CN111003128A - 一种无人机避障的雷达和单目视觉传感器融合及悬挂机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无人机避障的雷达和单目视觉传感器融合及悬挂机构，包括头部和尾鳍，所述头部与尾鳍之间设置有前后倾斜系统，所述头部包括后盖和固定在后盖一侧的罩壳，所述罩壳呈流线型，所述后盖的一侧安装有底板，所述底板上安装有动力装置，所述底板的前部对应安装有红外传感器，所述底板的底部安装有视觉传感器，所述视觉传感器的一端穿过罩壳，所述罩壳的顶部设置有LED灯，所述动力装置包括电池和电机，所述电机的输出轴外部转动套接有多个轴套，所述轴套的外部转动套接有绳盘，所述绳盘的内周面均匀开设有齿槽，所述齿槽的内周面为永磁铁，本发明，具有适用于狭窄地形和方向调整方便的特点。

Description

一种无人机避障的雷达和单目视觉传感器融合及悬挂机构

技术领域

本发明涉及水下无人机技术领域，具体为一种无人机避障的雷达和单目视觉传感器融合及悬挂机构。

背景技术

由于水下环境恶劣危险，水下无人机成了一种海洋作业的特殊工具，现阶段水下无人机在海洋检测、水下工业设施检修、生态监测与环境保护等领域均有应用。

目前在海洋生态检测中，水下无人机由于体积较大无法出入海底珊瑚礁等狭窄地段，而现有的仿生鱼机器人主要通过尾鳍提供动力、背鳍保持平衡以及胸鳍进行转向，结构复杂且占用空间大，不利于穿过狭窄的缝隙，缩小了极限作业范围。因此，设计适用于狭窄地形和方向调整方便的一种无人机避障的雷达和单目视觉传感器融合及悬挂机构是很有必要的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种无人机避障的雷达和单目视觉传感器融合及悬挂机构，以解决上述背景技术中提出的问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种无人机避障的雷达和单目视觉传感器融合及悬挂机构，包括头部和尾鳍，所述头部与尾鳍之间设置有前后倾斜系统，所述头部包括后盖和固定在后盖一侧的罩壳，所述罩壳呈流线型，所述后盖的一侧安装有底板，所述底板上安装有动力装置。

进一步的，所述底板的前部对应安装有红外传感器，所述底板的底部安装有视觉传感器，所述视觉传感器的一端穿过罩壳，所述罩壳的顶部设置有LED灯，所述罩壳的内部设置有控制器。

进一步的，所述动力装置包括电池和电机，所述电机的输出轴外部转动套接有多个轴套，所述轴套的外部转动套接有绳盘，所述绳盘的内周面均匀开设有齿槽，所述齿槽的内周面为永磁铁，所述轴套的外部均匀开设有滑槽，所述滑槽的内部滑动设置有电磁铁，所述电磁铁与齿槽相互卡接，所述电磁铁的一侧与齿槽的内壁之间设置有弹性元件，所述绳盘上套接有钢丝线。

进一步的，所述前后倾斜系统包括第一气囊、第二气囊、第三气囊和第四气囊，所述后盖、第一气囊、第二气囊、第三气囊和第四气囊上均对应开设有穿线孔，所述后盖的一侧对应设置有定滑轮，所述钢丝线活动穿过穿线孔，且钢丝线的一端连接在第四气囊的一侧，且两者连接点在圆周面上均匀分布，所述第四气囊与尾鳍相互固定，所述第一气囊、第二气囊、第三气囊和第四气囊上均设置有排气口。

进一步的，所述前后倾斜系统还包括气泵，所述气泵的出口端连接有第一换向阀，所述气泵的进口端连接有第二换向阀，所述第一换向阀的两个端口分别与第一气囊和第二气囊连接，所述第二换向阀的两个端口分别连接有第三气囊和第四气囊，所述气泵的进口端与出口端之间还并联有两根换向管路，且两根换向管路上分别设置有第二阀门和第五阀门，所述气泵的出口端与第一换向阀之间设置有第三阀门，所述气泵的进口端与第二换向阀之间设置有第四阀门。

