CN107985576A - 一种用于桥梁裂缝检测的飞爬机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于桥梁裂缝检测的飞爬机器人，能够在确保桥梁的安全运营并减少桥梁维护成本的同时，高效地对桥梁裂缝进行检测，所获取的检测数据精确度高，能够实现大范围桥梁高可靠性的检测。其包括降落架、上主板、下主板、四个或者更多个主板轴、安装在主板轴末端的旋翼、通过立轴与主板平行设置的框体结构、设置在框体结构上的至少两个动力轮、以及至少一个万向轮；其中，四个或者更多个主板轴的一端均匀设置在上、下主板之间；上、下主板之间还设置有与控制器和电源模块连接的探测设备；控制器通过复合系留缆绳向地面设备发送和/或接收数据，电源模块通过复合系留缆绳从地面设备获取电能。
Description
技术领域
本发明涉及桥梁裂缝自动检测技术领域，尤其涉及一种用于桥梁裂缝检测的飞爬机器人。
背景技术
混凝土桥梁表面裂缝是其内部损伤积累过程中的突变，是内部损伤达到的危险程度的集中表现，故其信息含量很大，对于预示和征兆桥梁险情，具有关键性意义。大多数桥梁的结构裂缝主要产生在桥梁底部，检测起来很困难，同时桥梁结构形式日趋大型化和新颖化，使裂缝的检测问题更加难于解决。因此，若能在混凝土桥梁裂缝出现的早期，就能够及时检测到，并跟踪它的发展情况，据此及时加以维护修补，可大大降低维护成本，同时能有效地保障公共交通的安全运行。
对于混凝土桥梁底面裂缝的检测，申请公布号为CN107064169A的中国专利申请公开了一种桥梁裂缝检测装置，主要通过安装小车和伸缩杆机构来进行检测，该方案的主要问题在于：
第一、严重影响交通安全。桥梁检测车安全操作需占用近两个车道，且移动速度缓慢，对于桥面宽度较小的桥梁需要封闭交通。桥梁检测车长时间占道必然造成交通堵塞并严重影响交通安全，对于交通繁忙的城市干道、干线如高速公路或国道线可能导致交通瘫痪。
第二、不适用于各类型桥梁。其一，桥梁检测车工作伸臂最大下桥深度有限，无法实现对大跨度变截面混凝土箱梁桥墩梁根部截面支座位置或者高墩(山区高速公路桥梁)的测试。其二，桥梁检测车最大横向臂展有限。其三，在桥面两侧有主拱圈、吊杆和斜拉索等构件的桥梁，桥梁检测车伸臂作业空间受到限制，无法利用桥梁检测车作为工作平台进行测试。其四，超过一定高度的桥塔、斜拉索、拱圈受伸臂高度限制无法利用桥梁检测车进行测试。
第三、不适用于震后桥梁评估。一般地震灾害会给桥梁造成损伤，致使交通中断并危及交通安全。对遭受震灾损伤桥梁进行快速测试、评估及应急抢修和保通是抢险救灾工作的关键。
第四、使用和维护费用高。目前国产桥梁检测车，每台单价超过80万元，需专人员操作并定期保养；进口桥梁检测车使用和维护成本更高。
申请公布号为CN106441235A的中国专利申请公开了一种基于无人飞机机载成像的混凝土裂缝宽度识别系统，其包括云台、相机、自动避障装置、三点激光测距仪和带图传系统的多旋翼无人飞行器。然而，该方案一方面由于多旋翼无人飞行器续航能力十分有限，不能满足长时间工作的要求，这极大的降低了工作的效率和桥梁裂缝检测的可用性；另一方面，该方案对于桥梁裂缝检测精度较低，因为飞行器悬停误差较大，即使通过激光测距仪和相应的算法来进行校正，仍然难以满桥梁底面裂缝测量所需精确度的严格要求，严重影响了检测数据的真实可靠性。
发明内容
本发明的目的之一至少在于，针对如何克服上述现有技术存在的问题，提供一种用于桥梁裂缝检测的飞爬机器人，能够在确保桥梁的安全运营并减少桥梁维护成本的同时，高效地对桥梁裂缝进行检测，所获取的检测数据精确度高，能够实现大范围桥梁高可靠性的检测。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案包括以下各方面。
