CN113212732A - 一种用于管道监测的可伸缩折叠式无人机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无人机监测管道领域，公开了一种用于管道监测的可伸缩折叠式无人机，包括无人机本体、无人机控制模块和上位机模块；无人机本体侧壁固定连接有多组能够伸缩和折叠的飞行机构，无人机本体底壁固定连接有多组能够折叠的行走机构，无人机本体中部转动连接有旋转机构，无人机本体固定连接有传感机构，传感机构能够获取管道内图像及管道腐蚀或破裂的数据信息，并发送数据信息；无人机控制模块与无人机本体信号连接，无人机控制模块控制无人机本体进出被检测管道；上位机模块与无人机本体信号连接，上位机接收数据信息，并重构出被检测管道的整体。本发明能够适用多种规格直径的管道检测，能够全方位获取管道内部图像并标记管道破损的位置。

Description

一种用于管道监测的可伸缩折叠式无人机

技术领域

本发明涉及无人机监测管道领域，特别是涉及一种用于管道监测的可伸缩折叠式无人机。

背景技术

管道是铺设在地面或地下主要用于输送液体、气体或松散固体的通道，当管道铺设在地下时，具备极好的隐蔽性、空间性。但由于地下环境恶劣，管道内气体浓度、液体酸碱度均是未知的。

行走式管道检测机器人在监测管道时存在监测管道直径范围小、部分位置不易检测、检测速度慢及效率低等问题，如何增强对各类管道使用情况的监测力度，提高管道内部情况监测效率与检测精度成为本领域技术人员亟需解决的技术问题。

现如今可以利用无人机的飞行优势对管道实时情况进行监测，虽然无人机在一定程度上可以提高对管道的检测速度，但是无人机受环境干扰较大，例如：在采集管道内图像时对采样光源具备极高的要求，且无人机需要自适应多种直径大小的管道。

CN106769163A公开了一种用于地下管道采样检测的无人机，利用多种传感器对管道内的湿度、风速、风向及气压等数据的采集，并结合红外热图像获取地下管道内部的温度，该方案虽然在一定程度上可以完成对地下管道的检测，但是仍然存在以下问题：a.该装置主要侧重于地下管道内的数据采集，确保管道内的所处安全问题，并不能实时获取管道腐蚀、破裂的程度；b.由于无人机上各传感器的位置均已固定，在拍摄过程中会存在死角，故不能完成对管道全方位的数据采集；c.该装置未考虑应用于不同大小直径的管道时机翼长度的问题，只能实现遇到障碍物时机翼能折叠防止碰撞，不能实现通过自动伸缩机翼去改变机翼长度；d.该装置尚未考虑地下管道出现未知液体不便于无人机飞行时，如何对未知液体酸碱度的检测，继而不能实现对管道内部情况的实时检测。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于管道监测的可伸缩折叠式无人机，以解决上述现有技术存在的问题，本无人机适用于多直径规格的管道，能够实现飞行和行走模式的任意切换，能够全方位获取管道内部信息，并重构出被测管道的整体，实时、精准的检测管道内部使用情况。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种用于管道监测的可伸缩折叠式无人机，包括无人机本体、无人机控制模块和上位机模块；

所述无人机本体侧壁固定连接有多组能够伸缩和折叠的飞行机构，所述无人机本体底壁固定连接有多组能够折叠的行走机构，所述无人机本体中部转动连接有旋转机构，所述无人机本体固定连接有传感机构，所述传感机构能够获取管道内图像及管道腐蚀或破裂的数据信息，并发送所述数据信息；

所述无人机控制模块与所述无人机本体信号连接，所述无人机控制模块控制所述无人机本体进出被检测管道；

所述上位机模块与所述无人机本体信号连接，所述上位机接收所述数据信息，并重构出被检测管道的整体。

优选的，所述飞行机构包括依次连接的第一收缩臂、第一微型电机、伸缩部、无刷电机和叶片，所述第一收缩臂的一端与所述无人机本体侧壁固定连接，所述第一收缩臂的另一端通过所述第一微型电机与所述伸缩部的一端铰接，所述伸缩部的另一端固定连接有所述无刷电机，所述无刷电机轴接有所述叶片。

