CN106598073A - 基于四旋翼无人机的岸桥起重机结构检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于四旋翼无人机的岸桥起重机结构检测系统,包括无人机分系统、任务吊舱分系统和地面指挥测控分系统;无人机分系统采用四旋翼无人机平台,包括四旋翼无人机及四旋翼无人机搭载的飞行控制计算机、飞行导航模块、避障模块以及动力驱动装置;任务吊舱分系统为搭载有可见光高清摄像头和信号收发器的云台;地面指挥测控分系统包括地面控制器与地面计算机。本发明结构简单,使用方便,不受时间与空间的限制。无人机可以对岸桥起重机机身进行近距离、多角度、全方位的高清拍摄,也可悬停于空中对某一点进行长时间拍摄,并将图像传送至地面计算机,及时准确的发现起重机存在的金属结构问题,解决安全隐患以保证起重机的安全运行工作。
Description
技术领域
本发明涉及一种检测系统,具体涉及一种基于四旋翼无人机平台的岸桥起重机结构检测系统,属于起重机结构损伤的检测技术领域。
背景技术
大型起重机在物流、冶金、制造、建筑等领域应用广泛,其安全运行关系着企业命脉。其主体金属结构为焊接制造,存在的切口、咬边和维细裂纹等缺陷易形成产生裂纹的疲劳源,而且结构部件在冶金制造过程中存在缺陷。加之起重机常年在恶劣的环境中运行,金属结构除承受固定载荷、工作载荷之外,还经常承受冲击载荷、风载荷等附加载荷,主要构件长期承受交变应力的作用,使得疲劳源萌生裂纹继而扩展,直至破坏整机的安全性。
以岸边集装箱桥式起重机为例。我国目前众多港口所采用的岸桥起重机沿用上世纪60至70年代自主研发制造或从发达国家进口的二手设备,加之由于港口恶劣的工作环境与设备更新经费的限制。不少存在结构损伤的岸桥起重机仍在服役,这一实际问题对港口安全生产埋下了安全隐患。而现有的检测方法多采用人工望远镜对起重机的金属结构进行观测,此方法的局限在于检测距离较远,存在视觉盲区,不能近距离、多角度、准确的观测岸桥起重机的金属结构。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于四旋翼无人机平台的岸桥起重机结构检测系统。以四旋翼无人机为载体,利用其结构简单、使用便利、可悬停可避障的特点,通过搭载任务载荷对岸桥起重机结构近距离、多角度、全方位的检测,及时发现起重机存在的金属结构问题,解决安全隐患以保证起重机的安全运行工作。
为解决上述技术问题,本发明采用的技术方案是:
一种基于四旋翼无人机的岸桥起重机结构检测系统,包括无人机分系统、任务吊舱分系统和地面指挥测控分系统;
无人机分系统采用四旋翼无人机平台,其升力由四个旋翼通过与空气进行相对运动的反作用获得。四旋翼无人机平台包括四旋翼无人机及四旋翼无人机搭载的飞行控制计算机、飞行导航模块、避障模块以及动力驱动装置;飞行控制计算机完成无人机的飞行任务控制,飞行控制计算机通过与飞行导航模块、避障模块以及动力驱动装置的信号处理单元相连控制飞行导航模块、避障模块以及动力驱动装置的正常工作运行;飞行导航模块包括信号处理单元、GPS导航仪与三轴速率陀螺仪,GPS导航仪通过卫星定位,将无人机所处三维空间的具体位置通过信号处理单元反馈回飞行控制计算机,确保无人机按预期的航线飞行;三轴速率陀螺仪检测无人机的飞行参数与姿态通过信号处理单元反馈回飞行控制计算机,确保无人机按预期的飞行参数与姿态飞行;避障模块包括信号处理单元与超声波测距传感器,当飞行航线范围内遇到非预期性障碍物时,超声波测距传感器通过信号处理单元将距离信息传递给飞行控制计算机,飞行控制计算机做出应急飞行航线规划,控制四旋翼无人机进行即时避障;动力驱动装置包括无刷直流电机、舵机与伺服作动器,舵机控制对应旋翼的电机,对电机进行调速,实现无人机的飞行计划;伺服作动器根据飞行控制计算机发出的指令,对舵机下达指令,控制各个无刷直流电机的转动,从而控制各个旋翼的转速,实现对无人机的飞行控制;
