CN109793464A - 基于计算机视觉的八旋翼无人机高楼外墙清洗系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于计算机视觉的八旋翼无人机高楼外墙清洗系统，包括：飞行机器人和地面控制台；所述飞行机器人包括无线定位装置、无人机、供水装置、机械臂和清洗装置；所述无线定位装置设置与无人机主机顶部，所述供水装置设置有无人机主机底部；所述清洗装置通过机械臂与供水装置连接；所述无人机还设置有一高清摄像机。本发明运用带有摄像头的识别系统，并运用计算机视觉技术实现清洗效果的实施监控，能更好的实现智能化控制。

Description

基于计算机视觉的八旋翼无人机高楼外墙清洗系统及方法

技术领域

本发明涉及高空清洗领域，具体涉及一种基于计算机视觉的八旋翼无人机高楼外墙清洗系统及方法。

背景技术

近年来我国经济飞速发展，城市的建设进程进一步加快，以玻璃幕墙为代表的高楼外墙逐渐成为华丽的“城市外衣”，随之而来的就是高楼外墙清洗行业的兴起。高楼外墙由于常年经受日光爆晒和风吹雨打，以及空气中的有害气体和酸性雨水等污染物的侵蚀，建筑物外墙产生了许多污垢，既影响了建筑物的外观，又损坏了建筑物结构，从而产生了安全隐患。因此，清洗建筑物的外墙，不仅能够美化环境，还可以起到保护建筑物的作用。但是目前，国内的高空清洗作业主要由人工完成，费时费力，效率低下，而且清洁人员的安全风险极大，急需能在高空作业的机器人取代人工。特别是近年来环境污染越发严重，高楼外表面清洗对清洁机器人的需求越来越强烈。但是现在国内的机器人外墙清洗技术很不成熟，应用无人机进行高空清洗的方案在国内更处于空白状态。

因飞行稳定，结构简单，操控性能好，多旋翼无人机逐渐成为了航模和无人机产业的主流，它代表了无人飞行器的最新发展研究方向，预示着旋翼无人机的发展迎来了飞速发展的时期。有学者指出，随着技术发展，一些现有技术都可以经过整合改进，添加到现有的无人机技术当中。就如同“互联网+”一样，无人机同样可以形成“无人机+”的模式。无人机加航拍相机就可以成为航拍设备，无人机加传感器就可以做到高空感应检测，加储运容器可以成为物流运输系统，消费级旋翼无人机市场在不久的将来一定会迅速壮大。在未来的时光里，从助力现代乡村到建设数字信息城市，凡是需要高空作业的地方，都将会有无人机的一席之地。

目前，无人机的应用领域可分为军用与民用两类。在军事领域中，无人机可用作侦察机和靶机。在民用方面，无人机的应用就更加广泛了。据不完全统计，现有应用包括：航拍、农业植保、微型自拍、物流运输、灾难救援、观察野生动物、监控传染病、测绘、新闻报道、电力巡检、抗震救灾、影视拍摄、特种作业等在这些领域中，无人机都极大的发挥了不可比拟的作用，“无人机+”概念已经初具雏形了。因此，国内外无人机技术的成熟为无人机高空清洗构想的实现提供了必要条件，将“无人机+”概念应用于高空清洁势在必行。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于计算机视觉的八旋翼无人机高楼外墙清洗系统及方法，解决现有高楼外墙清洗效率低，风险高的问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于计算机视觉的八旋翼无人机高楼外墙清洗系统,包括：飞行机器人和地面控制台；所述飞行机器人包括无线定位装置、无人机、供水装置、机械臂和清洗装置；所述无线定位装置设置与无人机主机顶部，所述供水装置设置有无人机主机底部；所述清洗装置通过机械臂与供水装置连接；所述无人机还设置有一高清摄像机；所述地面控制台根据无线定位装置和高清摄像机采集的数据通过无线对飞行机器人进行清洗控制。

进一步的，所述无人机采用八旋翼无人机；所述八旋翼无人机采用碳纤维作为机架材料；所述八旋翼无人机的八个外转子无刷直流电机分别安装在八个旋臂上；所述外转子无刷直流电机安装支架下方，设置有控制该电机的电子调速器；所述电子调速器与飞行控制器连接。

