CN107329487A - 一种无人机与机器人空中联动作业平台 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种无人机与机器人空中联动作业平台，包括：八旋翼无人机机体、地面站控制系统、数据传输系统、图像传输系统、云台相机、无人机电动起落架、探照灯、警示灯、机器人搭载平台、电池管理系统、无人机飞控系统、避障定位系统、搭载执行机构，搭载执行机构由能够完成不同具体功能的机器人组成，搭载执行机构安装在所述机器人搭载平台上；本发明将无人机与机器人作业的优势结合，在保证作业工人安全的前提下，提高了电力作业的效率。
Description
技术领域
本发明属于无人机电力线巡检技术领域，特别涉及一种无人机与机器人空中联动作业平台。
背景技术
随着无人机系统及其相关技术的不断发展，其应用前景愈加广阔，应用场景也愈加复杂，特别是在一些民用领域比如农林植保，影视航拍，电力巡检等发挥着越来越大的作用。在电力巡检领域中，目前主要是利用无人机搭载可见光拍摄红外、紫外检测等任务，机载设备对输电线路进行飞行巡检，并实时将现场情况回传地面控制系统，以便做出正确判断并人力排除电路故障，但是现阶段还鲜少能做到利用无人机机器系统排除电路故障。而且现有技术还存在如下问题，1.载重轻，一般国内的主流无人机载重能达到5公斤；2.续航能力弱，大多数无人机都不能长时间飞行，一般续航能力都大概只有半个小时，如果利用无人机进行电路故障的排除，那就需要不断对无人机充电；3.不易精准悬停，因此无人机在空中很难对物体施加力的作用。
因此，由前述描述可知，如何将无人机系统与机器人作业相结合用于电力作业，并且还能解决无人机续航能力弱、不易精准悬停的问题，成为目前无人机导航控制领域亟待解决的一个课题。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于解决提供一种无人机与机器人空中联动作业平台。
为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：
一种无人机与机器人空中联动作业平台，包括以下部分：
八旋翼无人机机体，包括无人机机身、机身内部的无人机驱动电机、机身前端的桨叶；
地面站控制系统，用于接收无人机状态信息以及作业信息，并发出对无人机的控制指令；
数据传输系统，用于无人机与地面站控制系统间的控制指令与无人机状态信息的传输；
图像传输系统，所述图像传输系统用于无人机将云台相机所拍摄的工作环境信息传输回地面站控制系统；
云台相机，所述云台相机安装在减震架上，所述云台相机根据所述地面站控制系统的指令进行旋转和俯仰运动；
无人机电动起落架，所述无人机电动起落架安装在无人机机身底部的两侧，与机身的连接处使用数字舵机；所述数字舵机用以控制起落架的收起与张开动作；
探照灯，选用LED灯，包括驱动电路、控制模块，所述探照灯根据环境光线的不同而调节不同的亮度；
警示灯，所述警示灯安装在无人机无刷电机座底部，所述警示灯选用三色LED灯，在无人机不同状态下闪烁颜色和频率可变；
机器人搭载平台，所述机器人搭载平台安装在机器人机身底部，包括移动滑轨、控制器、机器人锁紧机构；
电池管理系统，所述电池管理系统包括无人机动力电池、电池管理控制器，电池管理控制器用于电荷预估以及动力电池放电管理；所述无人机动力电池为锂电池；
无人机飞控系统，所述无人机飞控系统包括惯导单元、磁力计、气压计、GPS，所述惯导单元用以输出无人机姿态角和三轴加速度的值；
避障定位系统，所述避障定位系统包括摄像头、雷达、超声波模块，所述摄像头安装于机器人的四周，每个方向安装两个所述摄像头，所述超声波模块安装于机器人机身四周；
搭载执行机构，所述搭载执行机构由能够完成不同具体功能的机器人组成，所述搭载执行机构安装在所述机器人搭载平台上，所述搭载执行机构以无人机为数据中转点，将其数据传输回地面控制系统。
