CN104875882B - 四轴飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种四轴飞行器，包括飞行器本体，所述飞行器本体上设置有支撑架，该支撑架设置有呈十字形交叉的四个机械臂，每个机械臂的端部设置有螺旋桨，所述螺旋桨通过驱动电机驱动其转动；在每个螺旋桨的螺旋桨轴顶部设置有超声传感器；在支撑架面对地面的一面安装有气压高度传感器，在飞行器本体上设置有控制箱，该控制箱内安装有集成控制器的芯片；在支撑架上还设置有一个突出端，在该突出端上设置有工业相机。本发明提供的四轴飞行器，可以实现自动地对桥梁裂纹进行检测巡查，从而节省了大量的人力物力，且测量方便，而且该飞行器制造成本低，测量效率高。

Description

四轴飞行器

技术领域

本发明涉及一种探测设备，尤其涉及一种四轴飞行器。

背景技术

近年来我国交通事业迅速发展，为缓解交通压力，城市立交桥、高架桥以及各级公路上的桥梁逐年增加。随着时间的推移，各种情况的出现会导致桥梁的危险系数上升，如：通行车辆增加导致桥梁负荷增大，设计过程中存在缺陷，桥梁路面不平整导致震动性局部损坏，材料老化，恶劣外部气候环境的冲击等因素的存在。诸如此类因素的存在而导致桥梁出现裂纹，如发现养护不及时很容易造成桥梁结构性损伤，严重时致桥梁垮塌而产生严重的安全事故，此类事故的报道屡见不鲜。

因此，及时发现并采取养护补救措施对桥梁安全非常重要，目前检测方法主要是人工识别法，借助于高倍放大镜和显微镜对桥梁进行测量记录，该方法主要依赖于人力，存在测量周期长、成本高、人为经验因素较强等缺陷，同时在辅助测量时需借助于脚手架等设备，在交通通行量较大的高架桥、立交桥区域存在大流量车辆通行，对测量人员的安全和效率也产生较大影响。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，提供一种能够自动对桥梁进行测量记录的四轴飞行器。

一种四轴飞行器，包括飞行器本体，所述飞行器本体上设置有支撑架，该支撑架设置有呈十字形交叉的四个机械臂，每个机械臂的端部设置有螺旋桨，所述螺旋桨通过无刷电调装置控制驱动电机驱动使其转动；在每个螺旋桨的螺旋桨轴顶部设置有超声传感器；在支撑架面对地面的一面安装有气压高度传感器，在飞行器本体上设置有控制箱，该控制箱内安装有集成控制器的芯片；在支撑架上还设置有一个突出端，在该突出端上设置有工业相机。

进一步地，如上所述的四轴飞行器，每个机械臂其两段宽，中间窄。

本发明提供的四轴飞行器，可以实现自动地对桥梁裂纹进行检测巡查，从而节省了大量的人力物力，且测量方便，而且该飞行器制造成本低，测量效率高。

附图说明

图1为本发明四轴飞行器结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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作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。

图1为本发明四轴飞行器结构示意图，如图1所示，本发明提供的四轴飞行器，包括飞行器本体1，所述飞行器本体1上设置有支撑架11，该支撑架11设置有呈十字形交叉的四个机械臂12，每个机械臂12的端部设置有螺旋桨13，所述螺旋桨13通过驱动电机14驱动其转动；在每个螺旋桨13的螺旋桨轴131顶部设置有超声传感器；在支撑架面11对地面的一面安装有气压高度传感器，在飞行器本体1上设置有控制箱16，该控制箱16内安装有集成控制器的芯片。在支撑架11上还设置有一个突出端17，在该突出端17上设置有工业相机15。

具体地，所述控制器的芯片上集成有DSP处理器、GPS模块、三轴陀螺仪、三轴加速度计、无线收发模块、无线图像传输模块，所述DSP处理器与所述驱动电机连接，所述无线收发模块、无线图像传输模块与手持设备对应，手持设备用于输入各种参数来使飞行器正常飞行。

本发明的飞行器可以实现2种测量模式，一种为自动测量模式，一种为手动测量模式，其中，自动测量模式是通过飞行器本体上设置的控制箱来实现控制的，而手动测量模式是通过与手持设备对应的飞行方向控制球来实现的。