进一步的，所述无线定位装置包括电子罗盘、GPS、加速度计、气压计、超声波传感器；所述电子罗盘、GPS、加速度计、气压计、超声波传感器分别与飞行控制器连接。

进一步的，所述地面控制台包括便携式地面站计算机、无人机遥控装置和GPS地面差分站。

进一步的，所述供水装置与清洗装置还连接有供水管和回水管；所述供水管和回水管固定于机械臂上；所述回水管将污水吸回通过供水箱内设置的循环腔室进行过滤后用于继续清洗，实现循环供水。

进一步的，所述清洗装置包括两级滚刷、喷水装置和抽吸机构；所述两级滚刷包括两个滚刷，所述滚刷内层滚筒均为塑料结构套筒，外层为带碳粉海绵清洁和吸水清洁海绵，塑料套筒的桶壁两端穿有轴头，起支撑作用并一端与电机相连，以带动滚刷旋转进行清洗作业。

一种基于计算机视觉的八旋翼无人机高楼外墙清洗系统的控制方法,包括以下步骤：

步骤S1:通过地面站计算机设置整个清洗系统的飞行路径；

步骤S2:无线定位装置传输的实时数据，控制无人机起飞并接近待清洗区域；

步骤S3:摄像机实时取景并将待清洗区域图像传输至地面站计算机，进行系统辨别外墙洁净程度，地面人员可以实时调整清洗方案；

步骤S4:飞行控制器根据清洗方案，控制清洗装置进行清洗作业；

步骤S5:地面人员可以根据清洗程度手动控制进行二次清洗；

步骤S6:当待清洗区域清洁结束，地面控制台控制无人机返回地面，完成清洗。

进一步的，所述清洗系统的飞行路径包括从地面基站检查并起飞、匀速飞抵待清洗区域、临近壁面时减速准备清洗作业。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1、本发明运用八旋翼无人机作为载体搭载清洗系统进行高空清洗作业，不受外墙形状的限制，灵活性强，能适应各种高楼外墙；

2、本发明运用带有摄像头的识别系统，并运用计算机视觉技术实现清洗效果的实施监控，能更好的实现智能化控制。

附图说明

图1是本发明结构示意图；

图2是本发明控制系统示意图；

图3是本发明一实施例中清洗装置和供水装置结构示意图

图4是本发明一实施例中清洗装置正视图；

图5是本发明一实施例中清洗装置后视图

图中：1-无线定位装置、2-飞行控制器、3-飞行电源、4-水箱、5-外转子无刷直流电机、6-旋翼桨叶、7-机架主体、8-高清摄像头、9-清洗装置、10供水管、11-回水管、12-机械臂、901-驱动电机、902-清洗装置外壳、903-抽吸装置、904-滚筒、905-喷水装置、906-毛刷。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

请参照图1，本发明提供一种基于计算机视觉的八旋翼无人机高楼外墙清洗系统,包括：飞行机器人和地面控制台；所述飞行机器人包括无线定位装置、无人机、供水装置、机械臂和清洗装置；所述无线定位装置设置与无人机主机顶部，所述供水装置设置有无人机主机底部；所述清洗装置通过机械臂与供水装置连接；所述无人机还设置有一高清摄像机；所述地面控制台根据无线定位装置和高清摄像机采集的数据通过无线对飞行机器人进行清洗控制。

在本实施例中，所述无人机采用八旋翼无人机；所述八旋翼无人机采用碳纤维作为机架材料；所述八旋翼无人机的八个外转子无刷直流电机分别安装在八个旋臂上，电机驱动碳纤维桨转动产生升力的同时，每个电机均与相邻的两个电机旋转方向相反而抵消了彼此产生的扭力矩；所述外转子无刷直流电机安装支架下方，设置有控制该电机的电子调速器；所述电子调速器与飞行控制器连接。

在本实施例中，所述无线定位装置包括电子罗盘、GPS、加速度计、气压计、超声波传感器；所述电子罗盘、GPS、加速度计、气压计、超声波传感器分别与飞行控制器连接。电子罗盘，又称数字罗盘，在现代技术条件中电子罗盘作为导航仪器或姿态传感器已被广泛应用。电子罗盘与传统指针式和平衡架结构罗盘相比能耗低、体积小、重量轻、精度高、可微型化的优点。霍尼韦尔的磁传感器在低磁场传感器行业中是灵敏度最高和可靠性最好的传感器，HMC5883L 包括最先进的高分辨率HMC118X系列磁阻传感器，并附带霍尼韦尔专利的集成电路包括放大器、自动消磁驱动器、偏差校准，能使罗盘精度控制在1°~2°。