一种用于桥梁裂缝检测的飞爬机器人，其包括：降落架、上主板、下主板、四个或者更多个主板轴、安装在主板轴末端的旋翼、通过立轴与上主板平行设置的框体结构、设置在框体结构上的至少两个动力轮、以及至少一个万向轮；
其中，四个或者更多个主板轴的一端均匀设置在上、下主板之间；动力轮由与其连接的伺服电机提供动力；旋翼和伺服电机分别通过各自的控制线和电源线与设置在上、下主板之间的控制器和电源模块连接；上、下主板之间还设置有与控制器和电源模块连接的探测设备；控制器通过复合系留缆绳向地面设备发送和/或接收数据，电源模块通过复合系留缆绳从地面设备获取电能。
优选的，所述动力轮与框体结构之间的连接机构中设置有压力传感器。
优选的，所述降落架包括至少两个T字形的降落架，其一端分别通过斜三通管连接到支撑轴，支撑轴安装在支撑轴固定座中，支撑轴固定座与下主板连接；下主板与上主板之间通过主板固定座连接。
优选的，所述探测设备包括：相机、惯性传感器、位置传感器、以及距离传感器。
优选的，所述控制器用于根据从传感器获取的数据确定机器人的姿态与位置，并根据地面设备发送的指令输出相应的控制信号，对旋翼和伺服电机进行转速控制以调整飞爬机器人的姿态、高度以及位置。
优选的，所述主板轴上安装有一个或多个彩色LED以标示飞爬机器人的姿态。
优选的，所述复合系留缆绳为光电复合系留缆绳，其从外向内依次包括护套、铜线编织层、绝缘保护层；绝缘保护层内包括光纤、电力导线；光纤与电力导线之间填充有填芯；绝缘保护层与光纤、电力导线、填芯之间的空隙设置为填充层。
优选的，所述上、下主板之间还设置有无线通信芯片以向地面设备发送和/或接收数据。
优选的，所述降落架、主板轴、框体结构、以及立轴采用碳纤维材料，并形成均匀网状结构。
优选的，所述框体结构为方形框体、矩形框体、圆形框体、或者三角形框体。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明至少具有以下有益效果：
通过本发明对飞爬机器人结构和对应控制方式的改进，实现了机器人的稳定飞行、精确爬行姿态的精准控制，实现了对其姿态的感知，做到了位置和高度的测量以及旋翼动力装置的控制，解决了利用传统飞行器检测存在续航能力差、测量精度不高、作业效率低下、可用性差等缺陷，从根本上解放人力物力，极大的提高了劳动效力，也为桥梁裂缝的准确定位、检测、评估提供可靠的数据依据。
附图说明
图1是根据本发明实施例的飞爬机器人的主视图。
图2是根据本发明实施例的飞爬机器人的俯视图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明，以使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1和图2分别示出了根据本发明一实施例的飞爬机器人的主视图和俯视图。该实施例的飞爬机器人融四轴飞行器，系留平衡起飞、系留绳缆供电、贴墙精准运动控制于一体，能够在悬停后紧贴桥面底部，在桥面底部爬行运动实现高精度检测，并且通过系留绳给供电，实现持续高效率工作。
如图1所述，至少两个T字形的降落架1的一端分别通过斜三通管2连接到支撑轴14，支撑轴14安装在支撑轴固定座13中，支撑轴固定座13与下主板10连接。下主板10与上主板10之间通过主板固定座11连接。四个或者更多个主板轴3的一端均匀固定在下主板10与上主板10之间的主板固定座11中(例如，可以形成“十”字形、“米”字形、“X”形等结构)；每个主板轴3的另一端上设置有旋翼固定座12，旋翼固定座12上安装有旋翼4。三个或者更多个主板轴3的(例如，二分之一长度处的)一部分穿过三通管以与对应数量的立轴5的一端连接，立轴5的另一端均与框体结构8(例如，方形框体、矩形框体、圆形框体、三角形框体等)的下表面连接，框体结构8与上主板10所在平面平行设置。框体结构8的上表面的一边(或侧)安装有至少两个动力轮6，框体结构8的上表面的另一边(或侧)安装有至少一个万向轮9。其中，动力轮6由与其连接的伺服电机7提供动力，动力轮6与框体结构8之间的连接机构中设置有压力传感器。