当飞行器处于自动测量模式时，测量人员首先通过手持设备设定距离桥梁底部安全距离和飞行基准高度。不同桥梁高度不同，为适应各类型桥梁结构，该飞行器可以通过手持设备借助于气压高度传感器设定飞行基准高度，飞行器始终在该高度附近飞行。该高度的设定同时需要结合拍照工业相机的焦距，以便保证最佳拍照角度和距离。由于桥梁底部某些位置可能出现凹凸不平以及爬行植物及其他障碍物的存在，在飞行器本体的支撑架面对地面的一面安装气压高度传感器来不停检测飞行器与桥梁底部的距离，当距离小于设定安全距离时，自动调节飞行器在测量同时做低幅度俯仰飞行，直到安全距离达到后恢复正常飞行姿态，从而保证飞行器在处于最佳拍照位置的同时避免与桥梁底部的障碍物发生碰撞，保障测量安全准确进行。

所述DSP控制器通过四个无刷电调装置控制四个驱动电机带动对应的四个螺旋桨旋转，四个螺旋桨通过支撑架的四个机械臂对称分布在飞行器本体周围，本发明飞行器本体通过四个螺旋桨正转和反转使飞行器实现前后、上下、俯仰、滚动、偏航、悬停等飞行动作，同时DSP控制器实时采集三轴陀螺仪和三轴加速度计的信号以计算飞行器当前相对地面的姿态及加速度、角速度，并通过特定算法分析计算出保持飞行状态所需的旋转力和升力，通过改变螺旋翼的转动方向和转速来实现上述动作。

桥梁裂纹信息的采集主要通过携带在飞行器本体突出端的工业面阵相机实现图像信号的采集，工业相机的驱动采用DSP控制器和FPGA驱动控制器相结合的方式，所述FPGA驱动控制器由DSP控制器控制启动，FPGA控制器负责相机驱动、信号采集，同时通过LVDS总线将信号并行传输给DSP控制器用于图像数据的分析；DSP处理器分析工业相机采集到的图像信息，计算当前位置图像中是否出现裂纹，裂纹长度是多少以及裂纹的宽度及最大宽度是多少，当检测到裂纹出现时保持飞行器处于悬停状态以指示出现裂纹位置，通过将裂纹最大宽度、裂纹长度信息通过无线收发模块传送给手持设备，同时将对应采样的图像信息通过无线图像传输模块传送给手持设备，以便测量人员做出初步裂纹程度分析以及后期存档、维修记录数据。在手持设备中装有大容量存储设备，手持设备通过USB接口可以将图像信息上传到PC服务器存档。而当测量人员已完成分析记录后发出继续巡检信号，飞行器继续按照原有设定模式进行巡检，巡检路线由手持设备中坐标信息来决定，所述控制箱内的芯片上也集成有一个GPS模块，用于指示当前飞行器所处的坐标位置。当接收到每个坐标位置后自动调节飞行姿态朝预定位置飞行，到达终点位置后自动按照原路径返回并在起点位置降落完成测量过程。

本发明在每个螺旋桨的螺旋桨轴顶部设置有超声传感器，所述超声传感器用于测量飞行器上的螺旋桨距离周围障碍物的距离，然后将该距离信息传送给DSP处理器，然后DSP处理器根据该距离信息对飞行器的飞行状况进行调整。具体地，在飞行器飞行过程中，一方面在桥梁底部结构可能会出现凹凸不平的结构，甚至是爬行植物及树枝等障碍物，如果不设定飞行器与桥梁底部的安全距离，则可能造成飞行器与障碍物相碰撞从而造成障碍物受损。另一方面，在桥梁四周有可能会出现绿化树木的树枝等物体的存在，如果不考虑智能蔽障，则也可能造成飞行器受损。因此在飞行器的自动巡航飞行器系统中，超声传感器组非常重要。

测量人员携带手持式设备，该设备通过无线收发模块控制飞行器的动作，同时通过无线图像传输模块实现接受疑似桥梁裂纹的图像数据，及当前疑似位置的裂纹长度、最大裂纹宽度等数据信息。手持设备带有自定义键盘和宽LED显示屏，要求通过键盘先设定桥梁高度、飞行器飞行高度和飞行安全距离，并设定飞行器飞行速度，为简化操作，将速度分为五个档次。同时需要设定飞行检测路线，结合GPS给出检测起点、关键中间点、终点的坐标位置，坐标位置由手持设备内部程序根据GPS信号自动获取，并将检测行进路线上所有设定点的坐标按顺序通过无线收发模块以协议形式发给飞行器，飞行器收到后按照坐标位置在行进过程中自动调整飞行姿态。设定完成后启动飞行器，飞行器将从起点位置开始上升到飞行高度，按照设定路线启动工业相机检测。当检测到疑似裂纹时会悬停，手持设备收到相应信号后再一次按启动工作，飞行器会从悬停位置继续开始按照设定路线飞行并检测。同时手持设备内置大容量存储器，通过数据库管理软件可以将裂纹相关信息(裂纹长度、裂纹最大宽度、裂纹检测时间)和裂纹存在处图像信息融合在一起存储起来，通过USB口可以上传到PC端进行进一步分析和确认。

