CN111114780A - 一种无人机钢筋检测标准件放置与回收系统及方法 - Google Patents

Abstract

本公开公开一种无人机钢筋检测标准件放置与回收系统及方法，包括无人机用于通过绳索机构牵引标准件下降，通过压力传感器和激光测距传感器计算绳索伸出的长度，绳索长度到达指定长度时，无人机通过定位信息计算偏移控制量，将偏移控制量传输到标准件，标准件对自身位置进行调整，直到标准件着陆；无人机用于通过绳索机构牵引标准件上升，直到标准件上升到指定高度，标准件启动红外发射装置，利用无人机的红接收装置的红外接收强度，判断标准件相对于无人机的距离和位置，直到无人机红外接收强度达到阈值，启动固定机构将标准件夹持在无人机上，完成标准件的归位。实现无人机对标准件的精确定位，实现监理检测的无人化，增加测量的精度与可靠性。

Description

一种无人机钢筋检测标准件放置与回收系统及方法

技术领域

本公开涉及建筑监理技术领域，特别是涉及一种无人机钢筋检测标准件放置与回收系统及方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

目前建筑施工监理项目中需要对施工场地的钢筋种类和规格进行抽查，通常需要人工携带测量工具进行现场检测，需要大量的人力，且效率低下，由此出现了一种基于无人机的空中巡检系统，由无人机搭载视觉系统，飞往待测场地的上方，拍摄下方钢筋图像，利用图像识别算法提取钢筋特征，计算钢筋规格，依据类型对钢筋进行分类。由于无人机巡检系统的检测是基于计算机视觉识别和提取钢筋的特征，获得钢筋实际参数，图像识别需要尺度标准的换算变成实际尺寸。无人机在计算图像需要知道无人机飞行精确高度，然后根据高度与图像的数据来推算钢筋的间距或者直径，但是往往实际飞行中由于传感器或干扰等原因无法获取精确的高度数据，导致钢筋识别精度比较低。故在无人机检测的区域内需要放置标准件，用来做尺度对照，基于此种情况，设计一种无人机自主投放标准件的装置与方法非常有必要，实现钢筋的监理检测无人化更进一步；运用多种传感器的信息融合实现无人机与标准件的互相配合，投放在预定的位置。

发明内容

为了解决上述问题，本公开提出了一种无人机钢筋检测标准件放置与回收系统及方法，采用无人机搭载标准件，通过无人机与标准件对定位信息的交互，实现自动投放标准件，且自动定位与调整标准件位置，实现监理检测的无人化，增加测量的精度与可靠性。

为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：

第一方面，本公开提供一种无人机钢筋检测标准件放置与回收系统，包括：无人机、标准件、绳索机构和固定机构；

所述绳索机构和固定机构均位于无人机上，所述绳索机构包括压力传感器和激光测距传感器；

所述标准件安装至少两个红外发射装置，所述无人机上安装与红外发射装置相对应的红外接收装置；

所述无人机用于通过绳索机构牵引标准件下降，通过压力传感器和激光测距传感器计算绳索伸出的长度，绳索长度到达指定长度时，所述无人机对标准件进行定位，通过定位信息计算偏移控制量，将偏移控制量传输到标准件，所述标准件接收偏移控制量对自身位置进行调整，直到标准件着陆；

所述无人机用于通过绳索机构牵引标准件上升，直到标准件上升到指定高度，标准件启动红外发射装置，利用无人机的红接收装置的红外接收强度，判断标准件相对于无人机的距离和位置，直到无人机红外接收强度达到阈值，启动固定机构将标准件夹持在无人机上，完成标准件的归位。

作为可能的一些实现方式，所述绳索机构还包括伸缩装置，所述伸缩装置上安装有绳索，用于无人机松开固定机构下放或回收标准件时，通过绳索的伸缩牵引标准件的上升和下降；所述压力传感器和激光测距传感器分别用于检测绳索卷曲压力和卷曲厚度，以此计算绳索伸出的长度。