进一步的，所述第二换向阀与第一换向阀通过各自的一个端口相连接，且连接处还设置有三通阀，所述三通阀的一端与气泵的进气端相连接。

进一步的，所述气泵的进气端还连接有第一阀门，所述第一阀门的一端连接有储气罐。

进一步的，所述头部的内部还设置有锚固装置，所述锚固装置包括锚固绳和配重块，所述锚固绳盘形安装在罩壳的内壁，所述罩壳上开设有通孔，且配重块的一端穿过通孔，所述配重块的顶端呈锥形，所述配重块的一侧安装有爆裂气囊，所述罩壳内还设置有气体发生器，所述气体发生器的内部安装有点火器，所述气体发生器的出口位置与配重块相接触，所述锚固绳与头部的连接端设置有切断装置。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：本发明，

（1）通过整机与水下无人机的分体设置，在面对狭窄的珊瑚礁等环境时可以派出该机器单独作业，利用视觉传感器记录水中的影像，整机采用仿生鱼的结构设计，体积小巧，活动灵活；

（2）通过设置有动力装置，利用电机带动不同绳盘转动不同的角度，从而拉动钢丝线使尾鳍垂直摆动或倾斜摆动，将机体动力和前进方向的控制整合在尾鳍上，去除了背鳍和胸鳍，同体积的情况下可以穿过更狭窄的区域，适用范围广；

（3）通过设置有前后倾斜系统，利用气泵和阀门的开闭有序控制四个气囊的彼此之间充盈程度，直接改变机身的倾斜角度，更有效率地控制整机的沉浮游动，勘察完毕时将储气罐内的压缩气体使所有气囊充盈，可以使整体迅速上浮并回收，大大提高了勘察效率；

（4）通过设置有锚固装置，在准备在珊瑚礁锚固时利用气体发生器点火，使配重块带动锚固绳从头部弹射出，弹出的同时爆裂气囊由于内外压差爆炸，改变配重块的运行方向，使锚固绳缠绕在珊瑚上，固定整机的位置，在静态拍摄海洋生物时可以避免海水涌动带来的干扰，拍摄更稳定。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明的躯干部结构示意图；

图3是本发明的头部内部结构示意图；

图4是本发明的前后倾斜系统气动原理示意图；

图5是本发明的前后倾斜系统一种工作状态下气体流向示意图；

图6是本发明的调向装置结构示意图；

图7是本发明的锚固状态示意图；

图8是本发明的锚固装置局部结构示意图；

图9是本发明的锚固装置整体连接关系示意图；

图中：1、头部；2、前后倾斜系统；3、尾鳍；11、后盖；111、定滑轮；112、穿线孔；12、储气罐；121、第一阀门；13、电池；14、动力装置；141、电机；142、绳盘；143、齿槽；144、钢丝线；1421、轴套；15、底板；16、红外传感器；17、视觉传感器；18、罩壳；211、第一气囊；212、第二气囊；213、第三气囊；214、第四气囊；22、弹性片；231、第一换向阀；232、第二换向阀；24、气泵；251、第二阀门；252、第三阀门；253、第四阀门；254、第五阀门；255、三通阀；4、锚固装置；41、锚固绳；42、配重块；43、爆裂气囊；44、气体发生器；45、点火器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1和3，本发明提供技术方案：一种无人机避障的雷达和单目视觉传感器融合及悬挂机构，包括头部1和尾鳍3，头部1与尾鳍3之间设置有前后倾斜系统2，头部1包括后盖11和固定在后盖11一侧的罩壳18，罩壳18呈流线型，后盖11的一侧安装有底板15，底板15上安装有动力装置14，前后倾斜系统2可以控制鱼身的前倾或后倾，动力装置14用于给鱼身提供动力，使用时将该机器从水下勘探无人机上分离出来，头部1的流线形状可以减小水中的阻力；

如图3，底板15的前部对应安装有红外传感器16，底板15的底部安装有视觉传感器17，视觉传感器17的一端穿过罩壳18，罩壳18的顶部设置有LED灯，罩壳18的内部设置有控制器，红外传感器16用于感知前方是否有障碍物，其将信号传递给控制系统可以防止鱼碰壁，视觉传感器17用于勘察前方的情况并记录影像；

