CN111976973A - 一种视觉辅助清洗的无人机系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及无人机领域，公开了一种视觉辅助清洗的无人机系统，包括机身、机臂、电机、螺旋桨、起落架、供电模块、电子调速器、飞行控制器、飞行遥控器、视觉处理模块、清洗模块、地面监测站以及抗回冲力模块。本发明通过抗回冲力模块自动抵消清洗模块清洗时产生的回冲力，而且不需要额外计算回冲力的大小和方向，避免了由于回冲力的影响导致无人机无法正常清洗的情况，提高了清洗效率，而且整个系统结构简单，自动化程度高。
Description
技术领域
本发明涉及无人机领域，具体地，涉及一种视觉辅助清洗的无人机系统。
背景技术
处于高空中的装置如输电线路、绝缘子、玻璃等长期暴露在环境中，受到风吹、雨水冲刷、磁场等的作用，装置表面会积累大量的污染物，影响正常的工作和美观，可能造成意想不到的事故。在停电条件下需要人工登高手动擦拭清洗，这种方式有较高的人工成本，且工作人员的安全得不到保障。
近十年来，无人机广泛应用在电力巡检、灾害救援、包裹递送等领域，极大的方便了人们的生活，同时也为我们提供了新的解决问题的思路。然而，由于周围环境可能较为复杂，无人机在飞行过程中，可能会与障碍物发生碰撞，妨碍无人机的正常工作。随着计算机视觉的兴起，无人机搭载相机可以为其提供足够多的周围环境信息，增大了无人机的应用范围。
无人机在冲洗物体时，在喷出液体的同时也会受到水流回冲力的影响，这种回冲力很容易使无人机的姿态发生偏移，影响无人机的正常冲洗，严重时会导致无人机丧失稳定性，发生意想不到后果。
发明内容
本发明的目的是提供一种视觉辅助清洗的无人机系统，该无人机系统能够抵消清洗时产生的回冲力。
为了实现上述目的，本发明提供了一种视觉辅助清洗的无人机系统，包括：
机身；
机臂，所述机臂设置有多个，多个所述机臂均匀分布于机身的周围；
电机，所述电机设置于机臂远离机身的一端；
螺旋桨，所述螺旋桨设置于电机的输出轴上，所述电机带动螺旋桨转动用于驱动机身起落；
起落架，所述起落架有两个，分别分布于机身的两侧；
供电模块，其用于对所述无人机供电；
电子调速器，与电机相连接，用于调节电机的转速；
飞行控制器，其用于控制所述无人机飞行；
飞行遥控器，其用于控制所述飞行控制器从而控制所述无人机的飞行轨迹；
视觉处理模块，其用于收集所述无人机周围的环境信息以及清洗对象的脏污程度；
清洗模块，所述清洗模块设置于机身的下方，用于对所述清洗对象进行清洗；
抗回冲力模块，所述抗回冲力模块包括：
压电陶瓷，所述压电陶瓷设置于所述清洗模块上，当所述清洗模块对清洗对象进行清洗时，所述清洗模块对压电陶瓷产生会回冲力；
十字支架，所述十字支架的中心与所述清洗模块垂直设置；
小型电机，所述小型电机设置有四个，且四个小型电机分别设置于十字支架的四角，且每个小型电机的输出端均设置有小型旋翼；
变换电路，所述变换电路的输入端与压电陶瓷相连，所述变换电路的输出端与小型电机相连；
所述抗回冲力模块用于：
当所述清洗模块喷水时会对无人机产生回冲力，所述回冲力的方向为沿着所述清洗模块，指向与所述清洗模块喷洒方向相反，所述回冲力对压电陶瓷产生压电信号，所述压电信号作为控制信号，输入所述变换电路，所述变换电路产生脉冲调制PWM信号，调节四个小型电机转速，四个小型电机产生沿着所述清洗模块方向的推力，抵消回冲力的影响。
优选地，所述压电陶瓷在工作时满足关系式：
m＝kiF；
其中，m为压电信号，F为回冲力的大小，ki为压电系数；
所述脉冲调制PWM信号为：
ω＝f(m)；
其中，ω为PWM信号，f为变换电路函数；
所述小型电机根据PWM信号带动小型旋翼产生的推力为：
Fi＝g(ω),i＝1,2,3,4；
其中Fi为各个小型电机产生的力，g为PWM信号与推力的转换关系；各个小型电机产生的力Fi的合力与F的关系为：
优选地，所述视觉处理模块包括设置于机身顶部的机载计算机以及高清图传器、设置于机身周围的五个高清相机。
优选地，所述五个高清相机包括一个云台相机、两个单目相机、两个双目相机，其中所述云台相机设置在机身的前下方，所述两个单目相机分别安装在两个起落架前脚的相同位置处，所述两个双目相机分别设置在机身的左右两侧。
优选地，所述无人机系统还包括地面监测站，其用于观看所述无人机周围的环境信息。
