CN112444211A - 一种无人机深孔测量系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及距离测量技术领域，特别涉及一种无人机深孔测量系统与方法，本发明基于激光测距仪的技术，对大型的深孔内径和高度进行测量，从而得到深孔的三维立体结构和体积。在测量过程中，可使用无人机旋翼飞行的方式让无人机平台进入深孔，在深孔轴向上飞行从而得到深孔内径和高度，避免人工进入深孔带来的危险，保证了人员的安全。并且采用设置在无人机平台旋翼上的非接触距离传感器对无人机的飞行轴向偏移进行计算后自动补偿，使得无人机平台尽量保持飞行在深孔轴向上，从而使测量的深孔内壁孔径更加准确。

Description

一种无人机深孔测量系统与方法

技术领域

本发明涉及距离测量技术领域，特别涉及一种无人机深孔测量系统与方法。

背景技术

对于电力基座塔基、桥梁建设、深度水井等施工常常需要根据工艺要求钻深孔，由于深孔可能在不同的深度阶段会要求有不同的尺寸规格，这类深孔的加工尺寸合格与否常常需要人工进入孔内进行测量。在测量过程中对于人员的安全、测量效率等都来了挑战和限制，因此开发一种具有自主测量能力的新型深孔测量方案具有积极的意义。

发明内容

本发明的目的在于改善现有技术中所存在的不足，提供一种无人机深孔测量系统与方法。

为了实现上述发明目的，本发明实施例提供了以下技术方案：

作为一种可实施方式，一种无人机深孔测量系统，包括：

第一处理器，用于控制第一激光测距仪发射第一激光束，以及第二激光测距仪发射第二激光束，并控制旋转电机进行匀速旋转；

第二处理器，用于获取第一激光测距仪发射的第一激光束所反射回来所使用的时间或第一激光测距仪至激光反射点的距离，以及第二激光测距仪发射的第二激光束反射回来所使用的时间或第二激光测距仪至激光反射点的距离，进而计算出深孔的内壁孔径和高度；

固定设置在旋转电机上的第一激光测距仪，用于发射第一激光束，使得第一激光束发射至深孔的内壁，并将第一激光束反射回来所使用的时间或第一激光测距仪至激光反射点的距离发送至所述第二处理器；

第二激光测距仪，设置于无人机平台的底部，用于垂直向深孔底端发射第二激光束，并将第二激光束反射回来所使用的时间或第二激光测距仪至激光反射点的距离发送至所述第二处理器；

旋转电机，用于带动第一激光测距仪进行匀速旋转，使得第一激光测距仪发射的第一激光束能扫过深孔的全周内壁；

无人机平台，用于搭载第一处理器、第二处理器、第一激光测距仪、第二激光测距仪以及旋转电机。

更进一步地，还包括：

至少四个非接触距离传感器，且等角度分布设置在无人机平台外侧，用于感应无人机平台与深孔内壁的距离。

更进一步地，所述无人机平台包括四旋翼，其中所述四个非接触距离传感器分别设置在四旋翼的支撑臂上。

优选的，所述非接触距离传感器为超声波测距传感器或激光测距传感器。

更进一步地，还包括：

无人机平台遥控端、图像采集装置、辅助照明系统，其中：

所述无人机平台遥控端用于远端控制无人机平台在深孔内飞行；

所述图像采集装置设置于无人机平台上，用于采集深孔内的环境图像，并通过无线通信模块将采集的环境图像上传至无人机平台遥控端；

所述辅助照明系统设置在无人机平台上，用于照亮图像采集装置采集的深孔内环境。

作为另一种可实施方式，一种无人机深孔测量系统，包括：

第一处理器，用于控制第一激光测距仪发射第一激光束，以及第二激光测距仪发射第二激光束，并控制旋转电机进行匀速旋转；

第二处理器，用于获取第一激光测距仪发射的第一激光束所反射回来所使用的时间或第一激光测距仪至激光反射点的距离，以及第二激光测距仪发射的第二激光束反射回来所使用的时间或第二激光测距仪至激光反射点的距离，进而计算出深孔的内壁孔径和高度；

