CN113306653A - 一种搭载无人机与机械臂的井下巡检与研究双用途无人车 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种搭载无人机与机械臂的井下巡检与研究双用途无人车，包括无人车车体、通过可升降工作平台设置在所述无人车车体上的机械臂工作组、停放在无人车车体上的停机仓中的无人机；所述无人车车体以及无人机上安装有用于获取起落点的井下定位模块，用于实现远程精准定位和精准起落；所述机械臂工作组与摄像模组连接，所述无人车车体上搭载有循迹避障模块、通讯模块、电源模块、特殊气体检测模块、图像识别模块、语音模块。本发明无人车车体配备机械臂工作组，机械臂工作组配有通讯模块、电源模块、摄像模块，通过远程便可遥控车体的各种运动方式，面对复杂路况具有灵活性。

Description

一种搭载无人机与机械臂的井下巡检与研究双用途无人车

技术领域

本发明属于无人车与无人机的技术领域，尤其涉及一种搭载无人机与机械臂的井下巡检与研究双用途无人车。

背景技术

目前，煤矿智能化成为行业前沿，智能无人车用于各行业处于试点阶段，井下无人车以巡检为主；无人机自动起降的方式为近场通讯和图像识别两种。

井下巡检无人车基于摄像模块与远程控制台连接，广泛用于自动化程度较高的集中区域，无法实现井下复杂地形下的监控与对应操作；近场通讯方式是在无人机以及降落点上安装近场通讯模块，无人机靠近降落点时，近场通讯模块引导无人机自动降落在降落点上；图像识别方式是无人机识别降落点上的图案，通过图案引导降落在降落点上。

现有的无人机自动起降的方式，均无法实现在较远距离时引导无人机返航并自动降落，自动化度较低，在自动降落的过程中仍然需要操作人员手动操作。无法满足井下断联等复杂情形的自起落。无法实现无人车与无人机的联动，均无法实现全地形情况下工作。对于瓦斯超限等特殊气体危害检测是特定点位特定范围的，无法实现灵活机动。

发明内容

为了克服现有技术中的不足，本发明所解决的技术问题在于提供一种搭载无人机与机械臂的井下巡检与研究双用途无人车，通过远程便可遥控车体的各种运动方式，面对复杂路况具有灵活性。

为了解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案来实现：本发明提供一种搭载无人机与机械臂的井下巡检与研究双用途无人车，包括无人车车体、通过可升降工作平台设置在所述无人车车体上的机械臂工作组、停放在无人车车体上的停机仓中的无人机；所述无人车车体以及无人机上安装有用于获取起落点的井下定位模块，用于实现远程精准定位和精准起落；所述机械臂工作组与摄像模组连接，所述无人车车体上搭载有循迹避障模块、通讯模块、电源模块、特殊气体检测模块、图像识别模块、语音模块，所述井下定位模块、循迹避障模块、特殊气体检测模块、图像识别模块均与电源模块连接，并于远程操作台相连接，所述井下定位模块与所述通讯模块电相连接；所述井下定位模块、通讯模块、图像识别模块用于实现远程操作无人机以及无人机精准起落；所述井下定位模块与通讯模块、循迹避障模块用于实现远程对无人车操作以及完全自主行驶；所述井下定位模块与通讯模块、特殊气体检测模块用于实现井下各待测点数值。

优选的，所述机械臂工作组包括机械臂本体、机械臂升降台、遥控模块、机械臂摄像头、机械臂组爪勾、样品收集器、多功能储存包；所述机械臂升降台、机械臂摄像头与遥控模块相连接，所述遥控模块与通讯模块有线连接，实现远程操作。

优选的，所述电源模块包括电源切换单元、充电电池、变压单元以及用于与车载电源连接的连接器，所述连接器与所述充电电池均与所述电源切换单元电连接，所述电源切换单元与所述变压单元电连接，所述连接器还与所述充电电池电连接，所述井下定位模块和所述通讯模块均与所述变压单元电连接，所述电源模块还包括用于给无人机无线充电的无线充电模块，所述无线充电模块与所述变压单元电连接。

进一步的，所述无人车车体包括底盘和套嵌外壳，所述套嵌外壳安装于所述底盘上，所述套嵌外壳包括用于停放无人机的停机起落区、放置机械臂的机械臂工作区、循迹模块放置点、特殊气体检测模块放置区、摄像头模组放置区、电源模块放置区、通讯模块放置区、井下定位模块放置区以及用于上述除无人机本体外用于放置单元模块的各种凹槽。

