CN108408082A - 一种用于大飞机垂尾裂纹探测的无人机及其操作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于大飞机垂尾裂纹探测的无人机及其操作方法，该无人机包括多旋翼飞行平台、飞行控制器、飞行数据传输电台、超声波探伤设备、图像传输系统和地面控制系统。本发明还提供了一种用于大飞机垂尾裂纹探测的无人机的操作方法。本发明以轻型旋翼无人机为平台，结合现有无损检测技术，提供一种结构简单、性能可靠、使用方便，能够快速实现大飞机垂尾表面探伤的无人飞行器，大幅提高飞机蒙皮无损探伤的工作效率。
Description
技术领域
本发明属于结构健康监测技术领域，具体地说，涉及一种用于大飞机垂尾裂纹探测的无人机及其操作方法。
背景技术
飞机蒙皮作为飞机外部面积最大的部件，主要是通过铆钉铆接在机身框架结构上。飞机在飞行过程中主要的空气动力载荷都会作用在蒙皮表面，因此蒙皮容易发生裂纹、形变等缺陷，连接蒙皮的铆钉也会随着蒙皮的形变发生结构上的改变。飞机蒙皮的损伤对飞机的安全飞行有着巨大的影响，尤其是裂纹。世界航空史上由于材料的疲劳和裂纹导致了很多惨痛的空难。因此，常态化地对飞机蒙皮进行损伤检测是保障飞机安全飞行的重要手段。此外，若能及时发现蒙皮损伤，确定损伤类型并采取相应的维修措施，能有效提高飞机的出勤率。
目前，飞机蒙皮损伤探测的方法主要是依靠人力手动操作完成，检测工作面临检测效率低下、漏检率高、检测设备接近困难等诸多问题，尤其是对于大型飞机的高垂尾检测，上述的问题显得尤为突出。
文献“申请公布号CN102928435A的中国发明专利”公开了一种基于图像和超声信息融合的飞机蒙皮损伤识别方法及装置，该方法通过预先获取各已知损伤类别的飞机蒙皮的图像及超声波回波信号，并提取图像的文理特征及超声波回波特征，最后将二者进行对比判定蒙皮损伤类型。同时，该文献还公开了一种基于图像和超声信息融合的飞机蒙皮损伤识别装置。但以上发明内容仅仅停留在飞机蒙皮探伤设备层面，设备在使用过程中的可达性、便携性以及高效性等问题并未涉及，该发明并不能解决无损探伤设备在日常使用过程中的所面临的接近困难、效率低下的问题。因此，针对大型飞机较高位置的航线检测与定期检测，迫切需要一种能够在维修人员的可视操纵下快速接近飞机垂尾各个部位，同时能够实时显示蒙皮表面状况，迅速地对飞机表面损伤进行探测的设备。
近些年，无人机技术发展迅猛，尤其是能够垂直起降的轻型旋翼机，在很多领域都有广泛的应用和显著的优势。
发明内容
本发明目的在于提供一种用于大飞机垂尾裂纹探测的无人机及其操作方法。针对大型飞机垂尾裂纹的探测，将无损检测技术与轻型旋翼无人机相结合，设计了一种携带有空气耦合式超声波检测装置的轻型旋翼无人机。这种设备不仅能够提高维修人员的工作效率，同时也能提升检测结果的准确度，大幅降低飞机检测、维修成本。
其具体技术方案为：
一种用于大飞机垂尾裂纹探测的无人机，包括四轴多旋翼飞行平台、飞行控制器、飞行数据传输电台、超声波探伤设备、图像传输系统和地面控制系统。其中，四轴多旋翼飞行平台包括机架，电机、螺旋桨、电调，电池；飞行控制器采用成熟的工业级多旋翼飞行控制器；飞行数据传输电台由发射模块和接收模块组成；超声波探伤设备由超声波探测仪、探头和机械臂组成；图像传输系统由遮光板、高分辨率相机和图像传输模块组成；地面控制系统包括飞行器飞行动作控制模块、飞行器飞行数据传输电台接收模块、RTK定位系统。整体结构图如图1所示。