优选的，所述伸缩部为导套和电收缩杆，所述第一收缩臂的另一端通过所述第一微型电机与所述导套铰接，所述电收缩杆的一端套设在所述导套的内部，所述电收缩杆的另一端固定连接有所述无刷电机。

优选的，所述行走机构包括依次连接的第二收缩臂、第二微型电机、支撑架、第二驱动电机和滚轮，所述第二收缩臂的一端与所述无人机本体底壁固定连接，所述第二收缩臂的另一端通过所述第二微型电机与所述支撑架铰接，所述支撑架的底端固定连接有所述第二驱动电机，所述第二驱动电机轴接有所述滚轮。

优选的，所述飞行机构数量为四组，四组所述飞行机构呈矩形阵列分布在所述无人机本体两端侧壁上，所述行走机构数量为四组，四组所述行走机构呈矩形阵列分布在所述无人机本体底壁上。

优选的，所述旋转机构包括旋转轮盘和第一驱动电机，所述第一驱动电机设置在所述无人机本体内部，所述第一驱动电机轴接有所述旋转轮盘，所述旋转轮盘将所述无人机本体分成前后两部分。

优选的，所述传感机构包括用以探测管道孔径及障碍物的探测部件、用于管道检测的检测部件和用于发送数据信息的信号发送部件。

优选的，所述探测部件包括第一摄像头、远距离照明灯、第一超声波感应器和第二超声波感应器，所述无人机本体的头部固定连接有远距离照明灯，靠近所述远距离照明灯的所述无人机本体的底壁上固定连接有固定臂，所述第一摄像头与所述固定臂固定连接，所述第一摄像头拍摄方向与所述远距离照明灯的照射方向一致，所述第一超声波感应器和第二超声波感应器分别设置在所述远距离照明灯两侧并与所述无人机本体的头部固定连接。

优选的，所述检测部件包括沿所述旋转轮盘周向依次固定设置的红外传感器、第一补光灯、第二摄像头、第二补光灯和声发射传感器，所述传感机构还包括多个PH传感器和多个ORP传感器，多个所述PH传感器固定设置在前端的所述支撑架内侧壁底部，多个所述ORP传感器固定设置在末端的所述支撑架内侧壁底部。

优选的，所述信号发送部件包括在所述无人机本体的顶壁末端上固定连接的无线通讯模块和信号增强模块。

发明公开了以下技术效果：

本发明能同时适应多种规格直径的管道、并可自动伸缩和折叠飞行机构，或折叠行走机构，同时能够实现飞行和行走功能模式的任意切换，能够全方位获取管道内部图像并标记管道腐蚀或破裂的位置，进而重构出被测管道的整体，实时、精准的检测管道内部使用情况。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的一种用于管道监测的可伸缩折叠式无人机的俯视图；

图2为行走模式下本发明的一种用于管道监测的可伸缩折叠式无人机的轴测图；

图3为图2另一方向的轴测图；

图4为飞行模式下本发明的一种用于管道监测的可伸缩折叠式无人机的轴测图。

附图标记：1、飞行机构；2、行走机构；3、旋转机构；4、传感机构；101、第一收缩臂；102、导套；103、电收缩杆；104、叶片；201、第二收缩臂；202、支撑架；203、滚轮；301、旋转轮盘；302、第一驱动电机；401、第一摄像头；402、远距离照明灯；403、第一超声波感应器；404、第二超声波感应器；405、红外传感器；406、第一补光灯；407、第二摄像头；408、二补光灯；409、声发射传感器；410、温度感应器；411、无线通讯模块；412、信号增强模块；413、PH传感器；414、ORP传感器。