压力传感器、旋翼4和伺服电机7(例如，瑞士Maxon公司生产的直流无刷伺服电机及其配套的驱动器)分别通过各自的控制线和电源线与设置在上、下主板10之间的控制器和电源模块连接。上、下主板10之间还设置有与控制器和电源模块连接的包括相机(上主板与对应镜头对应位置处有相应的开口)、惯性传感器、位置传感器、距离传感器等的探测设备。
控制器和电源模块通过复合系留缆绳30连接至地面设备20，控制器通过复合系留缆绳30向地面设备20发送和/或接收数据，电源模块通过复合系留缆绳30从地面设备20获取电能。其中，控制器可以采用STM32F103芯片，能够接收压力传感器和探测设备发送的数据，接收地面设备20发送的控制指令，并向旋翼4和伺服电机7发送电机调速指令。控制器根据传感器数据确定机器人的姿态与位置，并根据地面设备20发送的指令输出相应的控制信号，对电机转速进行控制，输出合适的转速；并且可以根据各种传感器的实时数据，实现对机器人姿态、高度以及位置调整。并且，可以在主板轴3上安装一个或多个彩色LED以标示飞爬机器人的姿态。
在进行裂缝测量时，首先通过旋翼4快速转动使飞爬机器人由地面(或桥面)起飞，基于位置传感器和相应的控制指令飞行至桥梁底面，当动力轮6和万向轮9接触到桥梁底面后，旋翼4提供的上升力使得动力轮6与框体结构8之间的压力传感器传输到控制器的压力数据发生变化，当压力数据达到预设阈值时(例如，可以确定动力轮6和万向轮9已经完全与桥梁底面接触或者压力相当于机器人的重量时)，控制器向伺服电机7发送调速指令，控制伺服电机7以相同或者不同的速度转动，从而带动机器人在桥梁的底面沿着相同或者不同的方向爬行移动；与此同时，控制器根据压力数据控制旋翼4提供合适的上升力来维持爬行所需的摩擦力。当需要转向时，通过调整两个伺服电机7以不同的转速工作，实现左右动力轮6差速转向。在桥梁底面爬行的过程中，通过探测设备中的相机获取桥梁底面的裂缝图像数据以及通过各传感器获取对应的位置信息，从而实现对桥梁裂缝位置的准确定位和精准检测信息的高效获取，能够及时发现桥梁的安全隐患，有效地保障桥梁的安全运行，并为桥梁的维护维修和管理决策提供依据与指导。
在优选的实施例中，复合系留缆绳30可以为光电复合系留缆绳30，其从外向内依次包括护套、铜线编织层、绝缘保护层，绝缘保护层内包括光纤、电力导线；光纤与电力导线之间填充有填芯；绝缘保护层与光纤、电力导线、填芯之间的空隙设置为填充层，可以填充惰性气体、液体或者其他填充材料。
其中，电力导线可以为丝绞线结构，采用高导电率材料(例如，铜、铝等)制成。复合系留缆绳30外层的护套可以由橡胶制成，可以增强结构稳定性，绝缘保护层外包覆的小规格铜线编织层那个防止静电，同时还能减少系留缆绳反复弯曲时对抗拉元件的磨损。通过复合系留缆绳30中的电力导线从地面设备20获取电能，可以从根本上保证了机器人作业的能量来源，大大增强飞爬机器人的续航能力，为机器人正常工作打下了坚实的基础，提高了设备的可用性和可操作性。