作为可能的一些实现方式，所述标准件在对角位置安装红外发射装置，无人机在相对应的位置上安装红外接收装置，所述红外发射装置和红外接收装置用于辅助检测标准件是否回到无人机下方固定位置，与绳索机构同时作用于标准件的归位。

作为可能的一些实现方式，标准件安装有惯性导航传感器，用于自稳控制；在标准件的底部安装超声波传感器，用于检测落地的状态和距地面的距离。

作为可能的一些实现方式，标准件的畸变和偏移量通过位姿估算进行矫正，标准件利用惯性导航传感器，采集位姿信息发送到无人机，结合无人机识别标准件上标志板的畸变程度进行估算。

作为可能的一些实现方式，标准件着陆后，检查自身的姿态是否在预设的范围内，如果超出预设范围，通知无人机启动绳索机构，将标准件上升预设高度后，再次执行着陆过程，所述姿态包括俯仰角和横滚角。

第二方面，本公开提供一种无人机钢筋检测标准件放置方法，包括：

控制无人机到达待检测位置后悬停，运行自检程序，检测无人机绳索机构运行正常及标准件数据正常；

启动放置程序，松开固定机构，绳索机构下放绳索，在下放过程中不断检测绳索卷曲厚度和卷曲压力，以此推算绳索的伸出长度；

当绳索伸出到指定长度后，标准件上的标志进入无人机摄像头视野范围内，通过无人机摄像头对标准件进行定位，控制标准件始终位于无人机视野中心，将通过定位信息计算得到的偏移控制量传输给标准件，标准件采用串级PID控制对自身位置进行调整，通过螺旋桨维持平衡；

标准件稳定于无人机视野中心时，通过标准件上的加速度计信息计算下降速度，反馈至无人机控制绳索的下降速度，使得绳索不断下降；

标准件通过惯性导航传感器和超声波传感器判断是否着陆，着陆后，螺旋桨停止转动，标准件检查自身的姿态是否在预设的范围内，如果超出预设范围，通知无人机启动绳索机构，将标准件上升预设高度后，再次执行着陆过程。

第三方面，本公开提供一种无人机钢筋检测标准件回收方法，包括：

无人机完成拍摄后，发送回收信息至标准件，标准件螺旋桨开启，开启自稳模式；

无人机启动绳索机构，收紧绳索牵引标准件上升，同时利用无人机摄像头控制标准件相对于无人机的水平位置；

标准件上升到指定高度后，无人机摄像头视野丢失标准件标志时，标准件启动红外发射装置，利用无人机的红接收装置的红外接收强度，判断标准件相对于无人机的距离和位置；

同时收紧绳索，直到无人机红外接收强度达到阈值，启动固定机构将标准件夹持在无人机上，标准件螺旋桨停止工作，完成标准件的归位。

与现有技术相比，本公开的有益效果为：

采用无人机作为视觉系统的载体，搭载标准件，二者采用可伸缩线缆连接，结合固定机构，实现对标准件的收放；

无人机与标准件之间通过无线通信模块实现对定位信息的交互，标准件可实现自动调整位姿数据，精确的投放在指定位置，实现自动投放；

通过多种传感器、红外发射装置等，实现无人机对标准件的精确定位，实现监理检测的无人化，增加测量的精度与可靠性。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1为本公开系统总体示意图；

图2和图3为绳索机构示意图；

图4为固定机构的夹紧和松开示意图；

图5为无人机和标准件的红外发射和接收装置示意图；

图6为标准件结构示意图；

图7为标准件放置过程效果图；

其中，1、无人机；2、标准件；3、绳索机构和固定机构；4、夹取装置；5、固定卡扣；6、绳索；7、绳索伸缩装置；8、摄像头；9、红外发射装置；10、标志板；11、螺旋桨；12、控制器电路；13、超声波传感器；14、无线通信模块；15、第二固定卡扣；16红外接收装置；17、压力传感器、18、伸缩装置；19、激光测距传感器。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本公开做进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