GPS系统可用来定位飞行器的水平位置。由于无人机高空清洗系统距离高楼外墙距离较近，需要提供高精度的定位，所以GPS接收机采用Novatel公司的OEM-VI系双频RTK板卡，在差分模式下可提供2厘米的实时定位精度。这样就可以实现对无人机清洗系统的实时精准定位，以便地面基站的操作人员随时监测去无人机所处的位置，以进行下一步操作。

加速度计能够检测出飞行器受到的加速度，进而可以通过积分运算精确求出物体的速度和位移，已辅助GPS进行定位。考虑到成本问题，我们依然选用MEMS加速度计。它是利用传感质量的惯性力测量的传感器，通常由标准质量块（传感元件）和检测电路组成，通过检测内部移动部分的惯性实现。生产MEMS加速度计的公司有很多，综合考虑多种因素，最终我们决定本课题选用ADI公司生产的ADXL345加速度计。

气压计是通过气压的变化来测量高度的传感器，可用来测量飞行器的垂直高度，测量高度范围较广。本专利选用Bosch公司生产的BMP085气压计。超声波传感器可用于测量距离。超声波测距离传感器采用超声波回波测距原理，运用精确的时差测量技术，用来检测清洗系统与墙壁之间的距离，或用于移动过程中的避障。本专利选用HC-SR04超声波传感器，该传感器测量范围为2cm-450cm，最高精度可达0.2cm。

在传感器的连接方面，GPS和加速度计可组成系统，由GPS进行粗定位，加速度计进行细节校准，从而提高定位精度。

加速度计ADXL345同时支持SPI和IIC接口，因为数据读取速率很高所以选择SPI接口，处理器通过中断方式读取加速度计数据对GPS提供的数据进行细节矫正。其他传感器则通过普通接口电路连接。电子罗盘通过处理器的中断方式，经由IIC总线读取HMC5883的数据。其中IIC总线需要接上拉电阻，其组织选择要满足使IIC总线上通过1mA左右的电流。为了尽可能的提高测量精度，器件电源处使用多个电容进行去耦处理。气压计可通过处理器的查询方式，经由IIC总线读取BMP085的数据。

本实施例中，所述地面控制台包括便携式地面站计算机、无人机遥控装置和GPS地面差分站。控制具体包括，先由地面基站的操作人员生成整个清洗系统的飞行路径，包括从地面基站检查并起飞、匀速飞抵目标清洗区域、临近壁面时减速准备清洗作业。在正常的清洗作业过程中，飞行系统有地面基站控制进行自主飞行，根据预先设定好的路径紧贴玻璃幕墙壁面进行清洗，并实时保持对墙面的正压力。

八旋翼飞行器机上的飞行控制器负责实现飞行控制算法，是八旋翼无人机的核心部分。纵览市面上主流飞控板的系统架构，DSP+FPAG的方案可谓控制系统的主流方案。而陀螺仪则选用ST公司生产的L3G4200以满足设计需要。该陀螺仪是三轴数字陀螺仪，可根据不同场合选择不同灵敏度，并自带低、高通滤波器。陀螺仪L3G4200因为数据读取速率很高，所以选择SPI接口，飞控板处理器通过中断方式读取陀螺仪数据。在可靠性方面，整个飞行系统由飞控装置的安全性模块实时监控。如果整机在工作过程总出现电量不足或电机状态异常，以致不能正常工作的突发情况，则系统自动发送报警信号，并立即飞回地面基站。

本实施例中，所述清洗装置包括两级滚刷、喷水装置和抽吸机构；所述两级滚刷包括两个滚刷，所述滚刷内层滚筒均为塑料结构套筒，外层为带碳粉海绵清洁和吸水清洁海绵，塑料套筒的桶壁两端穿有轴头，起支撑作用并一端与电机相连，以带动滚刷旋转进行清洗作业。第一级采用毛刷去除灰尘等简单污渍。第二级清洗是采用滚筒清洗去除氧化物、鸟粪等，先将低浓度清洗剂均匀喷洒在建筑物外墙表面，再施加一定的机械力将污物分离。供水方式为自带水并循环使用，第二级刷洗时通过抽吸装置将刷洗后的水收集，并用作下一次的清洁用水。这样一来，既保证了壁面的清洁，又节省了用水，还可以减轻飞行器的载水量，可谓一举三得。若要清洗不同介质表面，选用不同的滚刷材料和清洗液即可。清洗液的循环路径可以叙述为：首先，清洗液储存在水箱，受喷水控制阀控制，经供水管到达雾化喷头。之后，由电机驱动的第二级旋转刷完成玻璃壁面的清洗。最后，通过抽吸机构的收集，污水经过回水管流回循环腔室进行过滤，实现了真正的循环供水。其中的喷水控制阀由地面基站远程控制，可由操作人员监控在接近高楼外墙时开启。