如图6，动力装置14包括电池13和电机141，电机141的输出轴外部转动套接有多个轴套1421，轴套1421的外部转动套接有绳盘142，绳盘142的内周面均匀开设有齿槽143，齿槽143的内周面为永磁铁，轴套1421的外部均匀开设有滑槽，滑槽的内部滑动设置有电磁铁，电磁铁与齿槽143相互卡接，电磁铁的一侧与齿槽143的内壁之间设置有弹性元件，绳盘142上套接有钢丝线144，使用时开启电机141，其输出轴带动轴套1421转动，当电磁铁通电时其与齿槽143内的永磁铁相互吸合，此时输出轴可以带动绳盘142转动，断电时由于弹性元件收回，绳盘142不再转动，绳盘142带动钢丝线144的两端前进或回退，通过控制各个绳盘142内电磁铁的通断电来决定每个绳盘142的转动角度，多个绳盘142带动多根钢丝线144运动，实现绳盘142转动角度的精确控制，进而实现尾鳍3的角度控制；

如图2-3，前后倾斜系统2包括第一气囊211、第二气囊212、第三气囊213和第四气囊214，后盖11、第一气囊211、第二气囊212、第三气囊213和第四气囊214上均对应开设有穿线孔112，后盖11的一侧对应设置有定滑轮111，钢丝线144活动穿过穿线孔112，且钢丝线144的一端连接在第四气囊214的一侧，且两者连接点在圆周面上均匀分布，第四气囊214与尾鳍3相互固定，第一气囊211、第二气囊212、第三气囊213和第四气囊214上均设置有排气口，当控制鱼身右转并前进时，位于圆周面中部的绳盘142内电磁铁通电吸合，此时中部的钢丝线144大幅度摆动，给予尾鳍3前进的动力，同时在尾鳍3向右摆动时，使倾角变大，增大水流对尾鳍3向左的反作用力，在尾鳍3向左摆动时使倾角变小，减小水流对尾鳍3向右的反作用力，如此往复可以使机器的尾部向左倾斜，而头部向右倾斜并前进，从而实现单靠尾鳍3进行角度控制，去除了背鳍和胸鳍，同体积的情况下可以穿过更狭窄的区域，适用范围广；

如图4-5，前后倾斜系统2还包括气泵24，气泵24的出口端连接有第一换向阀231，气泵24的进口端连接有第二换向阀232，第一换向阀231的两个端口分别与第一气囊211和第二气囊212连接，第二换向阀232的两个端口分别连接有第三气囊213和第四气囊214，气泵24的进口端与出口端之间还并联有两根换向管路，且两根换向管路上分别设置有第二阀门251和第五阀门254，气泵24的出口端与第一换向阀231之间设置有第三阀门252，气泵24的进口端与第二换向阀232之间设置有第四阀门253，当使气泵24切换反向工作状态时，关闭第四阀门253和第三阀门252，开启第五阀门254和第二阀门251，此时空气从左向右泵，正向工作状态时，开启第四阀门253和第三阀门252，关闭第五阀门254和第二阀门251，空气从右向左泵，当向第二气囊212泵气时，将管路切换成图5的状态，根据此原理通过切换第二换向阀232和第一换向阀231的方向来使各个气囊空气实现交换，直接改变机身的倾斜角度，更有效率地控制整机的沉浮游动；

如图4-5，第二换向阀232与第一换向阀231通过各自的一个端口相连接，且连接处还设置有三通阀255，三通阀255的一端与气泵24的进气端相连接，当进行其他两个气囊的气体平衡时，无需开启气泵24，开启三通阀255的两个侧端口，此时两个气囊由于压力的不同而使气体从高压处向低压处涌入，从而实现气体均衡，自动纠正机器的前后倾斜状态，当使两个气囊气体不均衡时，开启三通阀255的一个侧端口和下端口，再开启气泵24，此时空气从连通的入口端被泵入出口端的气囊，从而实现各个气囊的同时充放气，勘察完毕时将储气罐内的压缩气体使所有气囊充盈，可以使整体迅速上浮并回收，减小了调整时间，提高了工作效率；

如图4，气泵24的进气端还连接有第一阀门121，第一阀门121的一端连接有储气罐12，当准备上浮时，该机器本体先游动到开阔地带，随后开启第一阀门121，储气罐12内的气体通过第一阀门121涌入气泵24的进气端此时通过打开其他阀门可以使对应的气囊内充满空气，当所有气囊充满气体时整机快速上浮于水面，实现整体的迅速上浮回收；