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。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参照图1-4，本发明提供一种用于管道监测的可伸缩折叠式无人机，包括无人机控制模块、无人机本体和上位机模块；无人机本体包括飞行机构1、行走机构2、旋转机构3和传感机构4，无人机本体侧壁固定连接有多组能够伸缩和折叠的飞行机构1，无人机本体底壁上连接有多组能够折叠的行走机构2，无人机本体中部转动连接有旋转机构3，无人机本体上固定连接有传感机构4，传感机构4能够获取管道内图像及管道腐蚀或破裂的数据信息，并发送数据信息；无人机控制模块与无人机本体信号连接，通过控制飞行机构1和行走机构2实现无人机飞行模式和行走模式实时切换，实现无人机在管道内的自由进出被检测管道；上位机模块与无人机本体信号连接，上位机根据接收到数据信息，重构出被检测管道的整体。

传感机构4将管道内的信息反馈给无人机控制模块，无人机控制模块通过控制飞行机构1和行走机构2进出多种规格直径的管道，并可实现飞行和行走功能模式的实时切换，将旋转机构3上固定设置传感机构4，可以实现检测过程无死角，实现全方位数据信息采集，传感机构4能够获取管道内部图像及管道腐蚀或破裂的位置，并发送数据信息，上位机模块接收数据信息，并可进行数据分析，重构出被检测管道的整体，实时、精准的监测管道内部使用情况。

因此本方案无人机能够同时适应多种规格直径的管道，并可自动伸缩和折叠飞行机构(即机翼)，或折叠行走机构，同时能够实现飞行和行走模式的任意切换，能够全方位获取管道内部图像并标记管道腐蚀或破裂的位置，进而重构出被测管道的整体，实时、精准的检测管道内部使用情况。

进一步优化方案，飞行机构1为四组，四组飞行机构1呈矩形阵列分布在无人机本体两端侧壁上，飞行机构1包括依次连接的第一收缩臂101、第一微型电机、伸缩部、无刷电机和叶片104，第一收缩臂101的另一端固定连接有第一微型电机，第一微型电机与伸缩部的一端轴接，第一微型电机可以带动伸缩部进行旋转，伸缩部的另一端固定连接有无刷电机，无刷电机轴接有叶片104。

进一步优化方案，伸缩部为导套102和电收缩杆103，第一收缩臂101的另一端固定连接有第一微型电机，第一微型电机轴接有导套102，电收缩杆103的一端套设在导套102的内部，电收缩杆103的另一端固定连接有无刷电机。

当待检测管道内无积水、存在少量积水或无大型障碍物时，无人机控制模块依据传感机构4反馈的图像信息，判断管道内环境适合飞行环境后，进一步判断待检测管道的直径，依据管道直径的大小确定进入管道时飞行机构1伸展的长度，无人机控制模块通过控制第一微型电机将导套102、电伸缩杆103和叶片104旋出，并控制电收缩杆103在导套102内的伸缩长度，启动无刷电机带动叶片104旋转，从而实现无人机的平稳飞行。现实生活中，同一待检测管道的直径经常是变化的，无人机控制模块需实时判断待检测管道的直径信息，对飞行机构1伸展的长度进行实时调整。优选的，管道管径较大且无障碍物时，飞行机构1可以伸展到最长，此时可以保证飞行更加稳定，提供更稳定、更准确的信息，管道管径较小或存在部分障碍物时，飞行机构1适当缩小伸长距离，以免发生碰撞。

进一步优化方案，无人机本体底壁上连接有四组能够折叠的行走机构2，行走机构2呈矩形阵列分布在无人机本体底壁上，行走机构2包括依次连接的第二收缩臂201、第二微型电机、支撑架202、第二驱动电机和滚轮203，第二收缩臂201的一端与无人机本体底壁固定连接，第二收缩臂201的另一端通过第二微型电机与支撑架202铰接，第二收缩臂201的另一端固定设置有第二微型电机，第二微型电机与支撑架202的上端轴接，第二微型电机可以带动支撑架202旋转，支撑架202的底端固定连接有第二驱动电机，第二驱动电机轴接有滚轮203。