优选地，所述清洗模块包括：
水箱，其设置有多个，用于盛放清洗溶液；
高压水泵，所述高压水泵的输入端通过水管与电磁阀和水箱连接；
喷杆，所述喷杆的一端设置有喷头，高压水泵的输出端通过水管与喷杆连接，喷洒时，清洗溶液由水管进入喷杆再从喷头喷出；
舵机，设置于机身上，与喷杆远离喷头的一端相连，用于控制喷杆的角度；
喷洒控制器，其用于控制舵机调节喷杆的角度、控制喷水的开始和结束以及切换工作水箱；
喷洒遥控器，其用于对喷洒控制器发送指令，从而控制舵机调节喷杆的角度、控制喷水的开始和结束以及切换工作水箱。
优选地，所述机身的底部设置有第三安装板，两个所述起落架之间设置有第四安装板，所述第三安装板与第四安装板之间通过多个支柱连接形成多个容置空间，所述容置空间用于容纳水箱。
优选地，所述水箱设置为四个，且四个水箱成X形分布，对角线方向的两个水箱用水管彼此连接在一起，所述水箱的进水口位于所述无人机的外侧。
优选地，所述机身的顶部设置有两层安装板，分别为第一安装板和第二安装板，所述两层安装板通过螺钉连接在一起并固定在机身上，多个所述机臂的一端设置于所述两层安装板之间。
优选地，所述供电模块包括设置于机身中部两侧电池槽内的电池。
本发明通过抗回冲力模块自动抵消清洗模块清洗时产生的回冲力，而且不需要额外计算回冲力的大小和方向，避免了由于回冲力的影响导致无人机无法正常清洗的情况，提高了清洗效率，而且整个系统结构简单，自动化程度高。
本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是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，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1示出了本发明的一实施方式的无人机系统结构示意图；
图2示出了本发明图1的仰视图；
图3示出了本发明图1的左视图；
图4示出了本发明的一实施方式的抗回冲力模块结构示意图；
图5示出了本发明的一实施方式抗回冲力模块的工作流程框图；
图6示出了本发明的一实施方式无人机系统的工作流程框图。
图中：
1、机身 2、机臂
3、电机 4、螺旋桨
5、起落架 6、压电陶瓷
7、十字支架 8、小型电机
9、小型旋翼 10、变换电路
11、机载计算机 12、水箱
13、高压水泵 14、喷杆
15、喷头 16、第三安装板
17、第四安装板 18、第一安装板
19、第二安装板 20、电池
21、保护罩
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
图1示出了本发明的一实施方式的无人机系统结构示意图；图2示出了本发明图1的仰视图；图3示出了本发明图1的左视图；请参照图1-3，本实施例公开了一种视觉辅助清洗的无人机系统，包括机身1、机臂2、电机3、螺旋桨4、起落架5、供电模块、电子调速器、飞行控制器、飞行遥控器、视觉处理模块、清洗模块、地面监测站以及抗回冲力模块。
其中，机身1采用碳纤维材料，质量轻，强度大。机臂2设置有多个，多个机臂2均匀分布于机身1的周围，电机3设置于机臂2远离机身1的一端，螺旋桨4设置于电机3的输出轴上，电机3带动螺旋桨4转动用于驱动机身1起落；机身1的顶部还设置有两层安装板，分别为第一安装板18和第二安装板19，两层安装板通过螺钉连接在一起并固定在机身1上，多个机臂2的一端设置于两层安装板之间。在本实施例中，机臂2可以设置8个，其由8根圆柱管组成，八根圆柱形管的根部均匀分布在一个圆周上，固定在两层安装板中间，采用八旋翼的结构设计可以为无人机提供足够大的升力，方便增加负载。此外，机臂2还可以使用可折叠的机械结构，由机臂2上的折叠扣和卡扣组成，可以减少无人机的存放体积，方便搬运。
起落架5有两个，分别分布于机身1的两侧，其可以在无人机降落时提供一个支撑力，供电模块用于对无人机供电，可以是设置于机身1中部两侧电池槽内的电池20，电池20优选为可充电锂电池，可循环使用。电子调速器与电机3相连接，用于调节电机3的转速，与电子调速器连接的线路可以设置在机臂2的圆柱形管内，这种结构可以减少线路所占的体积。飞行控制器用于控制无人机飞行；飞行遥控器用于控制飞行控制器从而控制无人机的飞行轨迹。