实施例1

针对无人机视觉钢筋监理系统，由于无人机高度数据无法精确获得，导致难以保证钢筋计算的视觉识别测量需要对比参照物让测量结果更加准确，提出一种自动收放标准件系统，增加测量的精度与可靠性。

一种无人机钢筋检测标准件放置与回收系统，包括：无人机1、标准件2、绳索机构和固定机构；

所述绳索机构和固定机构均位于无人机上，无人机1和标准件2通过绳索6连接，绳索6通过绳索结构可实现伸缩；

所述绳索机构包括伸缩装置7、压力传感器17和激光测距传感器19，所述伸缩装置7类似于卷尺的结构，其上安装有绳索6，用于无人机松开固定机构下放或回收标准件时，通过绳索6的伸缩牵引标准件2的上升和下降；所述压力传感器17和激光测距传感器19分别用于检测绳索6卷曲压力和卷曲厚度，以此计算绳索6伸出的长度。

所述固定机构包括夹取装置4和固定卡扣5，固定标准件时，通过夹取装置4对标准件进行夹持，通过固定卡扣5将标准件固定在无人机上；释放标准件时，固定卡扣5打开，夹取装置4释放标准件；标准件上安装有与固定卡扣相对应的第二固定卡扣15。

所述标准件安装至少两个红外发射装置9，所述无人机上安装与红外发射装置相对应的红外接收装置16；用于辅助检测标准件是否回到无人机下方固定位置(不同的距离红外接收强度不同)，与绳索机构同时作用保证标准件归位的可靠性。

标准件四周有四个小型螺旋桨11，主要用来保持标准件的水平；

标准件上面装有惯性导航传感器(IMU)与控制器电路12组成自稳控制系统；

在标准件上搭载一个无线通信模块14保持与无人机的通信；

在标准件的底部装有一个超声波传感器13，用来检测落地的状态和距离地面的距离。

在下放标准件的过程中，无人机松开固定机构，通过绳索机构牵引标准件下降，通过压力传感器和激光测距传感器计算绳索伸出的长度，绳索长度到达指定长度时，控制标准件启动自身旋翼维持自身平衡，标准件含有标志的那一面向上，开启无人机下方的摄像头，开始对标志进行识别和定位；在本实施例中，绳索长度达到30cm时，无人机开启摄像头标志识别，搜索标准件上的标志，开始对其定位；

无人机通过定位信息计算偏移控制量，将偏移控制量传输到标准件，形成一个位置控制闭环，标准件接收偏移控制量对自身位置进行调整，利用标准件上的四个旋翼调整标准件的位置，使得标准件始终位于无人机视野的中心一定范围内；

在保持标准件在视野范围的过程中，同时将绳索放出，以一定的速度下降，直到标准件落地；

落地后，标准件搭载的IMU检测纵向加速度计与超声波的信息综合判定是否着陆，通过判断超声波高度信息的波形趋于稳定和处在一个非常小的值(2cm以内波动)和加速度计的纵向加速度(z轴)在一定的值之内；

判断着陆后，标准件发送信息至无人机，无人机调整绳索机构，使得绳子呈现一种松弛状态，留有一定裕度，因为无人机飞行高度会有浮动，为了保证地面的标准件在地面的稳定；

在着陆成功后，标准件检查自身的姿态，即俯仰角和横滚角，是否在+-5度之内，如果超出范围，通知无人机收紧绳索，将标准件拉起20cm，再次执行着陆过程。

标准件在地面相对于无人机的位置只要在摄像头视野内即可，相应的畸变和偏移量通过位姿估算进行矫正，不影响后续的计算工作。其中标准件自身有IMU，位姿信息(pitch、roll、yaw角度)传送至无人机，结合无人机摄像头标志识别后的标准件上矩形标志的畸变程度进行测算。

无人机完成拍摄任务后，通过绳索机构牵引标准件上升，直到标准件上升到指定高度(距离无人机30cm之内)，标准件启动红外发射装置，利用无人机的红接收装置的红外接收强度，判断标准件相对于无人机的距离和位置，直到无人机红外接收强度达到阈值，启动固定机构将标准件夹持在无人机上，完成标准件的归位。