各部分之间的连接方式如图2~5所示。四旋翼飞行平台的中央部分由上、下两块铝合金板通过螺栓连接而成，其中四旋翼飞行器的电调10、电池11，飞行控制器5，图像传输模块8，飞行数据传输电台的发射模块9都是通过螺栓固定在四旋翼飞行平台4中央部分的下板之上；机械臂7通过皮带轮和电机固定在四旋翼飞行平台4中央部分的下板之下，超声波探头6通过螺栓固定在机械臂7上；相机2通过卡槽固定在遮光板1上，超声波探测仪3放置在遮光板1内部，遮光板1通过螺栓固定在多旋翼飞行平台4中央部分的上板。
所述四轴多旋翼飞行平台4采用全碳纤维机架12，无刷电机13驱动螺旋桨14作为动力，配备高负载电调10，机载的高容量锂聚合物电池11为整套系统提供能源；
所述飞行控制器5采用成熟的工业级多旋翼飞行控制器，它安装在四旋翼飞行平台4中央部分的下板上，使飞行器具有姿态自稳、自动定高定点悬停、遥控信号丢失后自动降落、自动记录飞行器飞行数据的功能，飞行器飞行采用地面遥控器进行人工操作，整套系统保证飞行器精准到达需要检测的垂尾部位。
所述飞行数据传输电台分为发射模块和接收模块，采用433MHz频率，发射模块安装在四旋翼飞行平台4中央部分的下板上，与飞行器控制器5连接，可以将飞行器的飞行高度、飞行速度、电池电压、飞行控制系统电压等信息获取后发送至地面接收模块，接收模块安装于地面控制系统中，用于接收飞行数据信息并显示，供工作人员对飞行器的工况做出判断。
所述超声波探伤设备，是由超声波探测仪3、探头6和机械臂7组成。超声波探测仪可以显示探测处的波形，通过波形大致可以判断伤情状况；探头采用空气耦合式，避免了和探测表面的直接接触。面对飞机垂尾表面的不同位置，采用航模舵机来实现探头的移动，进而实现对飞机垂尾表面上、下、左、右不同位置的探测。具体是通过在机械臂上安装步进电机，通过遥控装置来实现机械臂的运动，从而改变探头的方向，舵机可以控制机械臂的每一个节点实现自主运动，通过在飞控系统中进行程序编程，可以实现机械臂在人工操纵下运动。
所述图像传输系统由遮光板1、高分辨率相机2和图像传输模块8组成。图传系统可以通过Wi-Fi或者蓝牙传输的方式将超声波探伤仪的波形图以实时视频的方式直接传输到地面操作人员的显示器中，供地面人员对伤情进行判断。
所述地面控制系统由飞行器飞行动作控制模块、飞行器飞行数据传输电台接收模块、RTK定位系统组成。其中，飞行器飞行动作控制模块采用2.4GHz频率多通道比例遥控器，用于控制飞行器飞行姿态与探测设备云台姿态；飞行器飞行数据传输电台接收模块用于接收飞行信息；RTK定位系统包含可临时架设的RTK移动基站和无人机机载移动站。RTK移动基站用于采集精准的GPS差分数据，同时将差分数据传送给机载移动站，机载移动站再将差分数据转换为可供飞行控制系统使用的位置信息，从而实现无人机的精准定位。
一种用于大飞机垂尾裂纹探测的无人机的操作方法，包括以下步骤：
第一步：为保证飞行精度，无人机在起飞作业之前，需要为其架设RTK移动基站，以提供高精度的GPS差分数据。移动基站架需设在作业区域附近，并保持周围开阔无遮挡，以最大化地提高基站的覆盖范围。无人机通电后通过数据传输电台与基站进行通讯，从而确定无人机的位置，并根据被检测飞机机翼的相对位置和机翼外形，由地面站软件生成立体扫描航线上传至无人机；
第二步：扫描航线上传完成后，无人机起飞，并按设定航线环绕被检测飞机的翼面飞行。在飞行过程中，为保证探测效果，无人机使用机载激光雷达控制与机翼表面的距离，机械臂根据无人机自身相对于垂尾的位置，始终将探头对准飞机垂尾蒙皮表面；
第三步：检测到的超声波探伤仪的图像数据以视频的形式通过数据传输电台发回地面端，由地面人员根据回传信息进行伤情诊断。当检测到疑似点时，超声波探测仪会发出警报，此时无人机悬停，对疑似损伤部位重点检测并记录，检测过程中的全部数据存入数据库，形成伤情诊断大数据；