视觉处理模块用于收集无人机周围的环境信息以及清洗对象的脏污程度。该视觉处理模块可以包括设置于机身1顶部的机载计算机11以及高清图传器、设置于机身1周围的五个高清相机，五个高清相机构成立体视觉。在本实施例中机载计算机11可以设置在第一安装板18上，第一安装板18 的顶部设置有一个半球形的保护罩21，该保护罩21通过螺钉固定在第一安装板18上，保护罩21的作用是防止在无人机在喷洒过程中水雾进入机载计算机，造成损坏。高清图传器可以设置在第三安装板16上，五个高清相机包括一个云台相机、两个单目相机、两个双目相机，其中云台相机设置在机身1的前下方，具体的，可以设置在第二安装板19的前下方，两个单目相机分别安装在两个起落架5前脚的相同位置处，这两个单目相机为无人机的主要工作相机，两个单目相机构成一组双目相机，形成的基线较长，增大视觉测量范围，两个双目相机分别设置在机身1的左右两侧，具体的，可以安装在两个电池槽的外侧，是无人机的辅助相机，观察无人机左右两侧的环境。
清洗模块设置于机身1的下方，用于对清洗对象进行清洗。清洗模块包括水箱12、高压水泵13、喷杆14、舵机、喷洒控制器、喷洒遥控器。
其中设置水箱12设置有多个，用于盛放清洗溶液，水箱12内部不单单仅仅可以盛放一种清洗溶液，每个水箱可以盛放不同的溶液，以便适应不同的清洗环境及清洗对象。高压水泵13的输入端通过水管与电磁阀和水箱12 连接，喷杆14的一端设置有喷头15，高压水泵13的输出端通过水管与喷杆 14连接，喷洒时，清洗溶液由水管进入喷杆14再从喷头15喷出。在本实施例中，喷杆14的长度可以设置为1.5m，喷杆14可以设置为前半段(与喷头 15相连的一端)为管道，后半段为实心杆。其中高压水泵13采用三个高压水泵13并联，增强出水口的了工作压力，增大喷射距离。舵机设置于机身1 上，与喷杆14远离喷头15的一端相连，用于控制喷杆14的角度，喷洒控制器用于控制舵机调节喷杆的角度、控制喷水的开始和结束以及切换工作水箱12，喷洒遥控器用于对喷洒控制器发送指令，从而控制舵机调节喷杆的角度、控制喷水的开始和结束以及切换工作水箱12。其中水箱12的设置方式可以采用但不局限于以下设置方式：首先在机身1的底部第二安装板下方、两侧电池槽之间设置一个第三安装板16，通过螺钉与第二安装板19连接，在两个起落架5之间设置一个第四安装板17，第三安装板16与第四安装板 17之间通过多个支柱连接形成多个容置空间，支柱为碳纤维管，将多个水箱 12分别设置在对应的容置空间内部。在本实施例中，采用四个水箱12，可以采用四根支柱，使得支柱与起落架5之间形成四个容置空间，四个水箱12 分别放置于四个容置空间内部，通过螺钉固定在起落架5与支柱之间，四个水箱12呈X布局，对角西安方向的两个水箱12可以用水管连接在一起为一组，共两组，保证在水箱12载荷不平衡的情况下，飞行性能不受改变。此外两组水箱12内可以盛放两种不同的喷洒液体，水箱12的进水口设置在无人机的外侧，方便给水箱12加水。
清洗模块采用数字遥控方案，喷洒遥控器向清洗装置中的喷洒控制器发送指令，可以控制舵机调节喷杆的角度，可以控制喷水的开始和结束，可以切换工作水箱。
图4示出了本发明的一实施方式的抗回冲力模块结构示意图；请参照图 4，抗回冲力模块可以包括压电陶瓷6、十字支架7、小型电机8、变换电路 10。压电陶瓷6设置于清洗模块上，当清洗模块对清洗对象进行清洗时，清洗模块对压电陶瓷6产生会回冲力；十字支架7的中心与清洗模块垂直设置；小型电机8设置有四个，且四个小型电机8分别设置于十字支架7的四角，四个小型电机8共面，且每个小型电机8的输出端均设置有小型旋翼9；变换电路10的输入端与压电陶瓷6相连，变换电路10的输出端与小型电机8 相连。具体的，压电陶瓷6可以设置在喷杆14的管道的末端，十字支架7 的中心与喷杆14的实心杆末端垂直，喷洒时，喷杆14对压电陶瓷6产生回冲力。
图5示出了本发明的一实施方式抗回冲力模块的工作流程框图；请参照图5，抗回冲力模块的工作原理为：
当清洗模块喷水时会对无人机产生回冲力，回冲力的方向为沿着清洗模块，指向与清洗模块喷洒方向相反，回冲力对压电陶瓷6产生压电信号，压电信号作为控制信号，输入变换电路10，变换电路10产生脉冲调制PWM 信号，调节四个小型电机8转速，四个小型电机8产生沿着清洗模块方向的推力，抵消回冲力的影响。在本实施例中，回冲力的方向沿着喷杆14的方向，指向与喷头15的方向相反。
具体的，压电陶瓷6在工作时满足关系式：