如图7-9，头部1的内部还设置有锚固装置4，锚固装置4包括锚固绳41和配重块42，锚固绳41盘形安装在罩壳18的内壁，罩壳18上开设有通孔，且配重块42的一端穿过通孔，配重块42的顶端呈锥形，配重块42的一侧安装有爆裂气囊43，罩壳18内还设置有气体发生器44，气体发生器44的内部安装有点火器45，气体发生器44的出口位置与配重块42相接触，所述锚固绳41与头部1的连接端设置有切断装置，当准备进行锚固时，操作人员首先观察机身下方的珊瑚礁情况，选择合适的地点后利用点火器45对气体发生器44进行点火，气体发生器里面填充叠氮化钠，点火后立即膨胀，推动配重块42向外弹射，弹射出后由于爆裂气囊43内填充有气体，而海底压强较大，使得爆裂气囊43爆裂，产生单向的推动力，使配重块42的运动方向发生偏转，配重块42呈带动锚固绳41呈弧形轨迹运动，在碰撞到珊瑚礁上后配重块42处于惯性使锚固绳41缠绕在珊瑚礁上，固定整机的位置，在静态拍摄海洋生物时可以避免海水涌动带来的干扰，拍摄更稳定，拍摄结束后利用切断装置将锚固绳41断开即可；

实施例：当使用该机器时，将整机从水下无人机上分离出来，使之朝向珊瑚礁内游动，开启电机141，其输出轴带动轴套1421转动，当电磁铁通电时其与齿槽143内的永磁铁相互吸合，此时输出轴可以带动绳盘142转动，断电时由于弹性元件收回，绳盘142不再转动，绳盘142带动钢丝线144的两端前进或回退，通过控制各个绳盘142内电磁铁的通断电来决定每个绳盘142的转动角度，多个绳盘142带动多根钢丝线144运动，实现绳盘142转动角度的精确控制，进而实现尾鳍3的角度控制，此时用动力装置14的电机141带动钢丝线144移动实现前进和转向的动力，利用前后倾斜系统2实现前后倾角的调整和机身的上浮下沉，当控制鱼身右转并前进时，位于圆周面中部的绳盘142内电磁铁通电吸合，此时中部的钢丝线144大幅度摆动，给予尾鳍3前进的动力，同时在尾鳍3向右摆动时，使倾角变大，增大水流对尾鳍3向左的反作用力，在尾鳍3向左摆动时使倾角变小，减小水流对尾鳍3向右的反作用力，如此往复可以使机器的尾部向左倾斜，而头部向右倾斜并前进，从而实现单靠尾鳍3进行角度控制，去除了背鳍和胸鳍，同体积的情况下可以穿过更狭窄的区域，适用范围广，当使气泵24切换反向工作状态时，关闭第四阀门253和第三阀门252，开启第五阀门254和第二阀门251，此时空气从左向右泵，正向工作状态时，开启第四阀门253和第三阀门252，关闭第五阀门254和第二阀门251，空气从右向左泵，当向第二气囊212泵气时，将管路切换成图5的状态，根据此原理通过切换第二换向阀232和第一换向阀231的方向来使各个气囊空气实现交换，直接改变机身的倾斜角度，更有效率地控制整机的沉浮游动，当进行其他两个气囊的气体平衡时，无需开启气泵24，开启三通阀255的两个侧端口，此时两个气囊由于压力的不同而使气体从高压处向低压处涌入，从而实现气体均衡，自动纠正机器的前后倾斜状态，当使两个气囊气体不均衡时，开启三通阀255的一个侧端口和下端口，再开启气泵24，此时空气从连通的入口端被泵入出口端的气囊，从而实现各个气囊的同时充放气，勘察完毕时将储气罐内的压缩气体使所有气囊充盈，可以使整体迅速上浮并回收，减小了调整时间，提高了工作效率，利用视觉传感器17来记录影像，红外传感器16用于感知前方是否有障碍物，其将信号传递给控制系统可以防止鱼碰壁，视觉传感器17用于勘察前方的情况并记录影像，当准备静态拍摄时使锚固装置4将配重块42喷出并缠绕在珊瑚礁上，工作完成后断开锚固绳41，所有气囊充气上浮，用以代替传统的水下无人机。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种无人机避障的雷达和单目视觉传感器融合及悬挂机构，包括头部（1）和尾鳍（3），其特征在于：所述头部（1）与尾鳍（3）之间设置有前后倾斜系统（2），所述头部（1）包括后盖（11）和固定在后盖（11）一侧的罩壳（18），所述罩壳（18）呈流线型，所述后盖（11）的一侧安装有底板（15），所述底板（15）上安装有动力装置（14）。