进一步地，为了减轻本发明所的四轴飞行器的重量，本发明所所述每个机械臂12其两段宽，中间窄，且还可以将飞行器本体的结构设置为镂空结构。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：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；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (1)

1.一种采集桥梁裂纹信息的四轴飞行器，其特征在于，包括飞行器本体，所述飞行器本体上设置有支撑架，该支撑架设置有呈十字形交叉的四个机械臂，每个机械臂的端部设置有螺旋桨，所述螺旋桨通过无刷电调装置控制驱动电机驱动使其转动；在每个螺旋桨的螺旋桨轴顶部设置有超声传感器；在支撑架面对地面的一面安 装有气压高度传感器，在飞行器本体上设置有控制箱，该控制箱内安装有集成控制器的芯片；在支撑架上还设置有一个突出端，在该突出端上设置有工业相机；每个机械臂其两端宽，中间窄；

所述控制器的芯片上集成有DSP处理器、GPS模块、三轴陀螺仪、三轴加速度计、无线收发模块、无线图像传输模块，所述DSP处理器与所述驱动电机连接，所述无线收发模块、无线图像传输模块与手持设备对应，手持设备用于输入各种参数来使飞行器正常飞行；

所述四轴飞行器实现2种测量模式，一种为自动测量模式，一种为手动测量模式，其中，自动测量模式是通过飞行器本体上设置的控制箱来实现控制的，而手动测量模式是通过与手持设备对应的飞行方向控制球来实现的；当飞行器处于自动测量模式时，测量人员首先通过手持设备设定距离桥梁底部安全距离和飞行基准高度，不同桥梁高度不同，为适应各类型桥梁结构，该飞行器通过手持设备借助于气压高度传感器设定飞行基准高度，飞行器始终在该高度附近飞行；该高度的设定同时需要结合拍照工业相机的焦距，以便保证最佳拍照角度和距离；在飞行器本体的支撑架面对地面的一面安装气压高度传感器来不停检测飞行器与桥梁底部的距离，当距离小于设定安全距离时，自动调节飞行器在测量同时做低幅度俯仰飞行，直到安全距离达到后恢复正常飞行姿态；

所述DSP处理器通过四个无刷电调装置控制四个驱动电机带动对应的四个螺旋桨旋转，四个螺旋桨通过支撑架的四个机械臂对称分布在飞行器本体周围，飞行器本体通过四个螺旋桨正转和反转使飞行器实现前后、上下、俯仰、滚动、偏航、悬停的飞行动作，同时DSP处理器实时采集三轴陀螺仪和三轴加速度计的信号以计算飞行器当前相对地面的姿态及加速度、角速度，并通过特定算法分析计算出保持飞行状态所需的旋转力和升力，通过改变螺旋桨的转动方向和转速来实现上述动作；

桥梁裂纹信息的采集主要通过携带在飞行器本体突出端的工业相机实现图像信号的采集，工业相机的驱动采用DSP处理器和FPGA驱动控制器相结合的方式，所述FPGA驱动控制器由DSP处理器控制启动，FPGA 控制器负责相机驱动、信号采集，同时通过LVDS总线将信号并行传输给 DSP处理器用于图像数据的分析；DSP处理器分析工业相机采集到的图像信息，计算当前位置图像中是否出现裂纹，裂纹长度是多少以及裂纹的宽度及最大宽度是多少；当检测到裂纹出现时保持飞行器处于悬停状态以指示出现裂纹位置，通过将裂纹最大宽度、裂纹长度信息通过无线收发模块 传送给手持设备，同时将对应采样的图像信息通过无线图像传输模块传送给手持设备，以便测量人员做出初步裂纹程度分析以及后期存档、维修记录数据；

在手持设备中装有大容量存储设备，手持设备通过USB接口将图像信息上传到PC服务器存档；而当测量人员已完成分析记录后发出继续巡检信号，飞行器继续按照原有设定模式进行巡检，巡检路线由手持设备中坐标信息来决定，所述控制箱内的芯片上也集成有一个GPS模块， 用于指示当前飞行器所处的坐标位置；当接收到每个坐标位置后自动调节飞行姿态朝预定位置飞行，到达终点位置后自动按照原路径返回并在起点 位置降落完成测量过程。