一种基于计算机视觉的八旋翼无人机高楼外墙清洗系统的控制方法,包括以下步骤：

步骤S1:通过地面站计算机设置整个清洗系统的飞行路径；

步骤S2:无线定位装置传输的实时数据，控制无人机起飞并接近待清洗区域；

步骤S3:摄像机实时取景并将待清洗区域图像传输至地面站计算机，进行系统辨别外墙洁净程度，地面人员可以实时调整清洗方案；

步骤S4:飞行控制器根据清洗方案，控制清洗装置进行清洗作业；

步骤S5:地面人员可以根据清洗程度手动控制进行二次清洗；

步骤S6:当待清洗区域清洁结束，地面控制台控制无人机返回地面，完成清洗。

在本实施例中，所述清洗系统的飞行路径包括从地面基站检查并起飞、匀速飞抵待清洗区域、临近壁面时减速准备清洗作业。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (8)

1.一种基于计算机视觉的八旋翼无人机高楼外墙清洗系统,其特征在于，包括：飞行机器人和地面控制台；所述飞行机器人包括无线定位装置、无人机、供水装置、机械臂和清洗装置；所述无线定位装置设置与无人机主机顶部，所述供水装置设置有无人机主机底部；所述清洗装置通过机械臂与供水装置连接；所述无人机还设置有一高清摄像机；所述地面控制台根据无线定位装置和高清摄像机采集的数据通过无线对飞行机器人进行清洗控制。

2.根据权利要求1所述的基于计算机视觉的八旋翼无人机高楼外墙清洗系统,其特征在于：所述无人机采用八旋翼无人机；所述八旋翼无人机采用碳纤维作为机架材料；所述八旋翼无人机的八个外转子无刷直流电机分别安装在八个旋臂上；所述外转子无刷直流电机安装支架下方，设置有控制该电机的电子调速器；所述电子调速器与飞行控制器连接。

3.根据权利要求2所述的基于计算机视觉的八旋翼无人机高楼外墙清洗系统,其特征在于：所述无线定位装置包括电子罗盘、GPS、加速度计、气压计、超声波传感器；所述电子罗盘、GPS、加速度计、气压计、超声波传感器分别与飞行控制器连接。

4.根据权利要求1所述基于计算机视觉的八旋翼无人机高楼外墙清洗系统,其特征在于：所述地面控制台包括便携式地面站计算机、无人机遥控装置和GPS地面差分站。

5.根据权利要求1所述基于计算机视觉的八旋翼无人机高楼外墙清洗系统,其特征在于：所述供水装置与清洗装置还连接有供水管和回水管；所述供水管和回水管固定于机械臂上；所述回水管将污水吸回通过供水箱内设置的循环腔室进行过滤后用于继续清洗，实现循环供水。

6.根据权利要求1所述的基于计算机视觉的八旋翼无人机高楼外墙清洗系统,其特征在于：所述清洗装置包括两级滚刷、喷水装置和抽吸机构；所述两级滚刷包括两个滚刷，所述滚刷内层滚筒均为塑料结构套筒，外层为带碳粉海绵清洁和吸水清洁海绵，塑料套筒的桶壁两端穿有轴头，起支撑作用并一端与电机相连，以带动滚刷旋转进行清洗作业。

7.一种基于计算机视觉的八旋翼无人机高楼外墙清洗系统的控制方法,其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1:通过地面站计算机设置整个清洗系统的飞行路径；

步骤S2:无线定位装置传输的实时数据，控制无人机起飞并接近待清洗区域；

步骤S3:摄像机实时取景并将待清洗区域图像传输至地面站计算机，进行系统辨别外墙洁净程度，地面人员可以实时调整清洗方案；

步骤S4:飞行控制器根据清洗方案，控制清洗装置进行清洗作业；

步骤S5:地面人员可以根据清洗程度手动控制进行二次清洗；

步骤S6:当待清洗区域清洁结束，地面控制台控制无人机返回地面，完成清洗。

8.根据权利要求7所述的基于计算机视觉的八旋翼无人机高楼外墙清洗系统的控制方法,其特征在于：所述清洗系统的飞行路径包括从地面基站检查并起飞、匀速飞抵待清洗区域、临近壁面时减速准备清洗作业。