台旋转底盘、卡口结构、喷口、喷涂装置下部壳体、可拆卸进料盒、微型隔膜泵、搅拌子、旋转轴、内嵌电机，采用能使混凝土愈合的真菌混合材料能够实现少量喷涂大面积修补特性，能够渗透缝隙进行长期地、反复地修补，粉末状修补材料质量轻，有效减轻负荷，使得采用无人机携带喷涂变为可能，达到了便于使用的效果。
附图说明
图1为本发明主旋翼与辅助旋翼的分布示意图；
图2是本发明实例飞行所受合力分析示意图；
图3是本发明实例无人机旋转云台效果示意图；
图4、5是本发明实例提供的无人机主体结构示意图；
图6、7是本发明实例提供的喷涂修复装置结构示意图；
图8是本发明实例总装结构示意图；
图9是本发明实例提供的辅助旋翼工作流程图；
图10是本发明实例提供的工作流程图。
图中：1主旋翼桨叶、2大功率无刷电机、3补光灯、4双目摄像、5云台高清摄像头、6小功率无刷电机、7辅助旋翼桨叶、8支架、9云台旋转底盘、10卡口结构、11喷口、12喷涂装置下部壳体、13可拆卸进料盒、14微型隔膜泵、15搅拌子、16旋转轴、17内嵌电机、18激光雷达、19电池。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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发明和简化描述，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发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1-10所示，本发明提供一种技术方案：一种用于混凝土建筑裂缝愈合修复无人机系统，包括有无人机本体，无人机本体包括有主旋翼桨叶1、大功率无刷电机2、补光灯3、双目摄像4、云台高清摄像头5、小功率无刷电机6、辅助旋翼桨叶7、支架8、云台旋转底盘9、卡口结构10、喷口11、喷涂装置下部壳体12、可拆卸进料盒13、微型隔膜泵14、搅拌子15、旋转轴16、内嵌电机17、激光雷达18，大功率无刷电机2的输出端与主旋翼桨叶1固定连接，小功率无刷电机6的输出端与辅助旋翼桨叶7固定连接，主旋翼桨叶1的数量为四个，辅助旋翼桨叶7的数量为两个，主旋翼桨叶1、辅助旋翼桨叶7与无人机本体中轴呈对称分布，设遇到风力干扰，机体倾斜时，由机体内置的IMU感受位姿变化，由控制算法计算恢复平衡位姿所需力及力矩，辅助旋翼由控制器分配所产生的动力为Fm，即会产生1/2Fm的横向力去抵抗检测时所遇到的横向风力，以恢复机体平衡；当液箱内置的传感器感应到液体重量满载时，控制器分配两侧辅助旋翼相同动力，横向分力抵消，提供两倍垂向分力，增强机体运动时的灵活性，补光灯3、双目摄像4均设置在无人机本体的头部，补光灯3、双目摄像4与无人机本体中轴呈对称分布，云台高清摄像头5设置在双目摄像4的正下方，云台高清摄像头5实际上是由一种小型云台机构和高清摄像头构成，能够灵活对焦，对准待修补的裂缝保持角度的相对静止，支架8的一端与无人机本体的一侧可拆卸连接，云台旋转底盘9设置在无人机本体的底部，云台旋转底盘9的一侧与卡口结构10连接，卡口结构10设置在喷涂装置下部壳体12上，可拆卸进料盒13、微型隔膜泵14、喷口11从后往前依次设置在喷涂装置下部壳体12内，喷涂装置下部壳体12内部包括了无人机能源装置和控制单元，并且嵌入传感装置，控制单元采用成熟的无人机飞控模块，集成有IMU等必要传感器件，连同电池盒一同置于壳体内部，可拆卸进料盒13内置有搅拌器，通过设置搅拌器，搅拌器具有两个功能，一是使修补液混合均匀，二是防止修补液粘稠固结；修补液通过微型隔膜泵14泵出，由喷口11对准至待修补处，微型隔膜泵14属于现代控制泵体系的一种，能够实现喷涂流量的精细控制，通过配合裂缝成像系统进行流量调控，搅拌器包括有搅拌子15、旋转轴16、内嵌电机17，内嵌电机17的输出端与旋转轴16的一端固定连接，旋转轴16的另一端与搅拌子15固定连接，激光雷达18内嵌在喷涂装置下部壳体12内，通过设置激光雷达18用于探测裂缝深度，配合云台高清摄像头5探测所得裂缝宽度，控制微型隔膜泵14流量，无人机本体设置有电池19。
在使用时，过设置云台旋转底盘9、卡口结构10、喷口11、喷涂装置下部壳体12、可拆卸进料盒13、微型隔膜泵14、搅拌子15、旋转轴16、内嵌电机17，使用以富含Ca2+营养液与微量研磨陶粒、硅藻土混合的胶体液为载体，最后加入芽孢杆菌搅拌形成具有混凝土自愈合能力的修补液剂，将胶体液和微生物材料一并加入搅拌室，也即搅拌器，边搅拌边注水进行适当稀释，也防止修补液粘稠固结，均匀混合后形成可喷射流体，再通过微型隔膜泵14泵入待修补缝隙，微生物在缝隙内发生一系列复杂的生物化学反应，概括为矿化反应，最终生成与混凝土材料相同的CaCo3和尿素酶，过程需要空气中的氧气，因此一旦缝隙修补完毕微生物便进入休眠状态，直到再次开裂便又会进行上述反应，因此能够长期、反复地对该部位混凝土实施修补，大大减少二次施工的风险。