实施例2，一种无人机钢筋检测标准件放置方法，包括：

(1)无人机飞往待检测地点，到达检测位置后，悬停；

(2)运行自检程序，检测无人机绳索机构传感器运行正常及标准件控制器和传感器数据正常；

(3)启动下放程序，固定机构松开，绳索机构开始运行，下放绳索，在下放过程中不断检测绳索卷曲厚度和卷曲压力来推算伸出长度；

(4)当绳索伸出30cm后，标准件上的标志进入无人机摄像头视野进行定位识别，如果由于位置移动等原因，机载摄像头视野中找不到标准件的标志，继续将绳索伸长，直到检测到标准件标志，由于无人机运行时的风场向下且有绳子提供垂直拉力，所以标准件的螺旋桨开启只是为了维持标准件的水平平衡和调整位置，即动力较小，不提供标准件上升的升力；通过无人机摄像头对标准件的定位，控制标准件始终位于无人机视野中心，标准件使用串级PID控制方法维持位置与平衡；

(5)在标准件稳定于无人机视野中心时，绳索不断下放，通过标准件上IMU内部集成的加速度计信息计算下降速度，反馈至无人机端控制绳索以10cm/s的速度下放；

(6)落地后，标准件通过IMU检测加速度计的纵向加速度与超声波传感器的高度信息判定是否着陆，超声波传感器高度信息的波形趋于稳定以及处在一个非常小的值，加速度计的纵向加速度在一定范围内(趋于0G，在0.005G之内，G为重力加速度)；

(7)判断着陆后，标准件螺旋桨停止转动，标准件发送信息至无人机，无人机调整绳索机构，使得绳子呈现一种松弛状态，留有一定裕度，因为无人机飞行高度会有浮动，为了保证地面的标准件在地面的稳定；

(8)在着陆成功后，标准件检查自身的姿态，即俯仰角和横滚角，是否在+-5度之内，如果超出范围，通知无人机收紧绳索，将标准件拉起20cm，再次执行着陆过程。

实施例3，一种无人机钢筋检测标准件回收方法，包括：

(1)完成拍摄任务后，无人机通过无线发送回收信息通知标准件准备回收；

(2)标准件螺旋桨开启，开启自稳模式；

(3)无人机开始收紧绳索，以10cm/s的速度收紧，拉标准件上升，同时利用无人机下方摄像头控制标准件相对于无人机的水平位置；

(4)标准件上升到指定高度后，无人机摄像头视野丢失标准件标志，开启红外接收装置进行识别标准件，标准件上的红外发射装置开始工作；

(5)利用红外接收装置的红外接收强度判断标准件的相对距离与位置，同时慢慢收紧绳索，使得标准件归位，此时无人机红外接收强度达到阈值(发射器与接收器距离越近信号越强)；预先设定强度阈值，达到强度就说明标准件回到相应位置；

(6)固定机构开始工作，完成对标准件的固定，将标准件夹持在无人机上，标准件螺旋桨停止工作，完成回收。

以上仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种无人机钢筋检测标准件放置与回收系统，其特征在于，包括：无人机、标准件、绳索机构和固定机构；

所述绳索机构和固定机构均位于无人机上，所述绳索机构包括压力传感器和激光测距传感器；

所述标准件安装至少两个红外发射装置，所述无人机上安装与红外发射装置相对应的红外接收装置；

所述无人机用于通过绳索机构牵引标准件下降，通过压力传感器和激光测距传感器计算绳索伸出的长度，绳索长度到达指定长度时，所述无人机对标准件进行定位，通过定位信息计算偏移控制量，将偏移控制量传输到标准件，所述标准件接收偏移控制量对自身位置进行调整，直到标准件着陆；

所述无人机用于通过绳索机构牵引标准件上升，直到标准件上升到指定高度，标准件启动红外发射装置，利用无人机的红接收装置的红外接收强度，判断标准件相对于无人机的距离和位置，直到无人机红外接收强度达到阈值，启动固定机构将标准件夹持在无人机上，完成标准件的归位。

