CN106864739A - 一种用于地下综合管廊检测的六旋翼飞行机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于地下综合管廊检测的六旋翼飞行机器人，包括机架、动力驱动单元、传感器单元、自主导航单元、摄像和照明单元、控制单元和存储单元。本发明以六旋翼飞行机器人为骨架，搭载不同类型传感器用于地下综合管廊内部环境和燃气、燃油、水管、热力管道的检测；拍摄管廊内壁、地面、各类管线及附属装置的视频，并由控制单元预先处理后存储于存储单元以便后期借助计算机综合分析处理。本发明一方面节省人力用于综合管廊日常检测；另一方面用于管廊内发生灾害情况时检测传回里面信息以便后期人员进去管廊内处理灾情和决策救援。本发明采用激光雷达和IMU组合的自主导航方式，克服了地下空间无GPS信号的限制。
Description
技术领域
本发明涉及飞行机器人应用领域，尤其涉及一种用于地下综合管廊检测的六旋翼飞行机器人。
背景技术
由于城市用地紧张和城市化发展的矛盾，人类对于地下空间开发需求日益增大，地下空间的开发利用规模逐年递增。随着城市化程度的提高，城市地下工程建设规模不断扩大，为集中管理城市地下错综复杂的各类管线而建设地下综合管廊，也叫共同沟。综合管廊将电力、通讯、燃气、供热、给排水等各种工程管线集于一体，一次建设可实现多类应用，避免了不同类型管线埋设过程中重复开挖导致的累计成本，经济效益和社会效益显著。然而，由于综合管廊地下空间狭小、各类管线集中、通风受限，若不能定期进行综合管廊内状态参数的精确检测，实现早期预测预报，极有可能最终导致事故的发生，存在一定的安全隐患。因此，地下综合管廊的精确检测监控显得尤为重要。
目前，对于地下综合管廊内部环境和运行状态的检测，主要采用联网监测、人工巡检等方式。此外，近年来机器人技术也在地下空间监测监控方面得到了一定程度应用。联网监测方式通过在管廊内不同位置安装各类传感器并联网的方法对管廊内环境条件和状态参数进行监测，该方法初期设计安装工作量大、建设成本高且后期运行维护任务重，随着系统服役时间的增加，监测网误报漏报几率会增加。人工巡检法采用工作人员携带监测仪器仪表进入管廊对相关参数进行检测，该方法能够根据需求实现针对性的监测，且监测数据可靠，但人工成本高，耗费时间长，无法满足快速监测监控的需要，且在综合管廊内发生灾害时巡检人员的人身安全难以得到保证。近年来，随着机器人技术的发展，智能监测技术开始被用于地下空间。其中，陆地巡检机器人由于工作模式为地面行走巡检，有效检测范围局限于靠近综合管廊地面附近较小区域的空间，不能检测到管廊内壁及其他附属设施的状况，无法获取综合管廊内的全面状态信息。飞行机器人已被应用到煤矿、隧道等地下空间，但是由于地下空间无法接受GPS信号导致飞行器的避障导航效果很差，尝试的基于场景-拓扑的自主定位方法，由于地下空间环境复杂性、模糊性、多变性等特性决定建立地图库是及其困难的而不能很好应用；尝试的基于视觉SLAM的自主飞行控制方法，在地上空间已经获得了成熟的应用，但由于地下管廊环境黑暗、光线暗弱和发生火灾燃烧等灾害时产生烟雾等特性导致此种方法无法使用。综上，现有地下综合管廊的联网监测、人工巡检、机器人巡检等技术存在设计安装工作量大、建设成本高、运行维护任务重、耗时费力、安全性能差、检测参数少等问题，无法满足地下综合管廊环境和工作状态多元参数的一体化快速检测。本发明提供了一种飞行机器人，搭载各类传感器，能够实现地下综合管廊环境和工作状态等多元参数的一体化快速高效检测，运行和维护成本低，安全性高，且适于灾变时期地下状况不明时使用，能够为救灾人员科学决策提供基础数据。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种用于地下综合管廊检测的六旋翼飞行机器人，用于日常综合管廊内部环境检测和内部各类管道（包括燃气/油管道、水管和电缆管道）检测；或是灾害时期勘探综合管廊内灾害情况，以便后期人员进去管廊内处理灾情和决策救援。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种用于地下综合管廊监测的六旋翼飞行机器人，包括机架、动力驱动单元、传感器单元、自主导航单元、摄像和照明单元、控制单元和存储单元；
所述机架包含六个机臂；
所述动力驱动单元包含六组飞行机构，分别设置在所述机架的六个机臂的端点上；
所述飞行机构包含电动马达和对应旋翼，其中，所述电动马达和飞行机构对应的机臂固定相连，旋翼的转轴和电动马达的输出端固定相连，所述电动马达和所述控制单元相连；