第四步：无人机完成扫描飞行后，进入降落航线自主降落至起飞点，检测作业完成。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明以轻型旋翼无人机为平台，结合现有无损检测技术，提供一种结构简单、性能可靠、使用方便，能够快速实现大飞机垂尾表面探伤的无人飞行器，大幅提高飞机蒙皮无损探伤的工作效率。
附图说明
图1是用于大飞机垂尾裂纹探测的无人机的结构示意图。
图2是四旋翼飞行平台中央部分与飞行控制器、机械臂的局部放大连接示意图。
图3 是机械臂与探头的局部放大连接示意图。
图4 是相机、遮光板、探伤仪的局部放大连接示意图。
图5 是探伤仪与四旋翼平台的局部放大连接示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细地说明。
如图1所示，一种用于大飞机垂尾裂纹探测的无人机，包括四轴多旋翼飞行平台、飞行控制器、飞行数据传输电台、超声波探伤设备、图像传输系统和地面控制系统。其中，四轴多旋翼飞行平台包括机架，电机、螺旋桨、电调，电池；飞行控制器采用成熟的工业级多旋翼飞行控制器；飞行数据传输电台由发射模块和接收模块组成；超声波探伤设备由超声波探测仪、探头和机械臂组成；图像传输系统由遮光板、高分辨率相机和图像传输模块组成；地面控制系统包括飞行器飞行动作控制模块、飞行器飞行数据传输电台接收模块、RTK定位系统。整体结构图如图1所示。
各部分之间的连接方式如图2~5所示。四旋翼飞行平台的中央部分由上、下两块铝合金板通过螺栓连接而成，其中四旋翼飞行器的电调10、电池11，飞行控制器5，图像传输模块8，飞行数据传输电台的发射模块9都是通过螺栓固定在四旋翼飞行平台4中央部分的下板之上；机械臂7通过皮带轮和电机固定在四旋翼飞行平台4中央部分的下板之下，超声波探头6通过螺栓固定在机械臂7上；相机2通过卡槽固定在遮光板1上，超声波探测仪3放置在遮光板1内部，遮光板1通过螺栓固定在多旋翼飞行平台4中央部分的上板。
所述四轴多旋翼飞行平台4采用全碳纤维机架12，无刷电机13驱动螺旋桨14作为动力，配备高负载电调10，机载的高容量锂聚合物电池11为整套系统提供能源；
所述飞行控制器5采用成熟的工业级多旋翼飞行控制器，它安装在四旋翼飞行平台4中央部分的下板上，使飞行器具有姿态自稳、自动定高定点悬停、遥控信号丢失后自动降落、自动记录飞行器飞行数据的功能，飞行器飞行采用地面遥控器进行人工操作，整套系统保证飞行器精准到达需要检测的垂尾部位。
所述飞行数据传输电台分为发射模块和接收模块，采用433MHz频率，发射模块安装在四旋翼飞行平台4中央部分的下板上，与飞行器控制器5连接，可以将飞行器的飞行高度、飞行速度、电池电压、飞行控制系统电压等信息获取后发送至地面接收模块，接收模块安装于地面控制系统中，用于接收飞行数据信息并显示，供工作人员对飞行器的工况做出判断。
所述超声波探伤设备，是由超声波探测仪3、探头6和机械臂7组成。超声波探测仪可以显示探测处的波形，通过波形大致可以判断伤情状况；探头采用空气耦合式，避免了和探测表面的直接接触。面对飞机垂尾表面的不同位置，采用航模舵机来实现探头的移动，进而实现对飞机垂尾表面上、下、左、右不同位置的探测。具体是通过在机械臂上安装步进电机，通过遥控装置来实现机械臂的运动，从而改变探头的方向，舵机可以控制机械臂的每一个节点实现自主运动，通过在飞控系统中进行程序编程，可以实现机械臂在人工操纵下运动。
所述图像传输系统由遮光板1、高分辨率相机2和图像传输模块8组成。图传系统可以通过Wi-Fi或者蓝牙传输的方式将超声波探伤仪的波形图以实时视频的方式直接传输到地面操作人员的显示器中，供地面人员对伤情进行判断。