任务吊舱分系统为搭载有可见光高清摄像头和信号收发器的云台;检测时,无人机悬停于起重机机身待检测部位下方或侧方,地面计算机通过信号收发器控制步进电机调整云台的倾斜与俯仰姿态,使高清摄像头对准需检测部位;然后经摄像头的采集图像,通过信号收发器发至地面进行下一步处理;
地面指挥测控分系统包括地面控制器与地面计算机;地面控制器通过港口每架岸桥起重机上布置GPS定位器的位置,生成港口各个岸桥起重机的空间运行位置与实时运行状态,以此对无人机的飞行航路与任务载荷工作进行规划,并对无人机进行起降操纵、飞行航路控制、任务载荷控制以及数据链控制;地面计算机显示并记录无人机的飞行状态参数、航迹,并接收任务吊舱系统采集的图像,进行下一步分析与处理。
更进一步的方案是:所述飞行任务包括姿态与航向的稳定与控制、速度控制、起飞与着陆控制与避障飞行。
更进一步的方案是:所述的四旋翼无人机平台的四个旋翼对称分布在机身框架上,并设有防护栏进行保护。
更进一步的方案是:所述避障模块中的超声波测距传感器有八个,对称均匀分布在无人机机身的八个方向上,可以全方位无死角的向机身周围发射超声波,当一定范围内遇到非预期性障碍物时使机载计算机做出应急飞行航线规划,进行即时避障。
更进一步的方案是:所述的任务吊舱分系统安装于四旋翼无人机的机身上部,所述的任务吊舱分系统与四旋翼无人机之间安装有高精度陀螺仪,通过高精度陀螺仪对云台的扰动进行隔离,防止云台产生抖动或因视场角受限制而造成采集图像的不清晰或不全面的问题。
更进一步的方案是:所述的每架岸桥起重机上布置的GPS定位器的布点位置为岸桥起重机的前主梁端部、后主梁尾部与主梁铰点。根据岸桥起重机上这三处的位置信息与地面计算机中储存的起重机三维模型相结合,得到港口起重机的实时空间位置与运行状态,于此通过地面控制器对无人机的预期飞行参数、路线与任务载荷工作的规划。
更进一步的方案是:所述的四旋翼无人机安装有数据传输无线电和飞行控制无线电电路,通过微波信号与地面控制器与地面计算机连接,对无人机进行飞行控制与图像传输。
本发明借鉴无人机电力线与桥梁巡检技术,该技术不受空间限制,可以到检测人员无法到达空中实行近距离观测,且相对于直升机巡检具有成本廉价,结构简单,安全可靠的优势,无人机在巡检领域的应用更加广泛。故将无人机应用于起重机检测领域,可极大的改善已有的检测方法:操作搭载有拍摄云台的四旋翼无人机可近距离、多角度、全方位的对起重机机身金属结构进行拍摄,并及时将图像传至地面计算机中。相对于人工望远镜观测,此方法可获得更清晰、更精确的图像,及时发现起重机存在的安全隐患,确保安全生产。
本发明具有的优点和效果是:结构简单,使用方便,不受时间与空间的限制。无人机可以对岸桥起重机机身进行近距离、多角度、全方位的高清拍摄,也可悬停于空中对某一点进行长时间拍摄,并将图像传送至地面计算机,及时准确的发现起重机存在的金属结构问题,解决安全隐患以保证起重机的安全运行工作。
附图说明
图1为本发明一种基于四旋翼无人机的岸桥起重机结构检测系统的结构图;
图2为本发明一种基于四旋翼无人机的岸桥起重机结构检测系统的工作流程图;
图3为本发明一种基于四旋翼无人机的岸桥起重机结构检测系统的岸桥起重机GPS定位器布点示意图。
具体实施方式
为进一步描述本发明,下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
本发明提供了一种基于四旋翼无人机的岸桥起重机结构红外检测系统,包括无人机分系统、任务吊舱分系统、地面指挥测控分系统,如图1所示。