第一激光测距仪，用于向固定设置在旋转电机上的反光镜发射第一激光束，使得第一激光束经过反光镜反射至深孔的内壁，并将第一激光束反射回来所使用的时间或第一激光测距仪至激光反射点的距离发送至第二处理器；

第二激光测距仪，设置于无人机平台的底部，用于垂直向深孔底端发射第二激光束，并将第二激光束反射回来所使用的时间或第二激光测距仪至激光反射点的距离发送至所述第二处理器；

旋转电机，用于带动反光镜进行匀速旋转，使得第一激光测距仪发射的第一激光束能扫过深孔的全周内壁；

无人机平台，用于搭载第一处理器、第二处理器、第一激光测距仪、第二激光测距仪以及旋转电机。

上述实施方式中，所述第一处理器、第二处理器为同一个处理器，或所述第一处理器、第二处理器、第三处理器为同一个处理器。为使处理器对其他器件的控制和数据获取、处理更加快速、便捷，可以将上述任一方案中提出的处理器都使用为同一个处理器。

本方案还提出一种无人机深孔测量方法，包括以下步骤：

步骤S1：无人机平台遥控端控制无人机平台在深孔轴线上飞行，无人机平台飞行至设定高度；第一处理器控制旋转电机进行匀速旋转，使得第一激光测距仪发射的第一激光束能扫过深孔的全周内壁，并且开启第二激光测距仪，使得第二激光测距仪垂直向深孔底端发射第二激光束；

步骤S2：第二处理器获取第一激光束反射回来所使用的时间或第一激光测距仪至激光反射点的距离，以及获取第二激光束反射回来所使用的时间或第二激光测距仪至激光反射点的距离；

步骤S3：第二处理器根据旋转电机的旋转速度和第一激光束反射回来所使用的时间或第一激光测距仪至激光反射点的距离，通过圆拟合的方式计算出第一激光束扫过的内壁孔径；并根据第二激光束反射回来所使用的时间或激光测距仪至激光反射点的距离，计算出深孔的高度；

步骤S4：无人机平台遥控端控制无人机平台下降至下一高度，重复执行步骤S1-步骤S3，完成全部设定高度的测量后，得到无人机平台下降的设定高度范围内深孔的三维立体结构和体积。

更进一步地，当无人机平台在深孔的轴线上飞行时，设置在无人机平台四旋翼的支撑臂上的四个非接触距离传感器同时测量与深孔内壁的距离；将四个非接触距离传感器测量的距离相互做差，当差值大于设定阈值时，无人机平台自动调整飞行的水平位置，使得无人机平台飞行在深孔轴线上。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明基于激光测距仪的技术，对大型的深孔内径和高度进行测量，从而得到深孔的三维立体结构和体积，在测量过程中，可使用无人机旋翼飞行的方式让无人机平台进入深孔，在深孔轴向上飞行从而得到深孔内径和高度，避免人工进入深孔带来的危险，保证了人员的安全。

并且采用设置在无人机平台旋翼上的非接触距离传感器对无人机的飞行轴向偏移进行计算后自动补偿，使得无人机平台尽量保持飞行在深孔轴向上，从而使测量的深孔内壁孔径更加准确。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例中对深孔进行测量的系统结构示意图；

图2为本发明实施例中无人机平台中的器件结构示意图；

图3为本发明实施例中加入反光镜的无人机平台中的器件结构示意图；

图4为本发明实施例中对深孔半径进行计算的角度示意图；

图5为本发明实施例中加入反光镜后对深孔半径进行计算的角度示意图。

主要元件符号说明

无人机平台100，非接触距离传感器200，第一激光测距仪1，第二激光测距仪2，旋转电机3，内壁4，反光镜5，第一激光束11，第二激光束22。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性，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。

实施例：

本发明通过下述技术方案实现，如图1、2所示，一种无人机深孔测量系统，包括无人机平台100，以及搭载在无人机平台100上的第一处理器、第二处理器、第一激光测距仪1、第二激光测距仪2、旋转电机3，所述无人机平台100在深孔轴线(深孔竖直方向上的中心线)上飞行。其中：