当待检测管道内存在大量积水或大型障碍物使得飞行受到阻碍时，无人机控制模块控制第二收缩臂201中的内置微型电机旋转，将支撑架202旋出，使滚轮203支撑在管道内壁上，通过启动第二驱动电机带动滚轮203旋转，从而实现行走模式，现实生活中，同一待检测管道的直径经常是变化的，无人机控制模块需实时判断待检测管道的直径信息，控制微型电机旋转实时调整支撑架202的角度，实现不同管径的管道检测。

进一步优化方案，旋转机构3包括旋转轮盘301和第一驱动电机302，第一驱动电机302设置在无人机本体内部，第一驱动电机302轴接有旋转轮盘301，旋转轮盘301将无人机本体分成前后两部分，旋转轮盘301可在第一驱动电机302的带动下实现360度旋转。

进一步优化方案，传感机构4包括用以探测管道孔径及障碍物的探测部件、用于管道检测的检测部件和用于发送数据信息的信号发送部件。

进一步优化方案，探测部件包括第一摄像头401、远距离照明灯402、第一超声波感应器403和第二超声波感应器404，无人机本体的头部固定连接有远距离照明灯402，靠近远距离照明灯402的无人机本体的底壁上固定连接有固定臂，第一摄像头401与固定臂固定连接，第一摄像头401拍摄方向与远距离照明灯402的照射方向一致；第一超声波感应器403和第二超声波感应器404分别设置在远距离照明灯402两侧并与无人机本体的头部固定连接。

第一摄像头401在远距离照明灯402的辅助下对待检测管道进行实时监测，第一摄像头401将图像信息反馈给无人机控制模块，无人机控制模块据此判断待检测管道的管径。

无人机飞行时，启动第一超声波感应器403和第二超声波感应器404，第一超声波感应器403和第二超声波感应器404对管道内进行大范围的扫描，当扫描到障碍物时，将障碍物信息反馈给无人机控制模块使无人机可以及时有效避让。单个超声波感应器本身的检测角度相对较小，设置两个超声波感应器可以弥补单个超声波感应器的不足，更全面的扫描障碍物。

进一步优化方案，检测部件包括沿旋转轮盘301周向依次设置的红外传感器405、第一补光灯406、第二摄像头407、第二补光灯408和声发射传感器409，传感机构4还包括多个PH传感器413和ORP传感器414，多个PH传感器413固定设置在前端的支撑架202内侧壁底部，多个ORP传感器414固定设置在末端的支撑架202内侧壁底部。

旋转轮盘301在第一驱动电机302带动下进行旋转，同时第二摄像头407在第一补光灯406和第二补光灯408的辅助下对管道进行360度实时拍照，获取管道内部图像，红外传感器用来采集管道内红外热量信息，声发射传感器409用来发射声发射信号，并收集声反射信号，上位机模块接收到红外传感器405、第二摄像头407和声发射传感器409的数据信息后，上位机模块生成管道内部结构影像，利用待测目标的红外辐射能量分布结合热成像技术获得红外热像图，通过影像、红外热像图及声反射信号得出检测管道腐蚀及裂痕的实时情况。

当需要检测管道内的水质情况时，此时采用行走模式，多个PH传感器413和多个ORP传感器414设置在支撑架202底壁内侧，无需额外操作即可测定液体的PH值和氢离子浓度，确定水质的酸碱度和污染程度。

进一步优化方案，信号发送部件包括在无人机本体的顶壁末端上固定连接的无线通讯模块411和信号增强模块412。

无线通讯模块411进行信号传输，信号增强模块412用来增强信号强度。

此外，传感机构4还包括温度感应器410，温度感应器410设置在无人机本体的顶壁末端上，温度感应器410用来记录管道内部温度，并反馈给无人机控制模块，可以理解的是，温度感应器410为无人机的自我保护装置，地下管道温度是复杂多变的，通过温度感应器410监控管道内的温度，当管道温度过高不适宜无人机正常工作时，无人机控制模块控制无人机本体撤出待检索管道，实现自动返航。