所述传感器单元包含设置在机架上的温湿度传感器、气压传感器、氧气传感器、二氧化碳传感器、PM2.5传感器、超声波传感器、气敏传感器和红外传感器；
所述温湿度传感器、气压传感器、氧气传感器、二氧化碳传感器和PM2.5传感器，分别用于检测地下综合管廊的相应环境参数；
所述气敏传感器用于判断泄漏气体的种类和浓度；
所述超声波传感器用于检测燃油气管道和水管的泄漏孔径和泄漏量；
所述红外传感器用于检测热力管道和电缆管道温度是否异常；
所述自主导航单元包含设置在机架上的IMU和激光雷达传感器，其中，所述IMU用于获取飞行机器人的姿态角和加速度信息；所述激光雷达传感器用于获取飞行机器人与障碍物的距离以及障碍物的方位、高度、形状；
所述摄像和照明单元包含设置在机架上的摄像头和照明灯，其中，所述摄像头用于拍摄图像并将拍摄到的图像传递给所述控制单元，所述照明灯用于照明；
所述控制单元分别和温湿度传感器、气压传感器、氧气传感器、二氧化碳传感器、PM2.5传感器、超声波传感器、气敏传感器、红外传感器、IMU、激光雷达传感器、照明灯、摄像头、存储单元、动力驱动单元相连，用于将传感器单元、自主导航单元的感应数据和摄像头拍摄的图像存储至所述存储单元中，并根据自主导航单元的感应数据控制动力驱动单元工作。
作为本发明一种用于地下综合管廊检测的六旋翼飞行机器人进一步的优化方案，所述摄像头采用可旋转的CCD摄像头。
作为本发明一种用于地下综合管廊检测的六旋翼飞行机器人进一步的优化方案，所述控制单元采用基于32位高频中央处理器。
作为本发明一种用于地下综合管廊检测的六旋翼飞行机器人进一步的优化方案，所述飞行机构的电动马达采用防爆型的无刷直流电机。
作为本发明一种用于地下综合管廊检测的六旋翼飞行机器人进一步的优化方案，存储单元采用外接的可扩充模式和所述控制单元相连。
作为本发明一种用于地下综合管廊检测的六旋翼飞行机器人进一步的优化方案，所述IMU包含第一至第三MEMS陀螺仪、MEMS加速度计。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1.克服人工巡检耗时费力和陆地机器人巡检的不全面的缺陷，实现综合管廊检测的全面快速检测。
2.采用的MEMS传感器检测飞行器在飞行过程中的姿态角变化，实现实时悬停、旋转、侧飞和倒飞。
3.采用激光雷达和IMU组合的自主导航方式，克服了地下空间无法接受GPS信号的限制，同时实现飞行机器人自主导航和避障功能。
附图说明
图1是本发明的模块示意图；
图2为本发明的结构示意图。
图中，1-机臂；2-电动马达；3-旋翼；4-环境检测传感器盒子；5-超声波传感器；6-气敏传感器；7-红外传感器；8-MEMS加速度计；9-激光雷达传感器；10-CCD摄像头；11-照明灯；12-控制单元；13-MEMS陀螺仪。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图所示,进一步阐述本发明。
如图1和图2所示，本发明公开了一种用于地下综合管廊检测的六旋翼飞行机器人，包括机架、动力驱动单元、传感器单元、自主导航单元、摄像和照明单元、控制单元和存储单元；
所述机架包含六个机臂；
所述动力驱动单元包含六组飞行机构，分别设置在所述机架的六个机臂的端点上；
所述飞行机构包含电动马达和对应旋翼，其中，所述电动马达和飞行机构对应的机臂固定相连，旋翼的转轴和电动马达的输出端固定相连，所述电动马达和所述控制单元相连；
所述传感器单元包含设置在机架上的温湿度传感器、气压传感器、氧气传感器、二氧化碳传感器、PM2.5传感器、超声波传感器、气敏传感器和红外传感器；
所述温湿度传感器、气压传感器、氧气传感器、二氧化碳传感器和PM2.5传感器，分别用于检测地下综合管廊的相应环境参数；
所述气敏传感器用于判断泄漏气体的种类和浓度；
所述超声波传感器用于检测燃油气管道和水管的泄漏孔径和泄漏量；
所述红外传感器用于检测热力管道和电缆管道温度是否异常；
所述自主导航单元包含设置在机架上的IMU和激光雷达传感器，其中，所述IMU用于获取飞行机器人的姿态角和加速度信息；所述激光雷达传感器用于获取飞行机器人与障碍物的距离以及障碍物的方位、高度、形状；
所述摄像和照明单元包含设置在机架上的摄像头和照明灯，其中，所述摄像头用于拍摄图像并将拍摄到的图像传递给所述控制单元，所述照明灯用于照明；