作为优选方式，搭载执行机构包括：树枝修剪机器人、多轴锁紧机器人和除冰机器人其中的一种或多种。
作为优选方式，地面站控制系统包括数据接收单元和计算机，所述数据接收单元将接收到的数据直接传送到计算机进行处理。
作为优选方式，所述数据传输系统和所述图像传输系统分别独立使用两个独立的通道，控制指令以及无人机状态信息以及搭载机器人作业信息由所述数据传输系统输送，所述云台相机的信息由图像传输系统进行传输。
作为优选方式，所述云台相机安装于无人机的前端，云台相机的云台在控制指令的控制运动下进行旋转运动和俯仰运动。
作为优选方式，无人机上设有与无人机驱动电机同轴安装的保护罩，无人机的每一个桨叶都有一个所述保护罩保护，所述无人机保护罩的形状为圆形，材料为碳纤维。
作为优选方式，所述机器人搭载平台的移动滑轨安装在与电动起落架平行的方向，搭载机器人在其轨道上面运动，所述机器人锁紧机构由微型数字舵机控制以自主控制机器人的运动，所述控制器用于控制搭载平台的运动以及与所搭载的机器人之间建立通讯。
作为优选方式，所述无人机飞控系统的惯导单元用以输出无人机姿态角和三轴加速度的值，所述惯导单元安装在无人机机体的几何中心处，当无人机在一个新的环境中使用时，必须要校准磁力计和气压计，所述GPS通过支杆安装于无人机机体外侧。
作为优选方式，所述避障定位系统的摄像头安装于无人机机身四周，每个方向安装两个所述摄像头，每一个方向两个摄像头之间距离恒定，所述超声波模块安装于无人机机身四周，每个方向安装一个超声波模块，所述避障定位系统用以实时构建机器人环境三维地图，并且将机器人在周围环境中的坐标传送回地面站控制系统。
作为优选方式，每个搭载执行机构通过卡槽安装于所述机器人搭载平台上，所述搭载执行机构接受无人机的控制指令，所述搭载执行机构能独立的完成某一项电力线路作业工作。
本发明的有益效果为：与现有技术相比，本发明将无人机与机器人作业的优势结合，在保证作业工人安全的前提下，提高了电力作业的效率。
附图说明
图1为本发明所述无人机与机器人联动空中作业平台整体模块示意图；
图2为本发明所述联动空中作业平台三维立体图。
图3为本发明所述联动空中作业平台主视图。
图4为本发明所述联动空中作业平台侧视图。
其中，301为云台相机、302为无人机电动起落架、303为无人机保护罩、304为八旋翼无人机机体、305为探照灯、306为警示灯、307为机器人搭载平台、308为电池管理系统、309为无人机飞控系统，310为避障定位系统。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
一种无人机与机器人空中联动作业平台，包括以下部分：
八旋翼无人机机体，包括无人机机身、机身内部的无人机驱动电机、机身前端的桨叶；无人机上设有与无人机驱动电机同轴安装的保护罩，无人机的每一个桨叶都有一个所述保护罩保护，所述无人机保护罩的形状为圆形，材料为碳纤维。
地面站控制系统，用于接收无人机状态信息以及作业信息，并发出对无人机的控制指令；地面站控制系统包括数据接收单元和计算机，所述数据接收单元将接收到的数据直接传送到计算机进行处理。
数据传输系统，用于无人机与地面站控制系统间的控制指令与无人机状态信息的传输；
图像传输系统，所述图像传输系统用于无人机将云台相机所拍摄的工作环境信息传输回地面站控制系统；所述数据传输系统和所述图像传输系统分别独立使用两个独立的通道，控制指令以及无人机状态信息以及搭载机器人作业信息由所述数据传输系统输送，所述云台相机的信息由图像传输系统进行传输。
云台相机，所述云台相机安装在减震架上，所述云台相机根据所述地面站控制系统的指令进行旋转和俯仰运动；所述云台相机安装于无人机的前端，云台相机的云台在控制指令的控制运动下进行旋转运动和俯仰运动。
无人机电动起落架，所述无人机电动起落架安装在无人机机身底部的两侧，与机身的连接处使用数字舵机；所述数字舵机用以控制起落架的收起与张开动作；