第一处理器，用于控制第一激光测距仪1发射第一激光束11，以及第二激光测距仪2发射第二激光束22，并控制旋转电机3进行匀速旋转。

第二处理器，用于获取第一激光测距仪1发射的第一激光束11反射回来所使用的时间或第一激光测距仪1至激光反射点的距离，以及第二激光测距仪2发射的第二激光束22反射回来所使用的时间或第二激光测距仪2至激光反射点的距离，进而计算出深孔的内壁孔径和高度。需要说明的是，根据激光测距仪的原理，激光测距仪发射的激光束到达障碍物后会反射回来，那么根据激光束反射回来的时间和激光束的光速，即可计算出激光测距仪与障碍物的距离，有的激光测距仪会得出激光束到达障碍物后反射回来所使用的时间，有的激光测距仪则会直接得出与障碍物的距离，比如这里所说的所述第一激光测距仪至激光反射点的距离实际上是指第一激光测距仪发射的第一激光束到达深孔内壁的距离，第二激光测距仪至反射点的距离实际上是指第二激光测距仪发射的第二激光束达到深孔底端的距离。

固定设置在旋转电机3上的第一激光测距仪1，用于发射第一激光束11，使得第一激光束11发射至深孔的内壁4，并将第一激光束11反射回来所使用的时间或第一激光测距仪至激光反射点的距离发送至所述第二处理器。

第二激光测距仪2，设置于无人机平台100的底部，用于垂直向深孔底端发射第二激光束22，并将第二激光束22反射回来所使用的时间或第二激光测距仪至激光反射点的距离发送至所述第二处理器。无人机平台100在下降的过程中，第二激光束22反射回来所使用的时间回越来越短，或第二激光测距仪至激光反射点的距离会越来越短，根据激光测距仪的工作原理可知，激光测距仪发射的激光束遇到障碍物后会反射回来，激光测距仪根据激光束反射回来的时间即可计算出与障碍物的距离。因此，根据第二激光束22反射回来所使用的时间或第二激光测距仪至激光反射点的距离，即可得到当前无人机平台100与深孔底端的距离。

旋转电机3，用于带动第一激光测距仪1进行匀速旋转，使得第一激光测距仪1发射的第一激光束11能扫过深孔的全周4内壁。旋转电机3带动第一激光测距仪1匀速旋转后，第二处理器获取第一激光束11反射回来所使用的时间或激光测距仪至第一激光反射点的距离，通过圆拟合的方式即可计算出当前第一激光束11扫过的深孔内壁4的孔径。

如图2所示，第一激光束11与水平方向和竖直方向都具有一定的夹角，即第一激光束11是倾斜照射在深孔内壁4上的，当测量到深孔的最底部时，由于第一激光束11有倾斜角度，则照射到深孔最低处后，第一激光束11反射回来的时候会迅速减小，那么此时则无人机平台100停止继续竖直向下的移动，避免无人机平台100在向下移动进行测量时，到达底部后还继续向下降，造成无人机平台100的损坏。

再参见图4，假设第一激光束与竖直方向的夹角为θ，第一激光束发射至内壁又反射回来的总时间为t，第一激光束的光速为c，那么可以计算出无人机平台在此高度处，第一激光束到达深孔内壁的距离a；得到距离a后，根据已知的夹角θ，即可计算出第一激光束的发射起点与深孔内壁的直线距离b，有：

a＝c×t/2 (1)

b＝a×sin(θ) (2)

如图1所示，可以使用无人机平台遥控端控制无人机平台100在深孔的轴线上运动，在理想情况下，所述无人机平台100位于深孔的中心点位置，同时第一激光测距仪发射第一激光束的起点也位于深孔的中心位置，则计算出来的距离b就是第一激光测距仪发射端所在高度的深孔内壁半径，即可得到深孔的内壁孔径。

无人机平台遥控端控制无人机平台下降至设定高度L1(无人机平台的下降高度是无人机平台与深孔底端的距离)，第一处理器控制旋转电机进行匀速旋转，使得第一激光测距仪发射的第一激光束能扫过深孔的全周内壁，在此高度L1处，深孔的内壁孔径为b1；继续控制无人机平台下降至高度L2(L2小于L1)，在此高度L2处，深孔的内壁孔径为b2；可以重复上述步骤，得到高度Ln处的深孔内壁孔径bn。进而，根据高度L1到Ln的距离，以及L1到Ln这个高度范围内的深孔内壁孔径，即可计算出L1到Ln的高度范围内，深孔的三维立体结构和体积。

由于无人机平台在深孔内飞行时，需要人员使用无人机平台遥控端对其升降飞行进行控制，为更方便的对无人机平台进行控制，可以在无人机平台上设置图像采集装置和辅助照明系统。所述图像采集装置用于采集深孔内的环境图像，并通过无线通信模块将采集的环境图像上传至无人机平台遥控端，所述辅助照明装置用于照亮图像采集装置采集的深孔内环境，便于图像采集装置采集的环境图像清晰明亮。

作为另一种可实施方式，如图3所示，在所述旋转电机3上固定设置一个与水平方向倾斜的反光镜5，所述第一激光测距仪1发射的第一激光束11与竖直方向平行，第一激光测距仪1向设置在旋转电机3上的反光镜5发射第一激光束11，使得第一激光束11经过反光镜5后倾斜反射至深孔的内壁4，相当于在如图5所示的0点处设置了一个反光镜5。

在测量时，如图5所示，假设第一激光束经过反光镜后与竖直方向的夹角为θ，第一激光束发射至内壁又反射回来的总时间为t，第一激光束的光速为c，第一激光测距仪的发射端与反光镜的距离为L，那么可以计算出无人机平台在此高度处，第一激光束从反光镜到达深孔内壁的距离a；得到距离a后，根据已知的夹角θ，即可计算出第一激光束的发射起点与深孔内壁的直线距离b，有：

a＝c×t/2-L (3)

b＝a×sin(θ) (4)

这样设置的好处是，若第一激光测距仪与无人机平台共用一个电池电源，不旋转第一激光测距仪的话，则可以避免线路缠绕。当然，上一实施方式中旋转的第一激光测距仪可以单独使用一个电池电源供电，这样也可以避免线路缠绕。其余部分与上一实施方式相同，固不再赘述。

更进一步地，在理想情况下，所述无人机平台遥控端控制无人机平台在深孔轴线上飞行时，不能完全准确的控制无人机平台在轴线上飞行，可能会存在偏移。因此，将无人机平台设计为四旋翼的无人机，在无人机平台上至少设置四个非接触距离传感器200(四的整数倍)，均分设置在四旋翼的支撑臂上，用于测量所设旋翼与内壁之间的距离。

然后将四个非接触距离传感器测量的距离相互做差，比如测量的距离分别为D1、D2、D3、D4，设定阈值为D，将D1-D2、D2-D3、D3-D4、D4-D1、D1-D3等进行相互做差，若差值大于设定阈值D，则说明某个非接触距离传感器设置的旋翼与内壁的距离过小或过大，则无人机平台自动调整飞行的水平位置，使得无人机平台尽量飞行在深孔轴线上，从而使测量的深孔内壁孔径更加准确。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种无人机深孔测量系统，其特征在于：包括：

第一处理器，用于控制第一激光测距仪发射第一激光束，以及第二激光测距仪发射第二激光束，并控制旋转电机进行匀速旋转；

第二处理器，用于获取第一激光测距仪发射的第一激光束所反射回来所使用的时间或第一激光测距仪至激光反射点的距离，以及第二激光测距仪发射的第二激光束反射回来所使用的时间或第二激光测距仪至激光反射点的距离，进而计算出深孔的内壁孔径和高度；

固定设置在旋转电机上的第一激光测距仪，用于发射第一激光束，使得第一激光束发射至深孔的内壁，并将第一激光束反射回来所使用的时间或第一激光测距仪至激光反射点的距离发送至所述第二处理器；

第二激光测距仪，设置于无人机平台的底部，用于垂直向深孔底端发射第二激光束，并将第二激光束反射回来所使用的时间或第二激光测距仪至激光反射点的距离发送至所述第二处理器；

旋转电机，用于带动第一激光测距仪进行匀速旋转，使得第一激光测距仪发射的第一激光束能扫过深孔的全周内壁；

无人机平台，用于搭载第一处理器、第二处理器、第一激光测距仪、第二激光测距仪以及旋转电机。

2.根据权利要求1所述的一种无人机深孔测量系统，其特征在于：还包括：

至少四个非接触距离传感器，且等角度分布设置在无人机平台外侧，用于感应无人机平台与深孔内壁的距离。

3.根据权利要求2所述的一种无人机深孔测量系统，其特征在于：所述无人机平台包括四旋翼，其中所述四个非接触距离传感器分别设置在四旋翼的支撑臂上。

4.根据权利要求3所述的一种无人机深孔测量系统，其特征在于：所述非接触距离传感器为超声波测距传感器或激光测距传感器。

5.根据权利要求1-4任一项所述的一种无人机深孔测量系统，其特征在于：还包括：

无人机平台遥控端、图像采集装置、辅助照明系统，其中：

所述无人机平台遥控端用于远端控制无人机平台在深孔内飞行；

所述图像采集装置设置于无人机平台上，用于采集深孔内的环境图像，并通过无线通信模块将采集的环境图像上传至无人机平台遥控端；

所述辅助照明系统设置在无人机平台上，用于照亮图像采集装置采集的深孔内环境。

6.一种无人机深孔测量系统，其特征在于：包括：

第一处理器，用于控制第一激光测距仪发射第一激光束，以及第二激光测距仪发射第二激光束，并控制旋转电机进行匀速旋转；

第二处理器，用于获取第一激光测距仪发射的第一激光束所反射回来所使用的时间或第一激光测距仪至激光反射点的距离，以及第二激光测距仪发射的第二激光束反射回来所使用的时间或第二激光测距仪至激光反射点的距离，进而计算出深孔的内壁孔径和高度；

第一激光测距仪，用于向固定设置在旋转电机上的反光镜发射第一激光束，使得第一激光束经过反光镜反射至深孔的内壁，并将第一激光束反射回来所使用的时间或第一激光测距仪至激光反射点的距离发送至第二处理器；

第二激光测距仪，设置于无人机平台的底部，用于垂直向深孔底端发射第二激光束，并将第二激光束反射回来所使用的时间或第二激光测距仪至激光反射点的距离发送至所述第二处理器；

旋转电机，用于带动反光镜进行匀速旋转，使得第一激光测距仪发射的第一激光束能扫过深孔的全周内壁；

无人机平台，用于搭载第一处理器、第二处理器、第一激光测距仪、第二激光测距仪以及旋转电机。

7.一种无人机深孔测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤S1：无人机平台遥控端控制无人机平台在深孔轴线上飞行，无人机平台飞行至设定高度；第一处理器控制旋转电机进行匀速旋转，使得第一激光测距仪发射的第一激光束能扫过深孔的全周内壁，并且开启第二激光测距仪，使得第二激光测距仪垂直向深孔底端发射第二激光束；

步骤S2：第二处理器获取第一激光束反射回来所使用的时间或第一激光测距仪至激光反射点的距离，以及获取第二激光束反射回来所使用的时间或第二激光测距仪至激光反射点的距离；

步骤S3：第二处理器根据旋转电机的旋转速度和第一激光束反射回来所使用的时间或第一激光测距仪至激光反射点的距离，通过圆拟合的方式计算出第一激光束扫过的内壁孔径；并根据第二激光束反射回来所使用的时间或激光测距仪至激光反射点的距离，计算出深孔的高度；

步骤S4：无人机平台遥控端控制无人机平台下降至下一高度，重复执行步骤S1-步骤S3，完成全部设定高度的测量后，得到无人机平台下降的设定高度范围内深孔的三维立体结构和体积。

8.根据权利要求7所述的一种无人机深孔测量方法，其特征在于：当无人机平台在深孔的轴线上飞行时，设置在无人机平台四旋翼的支撑臂上的四个非接触距离传感器同时测量与深孔内壁的距离；将四个非接触距离传感器测量的距离相互做差，当差值大于设定阈值时，无人机平台自动调整飞行的水平位置，使得无人机平台飞行在深孔轴线上。

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