其中，光纤可以为飞爬机器人和地面设备20之间传输数据(例如，通过各种传感器获取的数据、控制指令等)和视频信号(例如，相机拍摄的图像或者视频数据等)。光纤优选为直径小、重量更轻的单模光纤，光纤外具有塑料护套包裹，塑料护套外为缓冲层，缓冲层外披覆树脂涂层。由于采用光纤传输控制指令和传感器反馈信息，保证了信号传输实时性和稳定性，可以简化起飞控制的复杂性，增强起飞过程的平稳性，防止机器人在操作过程中出现失控，提高了机器人的稳定性。同时，也可以采用上海桑博公司的无线通信芯片SM50来向地面设备20发送和/或接收数据，在光纤出现故障时或者与光纤同时传输数据，并结合各传感器的数据实现无线遥控，从而进一步提高机器人的可靠性。
在优选的实施例中，降落架1、斜三通管2、支撑轴14、主板轴3、框体结构8、立轴5等结构材料可以采用碳纤维材料，并形成均匀网状结构，从而能够在保持高强度的同时减小旋翼4的功耗和体积。降落架1与地面接触部分可以采用海绵等缓冲材料包裹以减小降落冲击力。通过在机械结构布局中严格依据机器人的整机重量与稳定性，尽量采用轻质材料，尽量将较重的控制器、主板、电源等置于重心，并进行重心平衡分析，保持整个机器人的重心稳定。
以上所述，仅为本发明具体实施方式的详细说明，而非对本发明的限制。相关技术领域的技术人员在不脱离本发明的原则和范围的情况下，做出的各种替换、变型以及改进均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于桥梁裂缝检测的飞爬机器人，其特征在于，所述飞爬机器人包括：降落架、上主板、下主板、四个或者更多个主板轴、安装在主板轴末端的旋翼、通过立轴与上主板平行设置的框体结构、设置在框体结构上的至少两个动力轮、以及至少一个万向轮；
其中，四个或者更多个主板轴的一端均匀设置在上、下主板之间；动力轮由与其连接的伺服电机提供动力；旋翼和伺服电机分别通过各自的控制线和电源线与设置在上、下主板之间的控制器和电源模块连接；上、下主板之间还设置有与控制器和电源模块连接的探测设备；控制器通过复合系留缆绳向地面设备发送和/或接收数据，电源模块通过复合系留缆绳从地面设备获取电能。
2.根据权利要求1所述的飞爬机器人，其特征在于，所述动力轮与框体结构之间的连接机构中设置有压力传感器。
3.根据权利要求1所述的飞爬机器人，其特征在于，所述降落架包括至少两个T字形的降落架，其一端分别通过斜三通管连接到支撑轴，支撑轴安装在支撑轴固定座中，支撑轴固定座与下主板连接；下主板与上主板之间通过主板固定座连接。
4.根据权利要求1所述的飞爬机器人，其特征在于，所述探测设备包括：相机、惯性传感器、位置传感器、以及距离传感器。
5.根据权利要求4所述的飞爬机器人，其特征在于，所述控制器用于根据从传感器获取的数据确定机器人的姿态与位置，并根据地面设备发送的指令输出相应的控制信号，对旋翼和伺服电机进行转速控制以调整飞爬机器人的姿态、高度以及位置。
6.根据权利要求1所述的飞爬机器人，其特征在于，所述主板轴上安装有一个或多个彩色LED以标示飞爬机器人的姿态。
7.根据权利要求1所述的飞爬机器人，其特征在于，所述复合系留缆绳为光电复合系留缆绳，其从外向内依次包括护套、铜线编织层、绝缘保护层；绝缘保护层内包括光纤、电力导线；光纤与电力导线之间填充有填芯；绝缘保护层与光纤、电力导线、填芯之间的空隙设置为填充层。
8.根据权利要求1所述的飞爬机器人，其特征在于，所述上、下主板之间还设置有无线通信芯片以向地面设备发送和/或接收数据。
9.根据权利要求1所述的飞爬机器人，其特征在于，所述降落架、主板轴、框体结构、以及立轴采用碳纤维材料，并形成均匀网状结构。
10.根据权利要求1所述的飞爬机器人，其特征在于，所述框体结构为方形框体、矩形框体、圆形框体、或者三角形框体。
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