探照灯，选用LED灯，包括驱动电路、控制模块，所述探照灯根据环境光线的不同而调节不同的亮度；
警示灯，所述警示灯安装在无人机无刷电机座底部，所述警示灯选用三色LED灯，在无人机不同状态下闪烁颜色和频率可变；八个电机座下面都各有一个LED灯。机头方向的LED等的颜色一直为绿色。
机器人搭载平台，所述机器人搭载平台安装在机器人机身底部，包括移动滑轨、控制器、机器人锁紧机构；所述机器人搭载平台的移动滑轨安装在与电动起落架平行的方向，搭载机器人在其轨道上面运动，所述机器人锁紧机构由微型数字舵机控制以自主控制机器人的运动，所述控制器用于控制搭载平台的运动以及与所搭载的机器人之间建立通讯。
电池管理系统，所述电池管理系统包括无人机动力电池、电池管理控制器，电池管理控制器用于电荷预估以及动力电池放电管理；所述无人机动力电池为锂电池；
无人机飞控系统，所述无人机飞控系统包括惯导单元、磁力计、气压计、GPS，所述惯导单元用以输出无人机姿态角和三轴加速度的值；所述无人机飞控系统的惯导单元用以输出无人机姿态角和三轴加速度的值，所述惯导单元安装在无人机机体的几何中心处，当无人机在一个新的环境中使用时，必须要校准磁力计和气压计，所述GPS通过支杆安装于无人机机体外侧。
避障定位系统，所述避障定位系统包括摄像头、雷达、超声波模块，所述避障定位系统的摄像头安装于无人机机身四周，每个方向安装两个所述摄像头，每一个方向两个摄像头之间距离恒定，所述超声波模块安装于无人机机身四周，每个方向安装一个超声波模块，所述避障定位系统用以实时构建机器人环境三维地图，并且将机器人在周围环境中的坐标传送回地面站控制系统。
搭载执行机构，所述搭载执行机构由能够完成不同具体功能的机器人组成，所述搭载执行机构安装在所述机器人搭载平台上，所述搭载执行机构以无人机为数据中转点，将其数据传输回地面控制系统。搭载执行机构包括：树枝修剪机器人、多轴锁紧机器人和除冰机器人其中的一种或多种。每个搭载执行机构通过卡槽安装于所述机器人搭载平台上，所述搭载执行机构接受无人机的控制指令，所述搭载执行机构能独立的完成某一项电力线路作业工作。
具体地，云台相机301通过钥匙扣挂载在无人机正下方；无人机电动起落架302安装在机身侧面；每一个无人机机翼上面都安装无人机保护罩303；探照灯305和警示灯306都设置在机身正上方，以方便操作者起飞时进行控制；电池管理系统308、无人机飞控系统309安装在机身下方的盒子里，下面搭载机器人搭载平台307；避障定位系统安装在无人机的GPS正下方以方便数据传输。正常工作时，无人机机器人搭载平台307上搭载树枝修剪机器人或者多轴锁紧机器人飞向电线，当靠近电线时，无人机电动起落架302上面的机械爪做出反应紧紧抓住电线，无人机只需要调整俯仰姿态就可以使上面搭载的执行机构向电线运动或者返回无人机，这样就完成了整个过程。
在本发明的一个实施例中，地面站控制系统主要用于人机交互以及工作人员完成多无人机的监控指挥。在计算机中安装所开发的地面站软件，所述地面站软件包括两个窗口。第一个窗口为控制指令窗口，另一个窗口为数据显示窗口。通过所述数据显示窗口可以实时观测无人机以及机器人状态信息，包括剩余电量、传感器状态、工作进度等。除此之外，云台相机拍摄回来的视频信息也会在该窗口显示出来。所述命令控制窗口的指令可以由计算机键盘输入，也可以由无人机遥控器输入。
在本发明的一个实施例中，无人机的行进状态有两种模式，分别为全自动模式和手动模式。全自动模式包括一键返航、定点检测、巡线检测。所述一键返航适用于无人机根据起飞时刻设定的返回坐标在完成任务后自动返回该点。尤其是当出现无人机数据链中断等特殊情况时，无人机会自动切换到一键返航状态，避免无人机发生事故。所述定点检测用于无人机检测杆塔等特定的坐标，可以设置检测高度和检测半径。所述巡线检测用于当无人机搭载红外等巡线模块时，可以自动在高空中搜索输电线路完成自动巡检任务。