无人机分系统采用四旋翼无人机平台,其升力由四个旋翼通过与空气进行相对运动的反作用获得,四个旋翼对称分布在机身框架上,并设有防护栏进行保护。四旋翼无人机平台搭载飞行控制计算机、飞行导航模块、避障模块以及动力驱动装置等。飞行控制计算机完成无人机的姿态与航向的稳定与控制、速度控制、起飞与着陆控制与避障飞行等飞行任务,通过与各模块的信号处理单元相连控制各个模块的正常工作运行。飞行导航模块包括信号处理单元、GPS导航仪与三轴速率陀螺仪。其中GPS导航仪通过卫星定位,将无人机所处三维空间的具体位置通过信号处理单元反馈回飞行控制计算机,确保无人机按预期的航线飞行。三轴速率陀螺仪检测无人机的飞行参数与姿态通过信号处理单元反馈回飞行控制计算机,确保无人机按预期的飞行参数与姿态飞行。避障模块包括信号处理单元与超声波测距传感器,超声波测距传感器有八个,对称均匀分布在无人机机身的八个方向上,可以全方位无死角的向机身周围发射超声波,当飞行航线范围内遇到非预期性障碍物时,超声波测距传感器通过信号处理单元将距离信息传递给飞行控制计算机,使其做出应急飞行航线规划,进行即时避障。动力驱动装置包括无刷直流电机、舵机与伺服作动器,舵机控制对应旋翼的电机,对其进行调速,实现无人机的飞行计划。伺服作动器根据飞行控制计算机发出的指令,对舵机下达指令,控制各个无刷直流电机的转动,从而控制各个旋翼的转速,实现对无人机的飞行控制。
任务吊舱分系统为搭载有可见光高清摄像头和信号收发器的云台。搭载任务载荷的云台固定安装于四旋翼无人机的机身上部,通过步进电机控制其倾斜与俯仰姿态,可以对起重机机身结构进行多方位多角度的检测。任务吊舱系统通过高精度陀螺仪,对云台的扰动进行隔离,防止云台抖动或视场角受限制而造成采集图像的不清晰或不全面的问题。当无人机悬停于起重机机身待检测部位下方或侧方,地面计算机通过信号收发器控制步进电机调整云台的倾斜与俯仰姿态,使高清摄像头对准需检测部位。然后经摄像头的采集图像,通过信号收发器发至地面进行下一步处理。
地面指挥测控分系统包括地面控制器与地面计算机。待检测港口的每架起重机上在前大梁端部、后大梁尾部与主梁铰点进行GPS定位器布点。根据岸桥起重机上这三处的位置信息与地面计算机中储存的起重机三维模型相结合,得到港口起重机的实时空间位置与运行状态,于此通过地面控制器对无人机的预期飞行参数、路线与任务载荷工作的规划,并对无人机进行起降操纵、飞行航路控制、任务载荷控制以及数据链控制。四旋翼无人机安装有数据传输无线电和飞行控制无线电电路,通过微波信号与地面控制器和计算机连接,对无人机进行飞行控制与图像传输。地面计算机显示并记录无人机的飞行状态参数、航迹,并接收任务吊舱系统采集的图像,进行下一步分析与处理。
应用上述系统对岸桥起重机结构进行检测,如图2所示,本发明通过下述步骤实现:
步骤1:对港口中每架岸桥起重机进行GPS定位器布点,每架起重机的布点位置为前大梁端部1、后大梁尾部2和主梁铰点3三处,具体布点如图3所示。
步骤2:根据岸桥起重机上GPS定位器的位置信息与地面计算机中储存的起重机三维模型相结合,得到港口起重机的实时空间位置与运行状态,于此通过地面控制器对无人机的预期飞行参数、路线与任务载荷工作的规划。
步骤3:对无人机系统进行飞行任务前的全面检查,以保障检测工作可以顺利进行。接着地面控制器控制无人机的机载飞控计算机,执行飞行任务。
步骤4:无人机按设计路线飞行,通过无人机各个螺旋桨的速度控制与步进电机控制云台的俯仰与旋转相互协同配合,对每架岸桥起重机机身金属结构进行近距离、多角度、全方位的高清拍摄。对于机身重要位置,无人机可悬停于空中对其进行长时间拍摄。采集的图像经过信号收发器发送至地面指挥系统进行下一步处理。