m＝kiF；
其中，m为压电信号，F为回冲力的大小，ki为压电系数；
脉冲调制PWM信号为：
ω＝f(m)；
其中，ω为PWM信号，f为变换电路函数；
小型电机8根据PWM信号带动小型旋翼9产生的推力为：
Fi＝g(ω),i＝1,2,3,4；
其中Fi为各个小型电机产生8的力，g为PWM信号与推力的转换关系；各个小型电机产生8的力Fi的合力与F的关系为：
也就是说，最后的总合外力为零，无论产生的回冲力是随时间变化的还是固定值，抗回冲力模块都可以自动的抵消掉回冲力的影响。
地面监测站可以为笔记本电脑，其用于观看无人机周围的环境信息。
图6示出了本发明的一实施方式无人机系统的工作流程框图；请参照图 6，本实施例的无人机工作时，使用飞行遥控器将无人机运动到清洗对象附近，转动偏航角使得无人机前方对准清洗对象，保持悬停状态；使用清洗遥控器控制清洗模块，清洗遥控器可以控制出水的开始和结束，控制喷杆14 的喷洒角度，控制切换工作水箱12，使得水和清洗液交替对清对象进行冲洗；视觉处理模块负责收集周围环境的信息，高清相机将拍摄到的画片传到机载计算机11处理，计算出无人机距清洗对象的距离，同时将拍到的画面通过高清图传器传到地面监测站；地面监测站可以观看到无人机周围环境的信息，方便无人机在飞行过程中避开障碍物，保证安全飞行，还可以观察到清洗对象的干净程度，为下一步飞行遥控器和清洗遥控器操作提供信息。
本发明通过抗回冲力模块自动抵消清洗模块清洗时产生的回冲力，而且不需要额外计算回冲力的大小和方向，避免了由于回冲力的影响导致无人机无法正常清洗的情况，提高了清洗效率，而且整个系统结构简单，自动化程度高。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。
Claims (10)
1.一种视觉辅助清洗的无人机系统，其特征在于，包括：
机身(1)；
机臂(2)，所述机臂(2)设置有多个，多个所述机臂(2)均匀分布于机身(1)的周围；
电机(3)，所述电机(3)设置于机臂(2)远离机身(1)的一端；
螺旋桨(4)，所述螺旋桨(4)设置于电机(3)的输出轴上，所述电机(3)带动螺旋桨(4)转动用于驱动机身(1)起落；
起落架(5)，所述起落架(5)有两个，分别分布于机身(1)的两侧；
供电模块，其用于对所述无人机供电；
电子调速器，与电机(3)相连接，用于调节电机(3)的转速；
飞行控制器，其用于控制所述无人机飞行；
飞行遥控器，其用于控制所述飞行控制器从而控制所述无人机的飞行轨迹；
视觉处理模块，其用于收集所述无人机周围的环境信息以及清洗对象的脏污程度；
清洗模块，所述清洗模块设置于机身(1)的下方，用于对所述清洗对象进行清洗；
抗回冲力模块，所述抗回冲力模块包括：
压电陶瓷(6)，所述压电陶瓷(6)设置于所述清洗模块上，当所述清洗模块对清洗对象进行清洗时，所述清洗模块对压电陶瓷(6)产生会回冲力；
十字支架(7)，所述十字支架(7)的中心与所述清洗模块垂直设置；
小型电机(8)，所述小型电机(8)设置有四个，且四个小型电机(8)分别设置于十字支架(7)的四角，且每个小型电机(8)的输出端均设置有小型旋翼(9)；
变换电路(10)，所述变换电路(10)的输入端与压电陶瓷(6)相连，所述变换电路(10)的输出端与小型电机(8)相连；
所述抗回冲力模块用于：
当所述清洗模块喷水时会对无人机产生回冲力，所述回冲力的方向为沿着所述清洗模块，指向与所述清洗模块喷洒方向相反，所述回冲力对压电陶瓷(6)产生压电信号，所述压电信号作为控制信号，输入所述变换电路(10)，所述变换电路(10)产生脉冲调制PWM信号，调节四个小型电机(8)转速，四个小型电机(8)产生沿着所述清洗模块方向的推力，抵消回冲力的影响。
2.根据权利要求1所述的视觉辅助清洗的无人机系统，其特征在于，所述压电陶瓷(6)在工作时满足关系式：
m＝kiF；
其中，m为压电信号，F为回冲力的大小，ki为压电系数；
所述脉冲调制PWM信号为：
ω＝f(m)；
其中，ω为PWM信号，f为变换电路函数；
所述小型电机(8)根据PWM信号带动小型旋翼(9)产生的推力为：
Fi＝g(ω),i＝1,2,3,4；
其中Fi为各个小型电机产生(8)的力，g为PWM信号与推力的转换关系；
各个小型电机产生(8)的力Fi的合力与F的关系为：