在本发明的一个实施例中，无人机的通讯通道有两个，分别为数据传输和图像传输。在正常状态下，所述两个通道互不干扰，各自完成各自的任务。当其中一个通道发生数据链中断时，两个数据链会自动切换共用一个数据传输通道，但是数据传输优先。
在本发明的一个实施例中，云台相机安装于减震机构上，减震连接为柔性连接，可以克服无人机抖动带来的画面不清晰等问题。所述云台可以进行俯仰和旋转。在手动模式操作完成任务时，云台相机可以选择不安装。在选择安装云台相机，尤其是在环境较暗的环境下工作的时候可以打开探照灯进行补光。
在本发明的一个实施例中，无人机电池管理系统负责整机运动电池电荷的预估以及放电管理，在无人机执行任务的过程中，所述电池管理系统会实时检测剩余电量，根据无人机任务强度反馈剩余工作时长。在执行任务前，操作人员可以设置剩余电量报警阈值，当电量低于设置的阈值时，警示灯闪烁红灯，闪烁频率加快。当剩余电量严重不足时，无人机切换到自动返航状态。
在本发明的一个实施例中，避障定位系统可以通过搭载的传感器构建环境三维图像，特别的，在构建的三维地图中可以精确的表示无人机在空间中的坐标。在无人机与机器人配合作业过程中，无人机为了配合机器人，需要精度极高的微调运动。自带的避障系统在无人机快要触碰到障碍物时可以发出报警信号。
在本发明的一个实施例中，机器人搭载平台用于搭载执行机构。所述的机器人搭载平台可以对所搭载的机器人进行位置控制。无人机与机器人的配合主要包括以下3种方式：
(1)、无人机作为空中投放装置，将执行某种特定任务的机器人投放于高空的杆塔或者输电线路上进行作业。
(2)、无人机辅助机器人配合完成空中作业任务。无人机利用自带的摄像头以及传感器可以对机器人的运动进行反馈及修正。
(3)、无人机和机器人共同协作完成空中作业任务。
下面具体结合无人机与机器人的一种协作方式来介绍本发明的应用。在该实施例中无人机搭载树枝修建机器人完成对输电线路周围的树枝的修剪任务。
首先在无人机起飞前检查各个执行器的状态是否完好，检查执行任务的树枝修建机器人状态。按照起飞前检查顺序依次检查系统的各个子系统。
分别打开地面站监控系统、无人机系统、树枝修剪机器人的电源开关，检查地面站控制系统与无人机通讯是否正常。然后校准传感器。等待程序自检。
在所有人为检查和程序自检完成后，设置无人机一键返航点，将无人机的运行状态切换到手动模式。然后操作手使用遥控器将搭载树枝修剪机器人的无人机起飞，飞临需要修剪的树枝的输电线路上空。
此时无人机切换到自动与手动结合的状态飞行，无人机自动巡航模式打开，该模式可以控制无人机与输电线路相距一定的距离而运动。人为控制树枝修剪机器人的修剪模式。在有树枝的航行阶段打开树枝修剪功能。在执行任务的过程中，无人机搭载树枝修剪机器人始终按照与输电线路固定的相对距离而运动，因此可以将伸入该范围内的树枝修剪掉。
在无人机和树枝修剪机器人配合执行树枝修剪任务的时候，无人机搭载的云台相机等其他设备会将检测到的周围环境信息反馈回地面站。
在完成任务或者电量不足的时候，无人机启动返航功能，根据地面站反馈回来的信息也可以手动控制无人机的返回。自动返回将返回到无人机的出发点。手动返回坐标可以根据实际情况而确定。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.一种无人机与机器人空中联动作业平台，其特征在于，包括以下部分：
八旋翼无人机机体，包括无人机机身、机身内部的无人机驱动电机、机身前端的桨叶；
地面站控制系统，用于接收无人机状态信息以及作业信息，并发出对无人机的控制指令；
数据传输系统，用于无人机与地面站控制系统间的控制指令与无人机状态信息的传输；
图像传输系统，所述图像传输系统用于无人机将云台相机所拍摄的工作环境信息传输回地面站控制系统；
云台相机，所述云台相机安装在减震架上，所述云台相机根据所述地面站控制系统的指令进行旋转和俯仰运动；