综上可得，通过设置主旋翼桨叶1、大功率无刷电机2、小功率无刷电机6、辅助旋翼桨叶7，主旋翼桨叶1为无人机提供升力和转矩，每侧旋翼有悬臂和驱动电机组成，悬臂中央有三角形镂空结构，为电机提供稳定支撑，并适当减轻整体重量；辅助旋翼桨叶7向下呈倾30°，两侧旋翼除了提供部分升力外，还能够通过非共线力提供一定的抗风阻力矩，当海拔较高处或靠近海面桥梁容易受气流影响，在梁柱包围面形成涡流，干扰气动飞行装置飞行稳定性，能够有效抵抗侧向涡流从而维持作业时飞行稳定性，达到了便于使用的效果。
通过设置补光灯3、双目摄像4、云台高清摄像头5、支架8、激光雷达18，通过设置补光灯3、双目摄像4，便以获得控制机体所需视野信息，使用云台高清摄像头5，其由一种小型云台机构和高清摄像头构成，能保持与待修补裂缝的相对角度静止，并通过内置算法获取裂缝的宽度信息，使用激光雷达18用于探测裂缝深度，配合云台高清摄像头5探测所得裂缝宽度，控制微型隔膜泵14流量，促使地面人员可以手动遥控进行修补作业，在信号覆盖情况差等特殊情况下还可实现一定程度上的自动化修补作业，使其能够应用于以往仅能通过人员作业的场景，达到了便于使用的效果。
通过设置云台旋转底盘9、卡口结构10、喷口11、喷涂装置下部壳体12、可拆卸进料盒13、微型隔膜泵14、搅拌子15、旋转轴16、内嵌电机17，采用能使混凝土愈合的真菌混合材料能够实现少量喷涂大面积修补特性，能够渗透缝隙进行长期地、反复地修补，粉末状修补材料质量轻，有效减轻负荷，使得采用无人机携带喷涂变为可能，达到了便于使用的效果。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种用于混凝土建筑裂缝愈合修复无人机系统，包括有无人机本体，其特征在于：所述无人机本体包括有主旋翼桨叶(1)、大功率无刷电机(2)、补光灯(3)、双目摄像(4)、云台高清摄像头(5)、小功率无刷电机(6)、辅助旋翼桨叶(7)、支架(8)、云台旋转底盘(9)、卡口结构(10)、喷口(11)、喷涂装置下部壳体(12)、可拆卸进料盒(13)、微型隔膜泵(14)、搅拌子(15)、旋转轴(16)、内嵌电机(17)、激光雷达(18)，所述大功率无刷电机(2)的输出端与主旋翼桨叶(1)固定连接，所述小功率无刷电机(6)的输出端与辅助旋翼桨叶(7)固定连接，所述可拆卸进料盒(13)、微型隔膜泵(14)、喷口(11)从后往前依次设置在喷涂装置下部壳体(12)内，所述激光雷达(18)内嵌在喷涂装置下部壳体(12)内，所述无人机本体设置有电池(19)，无人机巡检发现桩基上裂缝，靠近提取裂缝特征，云台高清摄像头(5)锁定裂缝并通过内置算法识别裂缝宽度，激光雷达(18)对裂缝成像，云台旋转底盘(9)旋转至最佳成像角度，生成桩基裂缝成像图，处理器通过配合裂缝成像图控制微型隔膜泵(14)流量，流量与裂缝宽度成反比。
2.根据权利要求1所述的一种用于混凝土建筑裂缝愈合修复无人机系统，其特征在于：所述主旋翼桨叶(1)的数量为四个，所述辅助旋翼桨叶(7)的数量为两个。
3.根据权利要求1所述的一种用于混凝土建筑裂缝愈合修复无人机系统，其特征在于：所述主旋翼桨叶(1)、辅助旋翼桨叶(7)与无人机本体中轴呈对称分布。
4.根据权利要求1所述的一种用于混凝土建筑裂缝愈合修复无人机系统，其特征在于：所述补光灯(3)、双目摄像(4)均设置在无人机本体的头部，所述补光灯(3)、双目摄像(4)与无人机本体中轴呈对称分布。
5.根据权利要求1所述的一种用于混凝土建筑裂缝愈合修复无人机系统，其特征在于：所述云台高清摄像头(5)设置在双目摄像(4)的正下方。
6.根据权利要求1所述的一种用于混凝土建筑裂缝愈合修复无人机系统，其特征在于：所述支架(8)的一端与无人机本体的一侧可拆卸连接。
7.根据权利要求1所述的一种用于混凝土建筑裂缝愈合修复无人机系统，其特征在于：所述云台旋转底盘(9)设置在无人机本体的底部，所述云台旋转底盘(9)的一侧与卡口结构(10)连接，所述卡口结构(10)设置在喷涂装置下部壳体(12)上。
8.根据权利要求1所述的一种用于混凝土建筑裂缝愈合修复无人机系统，其特征在于：所述可拆卸进料盒(13)内置有搅拌器，所述搅拌器包括有搅拌子(15)、旋转轴(16)、内嵌电机(17)，所述内嵌电机(17)的输出端与旋转轴(16)的一端固定连接，所述旋转轴(16)的另一端与搅拌子(15)固定连接。
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