2.如权利要求1所述的一种无人机钢筋检测标准件放置与回收系统，其特征在于，

所述绳索机构还包括伸缩装置，所述伸缩装置上安装有绳索，用于无人机松开固定机构下放或回收标准件时，通过绳索的伸缩牵引标准件的上升和下降；所述压力传感器和激光测距传感器分别用于检测绳索卷曲压力和卷曲厚度，以此计算绳索伸出的长度。

3.如权利要求1所述的一种无人机钢筋检测标准件放置与回收系统，其特征在于，

所述标准件在对角位置安装红外发射装置，无人机在相对应的位置上安装红外接收装置，所述红外发射装置和红外接收装置用于辅助检测标准件是否回到无人机下方固定位置，与绳索机构同时作用于标准件的归位。

4.如权利要求1所述的一种无人机钢筋检测标准件放置与回收系统，其特征在于，

所述标准件安装有惯性导航传感器，用于自稳控制；在标准件的底部安装超声波传感器，用于检测落地的状态和距地面的距离。

5.如权利要求4所述的一种无人机钢筋检测标准件放置与回收系统，其特征在于，

所述标准件的畸变和偏移量通过位姿估算进行矫正，标准件利用惯性导航传感器，采集位姿信息发送到无人机，结合无人机识别标准件上标志板的畸变程度进行估算。

6.如权利要求1所述的一种无人机钢筋检测标准件放置与回收系统，其特征在于，

所述标准件着陆后，检查自身的姿态是否在预设的范围内，如果超出预设范围，通知无人机启动绳索机构，将标准件上升预设高度后，再次执行着陆过程，所述姿态包括俯仰角和横滚角。

7.如权利要求1所述的一种无人机钢筋检测标准件放置与回收系统，其特征在于，

所述标准件四周安装四个小型螺旋桨，用于保持标准件的水平。

8.如权利要求1所述的一种无人机钢筋检测标准件放置与回收系统，其特征在于，

所述标准件安装无线通信模块，所述无线通信模块用于与无人机的通信。

9.一种无人机钢筋检测标准件放置方法，其特征在于，包括：

控制无人机到达待检测位置后悬停，运行自检程序，检测无人机绳索机构运行正常及标准件数据正常；

启动放置程序，松开固定机构，绳索机构下放绳索，在下放过程中不断检测绳索卷曲厚度和卷曲压力，以此推算绳索的伸出长度；

当绳索伸出到指定长度后，标准件上的标志进入无人机摄像头视野范围内，通过无人机摄像头对标准件进行定位，控制标准件始终位于无人机视野中心，将通过定位信息计算得到的偏移控制量传输给标准件，标准件采用串级PID控制对自身位置进行调整，通过螺旋桨维持平衡；

标准件稳定于无人机视野中心时，通过标准件上的加速度计信息计算下降速度，反馈至无人机控制绳索的下降速度，使得绳索不断下降；

标准件通过惯性导航传感器和超声波传感器判断是否着陆，着陆后，螺旋桨停止转动，标准件检查自身的姿态是否在预设的范围内，如果超出预设范围，通知无人机启动绳索机构，将标准件上升预设高度后，再次执行着陆过程。

10.一种无人机钢筋检测标准件回收方法，其特征在于，包括：

无人机完成拍摄后，发送回收信息至标准件，标准件螺旋桨开启，开启自稳模式；

无人机启动绳索机构，收紧绳索牵引标准件上升，同时利用无人机摄像头控制标准件相对于无人机的水平位置；

标准件上升到指定高度后，无人机摄像头视野丢失标准件标志时，标准件启动红外发射装置，利用无人机的红接收装置的红外接收强度，判断标准件相对于无人机的距离和位置；

同时收紧绳索，直到无人机红外接收强度达到阈值，启动固定机构将标准件夹持在无人机上，标准件螺旋桨停止工作，完成标准件的归位。

Images