所述控制单元分别和温湿度传感器、气压传感器、氧气传感器、二氧化碳传感器、PM2.5传感器、超声波传感器、气敏传感器、红外传感器、IMU、激光雷达传感器、照明灯、摄像头、存储单元、动力驱动单元相连，用于将传感器单元、自主导航单元的感应数据和摄像头拍摄的图像存储至所述存储单元中，并根据自主导航单元的感应数据控制动力驱动单元工作。
所述控制单元采用基于32位高频中央处理器。
所述飞行机构的电动马达采用防爆型的无刷直流电机。
存储单元采用外接的可扩充模式和所述控制单元相连。
所述IMU包含第一至第三MEMS陀螺仪、MEMS加速度计。
所述温湿度传感器、气压传感器、氧气传感器、二氧化碳传感器、PM2.5传感器可以集中安装在一块，譬如集中安装在环境检测传感器盒子中，用于检测地下综合管廊的相应环境参数；所述气敏传感器的气敏薄膜通过与管道泄漏气体作用而使气敏薄膜的膜层质量和导电率发生变化情况判断泄漏气体种类及浓度，所述的超声波传感器通过检测燃油气管道和水管泄漏产生微弱声波变化来判断泄漏孔径和泄漏量。
所述IMU用于获取飞机的姿态角和加速度信息，通过激光雷达传感器采集信号借助扫描匹配算法可以得到六旋翼飞行机器人的相对位移和偏航角，进行微分可以得到实时速度，将激光雷达与IMU的输出参数在扩展卡尔曼融合滤波器中进行数据融合处理，可以得到高频率、高精度的位姿估计信息，设计PID控制器，实现六旋翼飞行机器人的全自主飞行控制。
所述摄像头采用可旋转的CCD摄像头，CCD摄像头实时拍摄飞行路径沿线图像、视频，包括管廊地面积水状况、管道壁及顶部裂缝或坑洼破损情况、各类管道整体完整性，及管廊附属设备完好性检测，传送至所述的控制单元，并存储于存储单元，后期拷贝至计算机综合分析处理获取高精密影像，寻找非常态状况，采取修复措施。
以上所述仅为本人发明的较佳实施例,并不用以限制本发明,在不脱离本发明精神和范围的前提下,本发明还会有各种变化和改进,这些变化和改进均应包含在本发明的保护之内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种用于地下综合管廊监测的六旋翼飞行机器人，其特征在于，包括机架、动力驱动单元、传感器单元、自主导航单元、摄像和照明单元、控制单元和存储单元；
所述机架包含六个机臂；
所述动力驱动单元包含六组飞行机构，分别设置在所述机架的六个机臂的端点上；
所述飞行机构包含电动马达和对应旋翼，其中，所述电动马达和飞行机构对应的机臂固定相连，旋翼的转轴和电动马达的输出端固定相连，所述电动马达和所述控制单元相连；
所述传感器单元包含设置在机架上的温湿度传感器、气压传感器、氧气传感器、二氧化碳传感器、PM2.5传感器、超声波传感器、气敏传感器和红外传感器；
所述温湿度传感器、气压传感器、氧气传感器、二氧化碳传感器和PM2.5传感器，分别用于检测地下综合管廊的相应环境参数；
所述气敏传感器用于判断泄漏气体的种类和浓度；
所述超声波传感器用于检测燃油气管道和水管的泄漏孔径和泄漏量；
所述红外传感器用于检测热力管道和电缆管道温度是否异常；
所述自主导航单元包含设置在机架上的IMU和激光雷达传感器，其中，所述IMU用于获取飞行机器人的姿态角和加速度信息；所述激光雷达传感器用于获取飞行机器人与障碍物的距离以及障碍物的方位、高度、形状；
所述摄像和照明单元包含设置在机架上的摄像头和照明灯，其中，所述摄像头用于拍摄图像并将拍摄到的图像传递给所述控制单元，所述照明灯用于照明；
所述控制单元分别和温湿度传感器、气压传感器、氧气传感器、二氧化碳传感器、PM2.5传感器、超声波传感器、气敏传感器、红外传感器、IMU、激光雷达传感器、照明灯、摄像头、存储单元、动力驱动单元相连，用于将传感器单元、自主导航单元的感应数据和摄像头拍摄的图像存储至所述存储单元中，并根据自主导航单元的感应数据控制动力驱动单元工作。
2.根据权利要求1所述的用于地下综合管廊检测的六旋翼飞行机器人，其特征在于，所述摄像头采用可旋转的CCD摄像头。
3.根据权利要求1所述的用于地下综合管廊检测的六旋翼飞行机器人，其特征在于，所述控制单元采用基于32位高频中央处理器。
4.根据权利要求1所述的用于地下综合管廊检测的六旋翼飞行机器人，其特征在于，所述飞行机构的电动马达采用防爆型的无刷直流电机。
5.根据权利要求1所述的用于地下综合管廊检测的六旋翼飞行机器人，其特征在于，存储单元采用外接的可扩充模式和所述控制单元相连。
6.根据权利要求1所述的用于地下综合管廊检测的六旋翼飞行机器人，其特征在于，所述IMU包含第一至第三MEMS陀螺仪、MEMS加速度计。
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