所述地面控制系统由飞行器飞行动作控制模块、飞行器飞行数据传输电台接收模块、RTK定位系统组成。其中，飞行器飞行动作控制模块采用2.4GHz频率多通道比例遥控器，用于控制飞行器飞行姿态与探测设备云台姿态；飞行器飞行数据传输电台接收模块用于接收飞行信息；RTK定位系统包含可临时架设的RTK移动基站和无人机机载移动站。RTK移动基站用于采集精准的GPS差分数据，同时将差分数据传送给机载移动站，机载移动站再将差分数据转换为可供飞行控制系统使用的位置信息，从而实现无人机的精准定位。
其特点是：
1.四旋翼飞行平台。采用全碳纤维机架，无刷电机驱动螺旋桨作为动力，配备高负载电调，机载的高容量锂聚合物电池为整套系统提供能源。
2.飞行控制器。采用成熟的工业级多旋翼飞行控制器，飞行控制器安装于飞行平台上，使飞行器具有姿态自稳、自动定高定点悬停、遥控信号丢失后自动降落、自动记录飞行器飞行数据的功能。飞行器飞行采用地面遥控器进行人工操作，操作简便、飞行稳定，整套系统保证飞行器精准到达需要检测的垂尾部位。
3.飞行数据传输电台。分为发射模块和接收模块，采用433MHz频率，发射模块安装在四旋翼飞行平台，与飞行器控制器连接，可以将飞行器的飞行高度、飞行速度、电池电压、飞行控制系统电压等信息获取后发送至地面接收模块，接收模块安装于地面控制系统中，用于接收飞行数据信息并显示，供工作人员对飞行器的工况做出判断。
4.超声波探伤设备。由超声波探测仪、探头和机械臂组成。超声波探测仪可以显示探测处的波形，通过波形大致可以判断伤情状况；探头采用空气耦合式，避免了和探测表面的直接接触。面对飞机垂尾表面的不同位置，采用航模舵机来实现探头的移动，进而实现对飞机垂尾表面上、下、左、右不同位置的探测。具体是通过在机械臂上安装步进电机，通过遥控装置来实现机械臂的运动，从而改变探头的方向，舵机可以控制机械臂的每一个节点实现自主运动，通过在飞控系统中进行程序编程，可以实现机械臂在人工操纵下运动。
5.图像传输系统。由遮光板、高分辨率相机和图像传输、接收模块组成。图传系统可以通过Wi-Fi或者蓝牙传输的方式将超声波探伤仪的波形图以实时视频的方式直接传输到地面操作人员的显示器中，供地面人员对伤情进行判断。
6.地面控制系统。由飞行器飞行动作控制模块、飞行器飞行数据传输电台接收模块、RTK定位系统组成。其中，飞行器飞行动作控制模块采用2.4GHz频率多通道比例遥控器，用于控制飞行器飞行姿态与探测设备云台姿态；飞行器飞行数据传输电台接收模块用于接收飞行信息；RTK定位系统包含可临时架设的RTK移动基站和无人机机载移动站。RTK移动基站用于采集精准的GPS差分数据，同时将差分数据传送给机载移动站，机载移动站再将差分数据转换为可供飞行控制系统使用的位置信息，从而实现无人机的精准定位。
工作过程
第一步：为保证飞行精度，无人机在起飞作业之前，需要为其架设RTK移动基站，以提供高精度的GPS差分数据。移动基站架需设在作业区域附近，并保持周围开阔无遮挡，以最大化地提高基站的覆盖范围。无人机通电后通过数据传输电台与基站进行通讯，从而确定无人机的位置，并根据被检测飞机垂尾的相对位置和垂尾外形，由地面站软件生成立体扫描航线上传至无人机；
第二步：扫描航线上传完成后，无人机起飞，并按设定航线环绕被检测飞机的翼面飞行。在飞行过程中，为保证探测效果，无人机使用机载激光雷达控制与垂尾表面的距离，机械臂根据无人机自身相对于飞机垂尾的位置，始终将探头对准飞机蒙皮表面；
第三步：检测到的图像数据以视频的形式通过数据传输电台发回地面端，由地面人员根据回传信息进行伤情诊断。检测到疑似点时，超声波探测仪会发出警报，此时无人机悬停，对疑似损伤部位重点检测并记录，检测过程中的全部数据存入数据库，形成伤情诊断大数据；