本发明的工作过程：

无人机进入待检测管道前，由第一摄像头401对待检测管道进行扫描工作，并判断待检测管道环境是否需要开启照明灯进行辅助，例如当光线不足时需要开启照明灯进行辅助扫描工作，如果需要则开启远距离照明灯402进行辅助，如果不需要则直接进行扫描工作，扫描完成后将图像信息反馈给无人机控制模块，无人机控制模块据此判断管道直径，判断是否适合飞行环境，当符合飞行环境时，无人机控制模块依据管道直径大小确定进入管道时机翼的合适长度，首先控制第一微型电机旋转将导套102、电伸缩杆103和叶片104旋出，其次控制电收缩杆103伸出导套102的长度，最后启动无刷电机带动叶片104旋转，实现无人机的平稳飞行。

无人机进入到管道内部后，远距离照明灯402为开启状态，第一摄像头401对待检测管道进行实时扫描工作，无人机控制模块依据管道直径大小实时调整在待检测管道时机翼的合适长度，通过第一超声波传感器403和第二超声波传感器404反馈信号给无人机控制模块，无人机控制模块依据超声波反馈的信号控制无人机自动避障，同时，第一驱动电机302带动旋转轮盘301进行360度旋转，此时第一补光灯406和第二补光灯408为第二摄像头407进行补光,第二摄像头407采集管道内的裂痕及腐蚀情况，红外传感器405采集管道内红外热量信息，声发射传感器409采集声反射信号，温度传感器410采集管道内温度，将采集的图像信息以及各传感器信息进行收集，通过信号增强模块412增强信号强度，利用无线通讯模块411进行发送数据信息，明确管道内部温度、裂痕以及腐蚀等情况。

上位机模块接收上述数据信息，并进行数据分析，重构出被检测管道的整体。

当第一摄像头401判定管道飞行将受到阻碍或需要检测管道内水质情况时，将启动行走模式，首先启动第二收缩臂201中的内置微型电机，将支撑架202旋出，使滚轮203在管道内部形成有效支撑，同时控制电收缩杆103回缩至导套102内，并启动第一收缩臂101内置的第一微型电机，旋转导套102折叠至飞行机构机身侧面；然后启动第二驱动电机带动滚轮203旋转，此时实现飞行模式至行走模式的切换。同时，利用PH传感器413和ORP传感器414共同采集水质PH值和水质的氢离子浓度，确定水质的酸碱度和污染程度。

当管道内环境适合飞行时，再次进入飞行模式，关闭行走模式，即：当第一摄像头401判定管道适合飞行时，控制第一微型电机旋转将导套102、电伸缩杆103和叶片104旋出，其次控制电收缩杆103伸出导套102的长度，最后启动无刷电机带动叶片104旋转，同时第二收缩臂201中的内置微型电机，将支撑架202进行折叠并自动回缩至飞行机构机身的底部，实现行走模式至飞行模式的切换。

可以理解的是，现有管道井中管径变化处常设置有检查井，检查井的管口处存在高度差，此时若仅有行走模式，容易发生倾覆，若此时切换成飞行模式，可以有效躲避此类行走障碍，弥补了行走式管道检测机器人的不足。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于管道监测的可伸缩折叠式无人机，其特征在于：包括无人机本体、无人机控制模块和上位机模块；

所述无人机本体侧壁固定连接有多组能够伸缩和折叠的飞行机构(1)，所述无人机本体底壁固定连接有多组能够折叠的行走机构(2)，所述无人机本体中部转动连接有旋转机构(3)，所述无人机本体固定连接有传感机构(4)，所述传感机构(4)能够获取管道内图像及管道腐蚀或破裂的数据信息，并发送所述数据信息；