3.根据权利要求1所述的视觉辅助清洗的无人机系统，其特征在于，所述视觉处理模块包括设置于机身(1)顶部的机载计算机(11)以及高清图传器、设置于机身(1)周围的五个高清相机。
4.根据权利要求3所述的视觉辅助清洗的无人机系统，其特征在于，所述五个高清相机包括一个云台相机、两个单目相机、两个双目相机，其中所述云台相机设置在机身(1)的前下方，所述两个单目相机分别安装在两个起落架(5)前脚的相同位置处，所述两个双目相机分别设置在机身(1)的左右两侧。
5.根据权利要求1所述的视觉辅助清洗的无人机系统，其特征在于，所述无人机系统还包括地面监测站，其用于观看所述无人机周围的环境信息。
6.根据权利要求1所述的视觉辅助清洗的无人机系统，其特征在于，所述清洗模块包括：
水箱(12)，其设置有多个，用于盛放清洗溶液；
高压水泵(13)，所述高压水泵(13)的输入端通过水管与电磁阀和水箱(12)连接；
喷杆(14)，所述喷杆(14)的一端设置有喷头(15)，高压水泵(13)的输出端通过水管与喷杆(14)连接，喷洒时，清洗溶液由水管进入喷杆(14)再从喷头(15)喷出；
舵机，设置于机身(1)上，与喷杆(14)远离喷头(15)的一端相连，用于控制喷杆(14)的角度；
喷洒控制器，其用于控制舵机调节喷杆的角度、控制喷水的开始和结束以及切换工作水箱(12)；
喷洒遥控器，其用于对喷洒控制器发送指令，从而控制舵机调节喷杆的角度、控制喷水的开始和结束以及切换工作水箱(12)。
7.根据权利要求6所述的视觉辅助清洗的无人机系统，其特征在于，所述机身(1)的底部设置有第三安装板(16)，两个所述起落架(5)之间设置有第四安装板(17)，所述第三安装板(16)与第四安装板(17)之间通过多个支柱连接形成多个容置空间，所述容置空间用于容纳水箱(12)。
8.根据权利要求7所述的视觉辅助清洗的无人机系统，其特征在于，所述水箱(12)设置为四个，且四个水箱(12)成X形分布，对角线方向的两个水箱(12)用水管彼此连接在一起，所述水箱(12)的进水口位于所述无人机的外侧。
9.根据权利要求1所述的视觉辅助清洗的无人机系统，其特征在于，所述机身(1)的顶部设置有两层安装板，分别为第一安装板(18)和第二安装板(19)，所述两层安装板通过螺钉连接在一起并固定在机身(1)上，多个所述机臂(2)的一端设置于所述两层安装板之间。
10.根据权利要求1所述的视觉辅助清洗的无人机系统，其特征在于，所述供电模块包括设置于机身(1)中部两侧电池槽内的电池(20)。
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|---|---|---|---|
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| CN111976973A true CN111976973A (zh) | 2020-11-24 |
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Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112373683A (zh) * | 2020-11-18 | 2021-02-19 | 国网安徽省电力有限公司检修分公司 | 一种视觉辅助清洗的无人机系统 |
| CN112835375A (zh) * | 2021-01-08 | 2021-05-25 | 中国科学技术大学 | 基于无人机的绝缘子清洗方法、系统、设备、存储介质 |
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-
2020
- 2020-09-01 CN CN202010904792.0A patent/CN111976973A/zh not_active Withdrawn
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |
Application publication date: 20201124 |
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| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |