CN112944287A - 一种具有主动光源的空中修补系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种具有主动光源的空中修补系统,其包括通过无线通信连接的地面人机协作系统、修补机和光源机三部分;地面人机协作系统包括控制中枢和力反馈手控器,控制中枢用于实时接收并显示修补机和光源机当前的状态信息、位置信息和周围环境信息,并通过视觉反馈的方式显示修补作业环境中障碍物的点云图;力反馈手控器通过控制中枢将操作员的操作信息反馈给修补机和光源机,并通过控制中枢接收修补机和光源机的操作反馈力;力反馈手控器切换对修补机和光源机的控制。本发明将无人机、机械臂和修补装置相结合,更容易达到特定的高危区域,适应更差的光照条件,且光源机和修补机二者可以协作工作,提升修补作业能力。
Description
技术领域
本发明涉及机器人和建筑修补领域,具体涉及一种具有主动光源的空中修补系统。
背景技术
建筑物表面修补是非常重要的建筑或设施维护手段,传统的建筑表面修补方式主要依赖人员前往建筑或者设施表面进行修补作业。但是,往往存在一些高危险的区域(例如大楼表面、风力发电机顶部等),人员难以到达并且可能存在一定的危险性。
随着国家和社会对建筑施工安全要求的提高,并且对建筑维护需求的日益增加,采用智能的机器和设备去替代人工从事高危区域的修补工作是必然趋势。随着机器人和无人机技术的普及与发展,无人机逐渐也从一个监控设备过渡为执行工具。开发空中修补系统一方面可以拓展无人机的潜能,另外又能切实解决建筑修补的需求。
发明内容
针对现有技术的不足,本发明提出一种具有主动光源的空中修补系统,该系统可以完成各种光照条件下的修补任务。
为了实现上述目的,本发明采用如下技术方案:
一种具有主动光源的空中修补系统,该系统包括通过无线通信连接的地面人机协作系统、修补机和光源机三部分;
所述修补机包括无人机一、机械臂一和修补装置,所述机械臂一和修补装置的一端均固连在无人机一上,所述机械臂一的另一端与修补装置的喷头连接;
所述光源机包括无人机二、机械臂二和光源,所述机械臂二一端固连在所述无人机二上,另一端固连所述光源,随着机械臂二的运动照射到指定的位置;
所述地面人机协作系统包括控制中枢和力反馈手控器,所述控制中枢用于实时接收并显示所述修补机和光源机当前的状态信息、位置信息和周围环境信息,并通过视觉反馈的方式显示修补作业环境中障碍物的点云图;所述力反馈手控器通过所述控制中枢将操作员的操作信息反馈给所述修补机和光源机,并通过所述控制中枢接收所述修补机和光源机的操作反馈力;所述力反馈手控器切换对所述修补机和光源机的控制,当选择其中之一作为被控对象时,另一个保持前一状态。
进一步地,所述力反馈手控器接收的操纵反馈力与被控对象和障碍物的距离正相关,即被控对象和障碍物的距离越近,则反馈力越大,反之,反馈力越小。
进一步地,所述力反馈手控器接收的操纵反馈力的计算公式如下:
其中,kf为比例系数;为梯度计算符号,表示相对空间坐标求梯度;us为静态势场函数值;ks为正实数;d1为地图栅格点重心到障碍物的距离;d*为最大影响距离,当距离超过该影响距离时,障碍物将不再影响栅格点;uuav为无人机周围势场函数值,kuav为正实数,d2为地图栅格点重心到无人机的距离;duav为无人机的最大影响距离,当距离超过duav时,无人机的周围势场值为0。
进一步地,所述无人机一和无人机二为多旋翼无人机,所述力反馈手控器提供空间三个自由度的平移和偏航方向的旋转的操纵自由度,以及空间三个平移方向的操纵力反馈。
进一步地,所述光源为带有集光罩的可变强度LED灯模块。
进一步地,所述修补装置包括通过导管连接的修补剂存储器和喷头,所述修补剂储存器安装在无人机上,喷头安装在机械臂末端。
本发明的有益效果如下:
(1)将无人机、机械臂和修补装置相结合,可以扩展现有建筑修补手段,相比于现有的人工以及地面修补方式,更容易达到一些特定的高危区域,从而是对现有手段的有力补充;
(2)将主动光源系统引入空中修补系统中,能够适应更差的光照条件,使得系统能够前往光照条件差的区域或者夜晚等条件下进行修补作业;
(3)通过地面人机协作系统操纵修补机和光源机,使得二者可以协作工作,提升了修补作业能力。
附图说明
图1为本发明实施例的空中修补系统组成示意图;
图2为本发明实施例的修补机组成示意图;
图3为本发明实施例的光源机组成示意图;
图中:1-地面人机协作系统;2-修补机;3-光源机;4-待修补区域;11-地面站电脑;12-力反馈手控器;21-无人机一;22-机械臂一;23-修补装置;31-无人机二;32-机械臂二;33-可变强度光源;231-修补剂储存装置;232-导管;233-喷头。
具体实施方式
下面根据附图和优选实施例详细描述本发明,本发明的目的和效果将变得更加明白,应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
如图1所示,本发明的具有主动光源的空中修补系统,包括通过无线通信连接的地面人机协作系统1、修补机2和光源机3三部分。光源机3用于探索和照明修补区域,在光源机3的辅助和地面操纵人员的操纵下,修补机2完成对待修补区域4的修补。
如图1所示,地面人机协作系统1由地面站电脑11和力反馈手控器12,其中地面站电脑11可以反馈给操纵人员修补机和光源机当前的状态信息和周围环境的信息,,并通过视觉反馈的方式将修补作业环境中障碍物的点云图显示出来,同时也实时显示出修补机和光源机二者的当前位置和状态。
力反馈手控器12通过地面站电脑11将操作员的操作信息反馈给修补机2和光源机3,并通过地面站电脑11接收修补机2和光源机3的操作反馈力。同一时刻,力反馈手控器12只控制一个对象,另一个对象则保持悬停,点击力反馈手控器12上预设的切换按钮,可以切换被控对象,切换后原来的控制对象的状态将变为悬停。力反馈手控器12可以提供四个自由度(包括空间三个自由度的平移和偏航方向的旋转)的操纵,同时还可以提供空间平移三个方向的操纵力反馈。
力反馈手控器12的操纵反馈力与障碍物的距离直接相关,距离越近,该方向上的反馈力越大,距离越远反馈力越小。所述障碍物既包括环境中的静态障碍物,又包括环境中的其他无人机,以修补机为例,对于修补机而言障碍物不但包括静态障碍物,还包括光源机,采用这种机制避免碰撞的发生。操纵反馈力的具体确定过程如下:
(1)建立环境静态障碍物地图
利用修补机2和光源机3上的传感器设备,采用SLAM技术对环境的障碍物进行建图,并将地图栅格化,以减小计算量,将结果发送至地面站电脑。
(2)获取环境中无人机的位置
修补场景中的修补机2和光源机3将自己的实时位置通过无线传输发送至地面站电脑11,地面站电脑11对修补机2和光源机3的方位信息进行记录,并储存至地图中。
(3)建立静态障碍物势函数地图
地面站电脑11利用收集到的栅格地图,建立势场地图,势场函数的表达式为
其中,us为静态势场函数值;ks为正实数;d1为栅格点重心到障碍物的距离;d*为最大影响距离,当距离超过该影响距离时,障碍物将不再影响栅格点。
4)计算无人机的周围势场
由于可以实时获取场景中无人机的位置,因此可以将收到的无人机的位置作为计算的输入,实时计算无人机的势场,无人机对势函数地图中栅格中心点的影响可以描述为
其中,uuav为无人机周围势场函数值;kuav为正实数;d2为栅格点重心到无人机的距离;duav为无人机的最大影响距离,当距离超过duav时,无人机的周围势场值为0。
5)计算操纵反馈力
操纵反馈力为一个矢量,可由下式求得:
修补机2包括无人机一21、机械臂一22和修补装置23,机械臂一22和修补装置23的一端均固连在无人机一21上。无人机一21为多旋翼无人机,如四旋翼、六旋翼、八旋翼或者其他数量的旋翼。机械臂一22可以是串联的,也可以是并联的,机械臂的自由度也可以是任意的。如图2所示,修补装置23包括修补剂储存装置231和喷头233,两者通过导管232连接。修补剂储存装置231安装于无人机一21的机身,导管232安装于机械臂一22的末端。
当修补机2执行修补任务且到达指定修补点时,通过操纵力反馈手控器12操纵修补机2的机械臂一22调整方位,以对准修补点,再按压力反馈手控器12上预设的修补喷涂按钮,修补剂储存装置231的电子阀门将会打开,修补剂沿着导管232从喷口喷出,喷出的修补剂将填补修补区域。
如图3所示,光源机3包括无人机二31、机械臂二32和可变强度光源33,无人机二31也为多旋翼无人机,可以是四旋翼、六旋翼、八旋翼或者其他数量的旋翼;机械臂二32也可以是串联的或并联的,机械臂的自由度也可以是任意的。可变强度光源33安装在机械臂二32的末端,通过控制机械臂二32的运动来控制照射区域。
本领域普通技术人员可以理解,以上所述仅为发明的优选实例而已,并不用于限制发明,尽管参照前述实例对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例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。凡在发明的精神和原则之内,所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种具有主动光源的空中修补系统,其特征在于,该系统包括通过无线通信连接的地面人机协作系统、修补机和光源机三部分;
所述修补机包括无人机一、机械臂一和修补装置,所述机械臂一和修补装置的一端均固连在无人机一上,所述机械臂一的另一端与修补装置的喷头连接;
所述光源机包括无人机二、机械臂二和光源,所述机械臂二一端固连在所述无人机二上,另一端固连所述光源,随着机械臂二的运动照射到指定的位置。
所述地面人机协作系统包括控制中枢和力反馈手控器,所述控制中枢用于实时接收并显示所述修补机和光源机当前的状态信息、位置信息和周围环境信息,并通过视觉反馈的方式显示修补作业环境中障碍物的点云图;所述力反馈手控器通过所述控制中枢将操作员的操作信息反馈给所述修补机和光源机,并通过所述控制中枢接收所述修补机和光源机的操作反馈力;所述力反馈手控器切换对所述修补机和光源机的控制,当选择其中之一作为被控对象时,另一个保持前一状态。
2.根据权利要求1所述的具有主动光源的空中修补系统,其特征在于,所述力反馈手控器接收的操纵反馈力与被控对象和障碍物的距离正相关,即被控对象和障碍物的距离越近,则反馈力越大,反之,反馈力越小。
4.根据权利要求1所述的具有主动光源的空中修补系统,其特征在于,所述无人机一和无人机二为多旋翼无人机,所述力反馈手控器提供空间三个自由度的平移和偏航方向的旋转的操纵自由度,以及空间三个平移方向的操纵力反馈。
5.根据权利要求1所述的具有主动光源的空中修补系统,其特征在于,所述光源为带有集光罩的可变强度LED灯模块。
6.根据权利要求1所述的具有主动光源的空中修补系统,其特征在于,所述修补装置包括通过导管连接的修补剂存储器和喷头,所述修补剂储存器安装在无人机上,喷头安装在机械臂末端。
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