所述无人机控制模块与所述无人机本体信号连接，所述无人机控制模块控制所述无人机本体进出被检测管道；

所述上位机模块与所述无人机本体信号连接，所述上位机接收所述数据信息，并重构出被检测管道的整体。

2.根据权利要求1所述的用于管道监测的可伸缩折叠式无人机，其特征在于：所述飞行机构(1)包括依次连接的第一收缩臂(101)、第一微型电机、伸缩部、无刷电机和叶片(104)，所述第一收缩臂(101)的一端与所述无人机本体侧壁固定连接，所述第一收缩臂(101)的另一端通过所述第一微型电机与所述伸缩部的一端铰接，所述伸缩部的另一端固定连接有所述无刷电机，所述无刷电机轴接有所述叶片(104)。

3.根据权利要求2所述的用于管道监测的可伸缩折叠式无人机，其特征在于：所述伸缩部为导套(102)和电收缩杆(103)，所述第一收缩臂(101)的另一端通过所述第一微型电机与所述导套(102)铰接，所述电收缩杆(103)的一端套设在所述导套(102)的内部，所述电收缩杆(103)的另一端固定连接有所述无刷电机。

4.根据权利要求3所述的用于管道监测的可伸缩折叠式无人机，其特征在于：所述行走机构(2)包括依次连接的第二收缩臂(201)、第二微型电机、支撑架(202)、第二驱动电机和滚轮(203)，所述第二收缩臂(201)的一端与所述无人机本体底壁固定连接，所述第二收缩臂(201)的另一端通过所述第二微型电机与所述支撑架(202)铰接，所述支撑架(202)的底端固定连接有所述第二驱动电机，所述第二驱动电机轴接有所述滚轮(203)。

5.根据权利要求4所述的用于管道监测的可伸缩折叠式无人机，其特征在于：所述飞行机构(1)数量为四组，四组所述飞行机构(1)呈矩形阵列分布在所述无人机本体两端侧壁上，所述行走机构(2)数量为四组，四组所述行走机构(2)呈矩形阵列分布在所述无人机本体底壁上。

6.根据权利要求4所述的用于管道监测的可伸缩折叠式无人机，其特征在于：所述旋转机构(3)包括旋转轮盘(301)和第一驱动电机(302)，所述第一驱动电机(302)设置在所述无人机本体内部，所述第一驱动电机(302)轴接有所述旋转轮盘(301)，所述旋转轮盘(301)将所述无人机本体分成前后两部分。

7.根据权利要求6所述的用于管道监测的可伸缩折叠式无人机，其特征在于：所述传感机构(4)包括用以探测管道孔径及障碍物的探测部件、用于管道检测的检测部件和用于发送数据信息的信号发送部件。

8.根据权利要求7所述的用于管道监测的可伸缩折叠式无人机，其特征在于：所述探测部件包括第一摄像头(401)、远距离照明灯(402)、第一超声波感应器(403)和第二超声波感应器(404)，所述无人机本体的头部固定连接有远距离照明灯(402)，靠近所述远距离照明灯(402)的所述无人机本体的底壁上固定连接有固定臂，所述第一摄像头(401)与所述固定臂固定连接，所述第一摄像头(401)拍摄方向与所述远距离照明灯(402)的照射方向一致，所述第一超声波感应器(403)和第二超声波感应器(404)分别设置在所述远距离照明灯(402)两侧并与所述无人机本体的头部固定连接。

9.根据权利要求7所述的用于管道监测的可伸缩折叠式无人机，其特征在于：所述检测部件包括沿所述旋转轮盘(301)周向依次固定设置的红外传感器(405)、第一补光灯(406)、第二摄像头(407)、第二补光灯(408)和声发射传感器(409)，所述传感机构(4)还包括多个PH传感器(413)和多个ORP传感器(414)，多个所述PH传感器(413)固定设置在前端的所述支撑架(202)内侧壁底部，多个所述ORP传感器(414)固定设置在末端的所述支撑架(202)内侧壁底部。

10.根据权利要求7所述的用于管道监测的可伸缩折叠式无人机，其特征在于：所述信号发送部件包括在所述无人机本体的顶壁末端上固定连接的无线通讯模块(411)和信号增强模块(412)。

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