第四步：无人机完成扫描飞行后，进入降落航线自主降落至起飞点，检测作业完成。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。
Claims (5)
1.一种用于大飞机垂尾裂纹探测的无人机，其特征在于，包括四轴多旋翼飞行平台、飞行控制器、飞行数据传输电台、超声波探伤设备、图像传输系统和地面控制系统构成；其中，四轴多旋翼飞行平台包括机架，电机、螺旋桨、电调，电池；飞行控制器采用成熟的工业级多旋翼飞行控制器；飞行数据传输电台由发射模块和接收模块组成；超声波探伤设备由超声波探测仪、探头和机械臂组成；图像传输系统由遮光板、高分辨率相机和图像传输模块组成；地面控制系统包括飞行器飞行动作控制模块、飞行器飞行数据传输电台接收模块、RTK定位系统；
所述四旋翼飞行平台的中央部分由上、下两块铝合金板通过螺栓连接而成，其中四旋翼飞行器的电调（10）、电池（11），飞行控制器（5），图像传输模块（8），飞行数据传输电台的发射模块（9）都是通过螺栓固定在四旋翼飞行平台（4）中央部分的下板之上；机械臂（7）通过皮带轮和电机固定在四旋翼飞行平台（4）中央部分的下板之下，超声波探头（6）通过螺栓固定在机械臂（7）上；相机（2）通过卡槽固定在遮光板（1）上，超声波探测仪（3）放置在遮光板（1）内部，遮光板（1）通过螺栓固定在多旋翼飞行平台（4）中央部分的上板。
2.根据权利要求1所述的用于大飞机垂尾裂纹探测的无人机，其特征在于，所述四轴多旋翼飞行平台（4）采用全碳纤维机架（12），无刷电机（13）驱动螺旋桨（14）作为动力，配备高负载电调（10），机载的高容量锂聚合物电池（11）为整套系统提供能源。
3.根据权利要求1所述的用于大飞机垂尾裂纹探测的无人机，其特征在于，所述飞行数据传输电台采用433MHz频率，发射模块安装在四旋翼飞行平台（4）中央部分的下板上，与飞行器控制器（5）连接。
4.根据权利要求1所述的用于大飞机垂尾裂纹探测的无人机，其特征在于，所述飞行器飞行动作控制模块采用2.4GHz频率多通道比例遥控器，用于控制飞行器飞行姿态与探测设备云台姿态；飞行器飞行数据传输电台接收模块用于接收飞行信息；RTK定位系统包含临时架设的RTK移动基站和无人机机载移动站；RTK移动基站用于采集精准的GPS差分数据，同时将差分数据传送给机载移动站，机载移动站再将差分数据转换为供飞行控制系统使用的位置信息，从而实现无人机的精准定位。
5.一种用于大飞机垂尾裂纹探测的无人机的操作方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步：为保证飞行精度，无人机在起飞作业之前，需要为其架设RTK移动基站，以提供高精度的GPS差分数据；移动基站架需设在作业区域附近，并保持周围开阔无遮挡，以最大化地提高基站的覆盖范围；无人机通电后通过数据传输电台与基站进行通讯，从而确定无人机的位置，并根据被检测飞机垂尾的相对位置和垂尾外形，由地面站软件生成立体扫描航线上传至无人机；
第二步：扫描航线上传完成后，无人机起飞，并按设定航线环绕被检测飞机的翼面飞行；在飞行过程中，为保证探测效果，无人机使用机载激光雷达控制与垂尾表面的距离，机械臂根据无人机自身相对于飞机的位置，始终将探头对准飞机蒙皮表面；
第三步：检测到的图像数据以视频的形式通过数据传输电台发回地面端，由地面人员根据回传信息进行伤情诊断，疑似损伤部位重点检测并记录，检测过程中的全部数据存入数据库，形成伤情诊断大数据；
第四步：无人机完成扫描飞行后，进入降落航线自主降落至起飞点，检测作业完成。
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