步骤5:完成任务后按规划路线返回降落并进行无人机设备检查维护。对无人机采集的图像进行处理分析,及时准确的发现起重机存在的金属结构问题,解决安全隐患以保证起重机的安全运行工作。
Claims (7)
1.一种基于四旋翼无人机的岸桥起重机结构检测系统,其特征在于包括无人机分系统、任务吊舱分系统和地面指挥测控分系统;
无人机分系统采用四旋翼无人机平台,包括四旋翼无人机及四旋翼无人机搭载的飞行控制计算机、飞行导航模块、避障模块以及动力驱动装置;飞行控制计算机完成无人机的飞行任务控制,飞行控制计算机通过与飞行导航模块、避障模块以及动力驱动装置的信号处理单元相连控制飞行导航模块、避障模块以及动力驱动装置的正常工作运行;飞行导航模块包括信号处理单元、GPS导航仪与三轴速率陀螺仪,GPS导航仪通过卫星定位,将无人机所处三维空间的具体位置通过信号处理单元反馈回飞行控制计算机;三轴速率陀螺仪检测无人机的飞行参数与姿态通过信号处理单元反馈回飞行控制计算机;避障模块包括信号处理单元与超声波测距传感器,当飞行航线范围内遇到非预期性障碍物时,超声波测距传感器通过信号处理单元将距离信息传递给飞行控制计算机,飞行控制计算机做出应急飞行航线规划,控制四旋翼无人机进行即时避障;动力驱动装置包括无刷直流电机、舵机与伺服作动器,舵机控制对应旋翼的电机,对电机进行调速,实现无人机的飞行计划;伺服作动器根据飞行控制计算机发出的指令,对舵机下达指令,控制各个无刷直流电机的转动,从而控制各个旋翼的转速,实现对无人机的飞行控制;
任务吊舱分系统为搭载有可见光高清摄像头和信号收发器的云台;检测时,无人机悬停于起重机机身待检测部位下方或侧方,地面计算机通过信号收发器控制步进电机调整云台的倾斜与俯仰姿态,使高清摄像头对准需检测部位;然后经摄像头的采集图像,通过信号收发器发至地面进行下一步处理;
地面指挥测控分系统包括地面控制器与地面计算机;地面控制器通过港口每架岸桥起重机上布置GPS定位器的位置,生成港口各个岸桥起重机的空间运行位置与实时运行状态,以此对无人机的飞行航路与任务载荷工作进行规划,并对无人机进行起降操纵、飞行航路控制、任务载荷控制以及数据链控制;地面计算机显示并记录无人机的飞行状态参数、航迹,并接收任务吊舱系统采集的图像,进行下一步分析与处理。
2.根据权利要求1所述基于四旋翼无人机的岸桥起重机结构检测系统,其特征在于:所述飞行任务包括姿态与航向的稳定与控制、速度控制、起飞与着陆控制与避障飞行。
3.根据权利要求1所述基于四旋翼无人机的岸桥起重机结构检测系统,其特征在于:所述的四旋翼无人机平台的四个旋翼对称分布在机身框架上,并设有防护栏进行保护。
4.根据权利要求1所述基于四旋翼无人机的岸桥起重机结构检测系统,其特征在于:所述避障模块中的超声波测距传感器有八个,对称均匀分布在无人机机身的八个方向上。
5.根据权利要求1所述基于四旋翼无人机的岸桥起重机结构检测系统,其特征在于:所述的任务吊舱分系统安装于四旋翼无人机的机身上部,所述的任务吊舱分系统与四旋翼无人机之间安装有高精度陀螺仪,通过高精度陀螺仪对云台的扰动进行隔离。
6.根据权利要求1所述基于四旋翼无人机的岸桥起重机结构检测系统,其特征在于:所述的每架岸桥起重机上布置的GPS定位器的布点位置为岸桥起重机的前主梁端部、后主梁尾部与主梁铰点。
7.根据权利要求1所述基于四旋翼无人机的岸桥起重机结构检测系统,其特征在于:所述的四旋翼无人机安装有数据传输无线电和飞行控制无线电电路,通过微波信号与地面控制器与地面计算机连接,对无人机进行飞行控制与图像传输。
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