2.根据权利要求1所述的一种无人机避障的雷达和单目视觉传感器融合及悬挂机构，其特征在于：所述底板（15）的前部对应安装有红外传感器（16），所述底板（15）的底部安装有视觉传感器（17），所述视觉传感器（17）的一端穿过罩壳（18），所述罩壳（18）的顶部设置有LED灯,所述罩壳（18）的内部设置有控制器。

3.根据权利要求1所述的一种无人机避障的雷达和单目视觉传感器融合及悬挂机构，其特征在于：所述动力装置（14）包括电池（13）和电机（141），所述电机（141）的输出轴外部转动套接有多个轴套（1421），所述轴套（1421）的外部转动套接有绳盘（142），所述绳盘（142）的内周面均匀开设有齿槽（143），所述齿槽（143）的内周面为永磁铁，所述轴套（1421）的外部均匀开设有滑槽，所述滑槽的内部滑动设置有电磁铁，所述电磁铁与齿槽（143）相互卡接，所述电磁铁的一侧与齿槽（143）的内壁之间设置有弹性元件，所述绳盘（142）上套接有钢丝线（144）。

4.根据权利要求3所述的一种无人机避障的雷达和单目视觉传感器融合及悬挂机构，其特征在于：所述前后倾斜系统（2）包括第一气囊（211）、第二气囊（212）、第三气囊（213）和第四气囊（214），所述后盖（11）、第一气囊（211）、第二气囊（212）、第三气囊（213）和第四气囊（214）上均对应开设有穿线孔（112），所述后盖（11）的一侧对应设置有定滑轮（111），所述钢丝线（144）活动穿过穿线孔（112），且钢丝线（144）的一端连接在第四气囊（214）的一侧，且两者连接点在圆周面上均匀分布，所述第四气囊（214）与尾鳍（3）相互固定。

5.根据权利要求4所述的一种无人机避障的雷达和单目视觉传感器融合及悬挂机构，其特征在于：所述前后倾斜系统（2）还包括气泵（24），所述气泵（24）的出口端连接有第一换向阀（231），所述气泵（24）的进口端连接有第二换向阀（232），所述第一换向阀（231）的两个端口分别与第一气囊（211）和第二气囊（212）连接，所述第二换向阀（232）的两个端口分别连接有第三气囊（213）和第四气囊（214），所述气泵（24）的进口端与出口端之间还并联有两根换向管路，且两根换向管路上分别设置有第二阀门（251）和第五阀门（254），所述气泵（24）的出口端与第一换向阀（231）之间设置有第三阀门（252），所述气泵（24）的进口端与第二换向阀（232）之间设置有第四阀门（253）。

6.根据权利要求5所述的一种无人机避障的雷达和单目视觉传感器融合及悬挂机构，其特征在于：所述第二换向阀（232）与第一换向阀（231）通过各自的一个端口相连接，且连接处还设置有三通阀（255），所述三通阀（255）的一端与气泵（24）的进气端相连接。

7.根据权利要求6所述的一种无人机避障的雷达和单目视觉传感器融合及悬挂机构，其特征在于：所述气泵（24）的进气端还连接有第一阀门（121），所述第一阀门（121）的一端连接有储气罐（12）。

8.根据权利要求1所述的一种无人机避障的雷达和单目视觉传感器融合及悬挂机构，其特征在于：所述头部（1）的内部还设置有锚固装置（4），所述锚固装置（4）包括锚固绳（41）和配重块（42），所述锚固绳（41）盘形安装在罩壳（18）的内壁，所述罩壳（18）上开设有通孔，且配重块（42）的一端穿过通孔，所述配重块（42）的顶端呈锥形，所述配重块（42）的一侧安装有爆裂气囊（43），所述罩壳（18）内还设置有气体发生器（44），所述气体发生器（44）的内部安装有点火器（45），所述气体发生器（44）的出口位置与配重块（42）相接触，所述锚固绳（41）与头部（1）的连接端设置有切断装置。

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