无人机电动起落架，所述无人机电动起落架安装在无人机机身底部的两侧，与机身的连接处使用数字舵机；所述数字舵机用以控制起落架的收起与张开动作；
探照灯，选用LED灯，包括驱动电路、控制模块，所述探照灯根据环境光线的不同而调节不同的亮度；
警示灯，所述警示灯安装在无人机无刷电机座底部，所述警示灯选用三色LED灯，在无人机不同状态下闪烁颜色和频率可变；
机器人搭载平台，所述机器人搭载平台安装在机器人机身底部，包括移动滑轨、控制器、机器人锁紧机构；
电池管理系统，所述电池管理系统包括无人机动力电池、电池管理控制器，电池管理控制器用于电荷预估以及动力电池放电管理；所述无人机动力电池为锂电池；
无人机飞控系统，所述无人机飞控系统包括惯导单元、磁力计、气压计、GPS，所述惯导单元用以输出无人机姿态角和三轴加速度的值；
避障定位系统，所述避障定位系统包括摄像头、雷达、超声波模块，所述摄像头安装于机器人的四周，每个方向安装两个所述摄像头，所述超声波模块安装于机器人机身四周；
搭载执行机构，所述搭载执行机构由能够完成不同具体功能的机器人组成，所述搭载执行机构安装在所述机器人搭载平台上，所述搭载执行机构以无人机为数据中转点，将其数据传输回地面控制系统。
2.根据权利要求1所述的一种无人机与机器人空中联动作业平台，其特征在于：搭载执行机构包括：树枝修剪机器人、多轴锁紧机器人和除冰机器人其中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的一种无人机与机器人空中联动作业平台，其特征在于：地面站控制系统包括数据接收单元和计算机，所述数据接收单元将接收到的数据直接传送到计算机进行处理。
4.根据权利要求1所述的一种无人机与机器人空中联动作业平台，其特征在于：所述数据传输系统和所述图像传输系统分别独立使用两个独立的通道，控制指令以及无人机状态信息以及搭载机器人作业信息由所述数据传输系统输送，所述云台相机的信息由图像传输系统进行传输。
5.根据权利要求1所述的一种无人机与机器人空中联动作业平台，其特征在于：所述云台相机安装于无人机的前端，云台相机的云台在控制指令的控制运动下进行旋转运动和俯仰运动。
6.根据权利要求1所述的一种无人机与机器人空中联动作业平台，其特征在于：无人机上设有与无人机驱动电机同轴安装的保护罩，无人机的每一个桨叶都有一个所述保护罩保护，所述无人机保护罩的形状为圆形，材料为碳纤维。
7.根据权利要求1所述的一种无人机与机器人空中联动作业平台，其特征在于：所述机器人搭载平台的移动滑轨安装在与电动起落架平行的方向，搭载机器人在其轨道上面运动，所述机器人锁紧机构由微型数字舵机控制以自主控制机器人的运动，所述控制器用于控制搭载平台的运动以及与所搭载的机器人之间建立通讯。
8.根据权利要求1所述的一种无人机与机器人空中联动作业平台，其特征在于：所述无人机飞控系统的惯导单元用以输出无人机姿态角和三轴加速度的值，所述惯导单元安装在无人机机体的几何中心处，当无人机在一个新的环境中使用时，必须要校准磁力计和气压计，所述GPS通过支杆安装于无人机机体外侧。
9.根据权利要求1所述的一种无人机与机器人空中联动作业平台，其特征在于：所述避障定位系统的摄像头安装于无人机机身四周，每个方向安装两个所述摄像头，每一个方向两个摄像头之间距离恒定，所述超声波模块安装于无人机机身四周，每个方向安装一个超声波模块，所述避障定位系统用以实时构建机器人环境三维地图，并且将机器人在周围环境中的坐标传送回地面站控制系统。
10.根据权利要求1所述的一种无人机与机器人空中联动作业平台，其特征在于：每个搭载执行机构通过卡槽安装于所述机器人搭载平台上，所述搭载执行机构接受无人机的控制指令，所述搭载执行机构能独立的完成某一项电力线路作业工作。
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