优选的，所述底盘包括车轮、中轴、万向调节轴、伸缩推杆、轮轴以及相应框架，所述中轴包括用于调节前轮上下摆动的轴承以及齿轮组、用于控制后轮上下摆动的轴承以及齿轮组；所述万向调节轴为与通讯模块以及电源模块连接的动作模块，六个万向调节模块下方配有伸缩推杆，二者协同工作可实现车轮的转向与车体底盘的升降。

进一步的，还包括无人机车载停机装置，该无人机车载停机装置上绘有“H”国际标准识别图形，供无人机的图像识别模块识别；所述无人机车载停机装置置于所述套嵌外壳中，并包括顶盖。

由上，本发明的搭载无人机与机械臂的井下巡检与研究双用途无人车包括如下有益效果：

本发明在车体框架上安装了六个转向调节器、六个由电推杆带动作用的伸缩杆，轮体本身具有悬架结构，在车体上设置有通讯模块，通过远程便可遥控车体的各种运动方式，面对复杂路况具有灵活性，本发明的无人机车载停机装置，在车体停机装置内设置井下定位模块、通讯模块，停机装置停机面上设置图像识别标志，井下定位模块在获取无人车车体的实时坐标信息后，将无人车车体的实时坐标信息通过通讯模块发送给无人机控制中心，控制中心所述实时坐标信号传输至无人机，无人机根据实时标信息返回到无人车上方，再通过识别停机装置上图像识别标志，降落至停机仓内，从而实现远距离引导无人机返航并自动降落到停车仓内，无需人员手动操作，本发明的无人机电源模块具有无线充电功能，可以实现在无人车内自动充电。本发明无人车车体配备机械臂工作组，机械臂工作组配有通讯模块、电源模块、摄像模块，可由技术人员远程进行井下作业，机械臂可替换爪勾类型，车体本身携带备胎，当车体轮胎损坏时，机械臂可夹持轮胎作为替换方案支撑无人车返航。

本发明无人车车体配备特殊气体检测模块，并与井下定位模块、通讯模块连接，远程操作人员可通过远程控制获取指令点的一氧化碳、甲烷含量以及温湿度，从而对作业环境进行判断。

本发明无人车车体配备了循迹导航模块，从而，在远程操作人员下达指令后便可自动按指令行进，实现自动化无人行车。

本发明无人车本身配备开源摄像头模组，机械臂配备摄像头模组并同时与通讯模块连接，无人机配备摄像头模块，三者将画面由通讯模块传输至远程操作台，远程工作人员可通过实时画面下达下一步指令或布置工作安排。

本发明无人车车体本身与无人机本体均安装语音模块，可由远程操作人员对井下工作人员下达指令。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下结合优选实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍。

图1为本发明的搭载无人机与机械臂的井下巡检与研究双用途无人车的电路连接示意图；

图2为本发明的搭载无人机与机械臂的井下巡检与研究双用途无人车的立体结构示意图；

图3为本发明的无人机的俯视图；

图4为本发明的无人机的主视图；

图5为本发明的搭载无人机与机械臂的井下巡检与研究双用途无人车的俯视图；

图6为本发明的搭载无人机与机械臂的井下巡检与研究双用途无人车的仰视图；

图7为本发明的搭载无人机与机械臂的井下巡检与研究双用途无人车的侧视图；

图8为本发明的搭载无人机与机械臂的井下巡检与研究双用途无人车的主视图。

图中：1、套嵌外壳，2、无人机本体，3、无线充电器，4、可升降工作平台，5、机械臂本体，6、机械臂组爪勾(可替换)，7、小车摄像与语音模组，8、特殊气体检测模块，9、循迹导航模块，10、储存罐，11、中轴，12、万向车轮调节轴，13、无人机机翼模块，14、无人机上壳，15、图像识别模块，16搭配无线充电装置的支架，17、无人机摄像与语音模组，24、车轮，26、图像识别标志，28、挂钩，29、机械臂转向底座，31、伸缩杆，38、摄像头伸缩转向杆，40、中轴单元，41、停机仓，47、机械臂组调节杆，55、车轮悬挂装置，58、防撞橡胶圈。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式，其作为本说明书的一部分，通过实施例来说明本发明的原理，本发明的其他方面、特征及其优点通过该详细说明将会变得一目了然。在所参照的附图中，不同的图中相同或相似的部件使用相同的附图标号来表示。

如图1至图8所示，本发明的搭载无人机与机械臂的井下巡检与研究双用途无人车包括无人车车体、通过可升降工作平台设置在所述无人车车体上的机械臂工作组、停放在无人车车体上的停机仓中的无人机；所述无人车车体以及无人机上安装有用于获取起落点的井下定位模块，用于实现远程精准定位和精准起落；所述机械臂工作组与摄像模组连接，所述无人车车体上搭载有循迹避障模块、通讯模块、电源模块、特殊气体检测模块、图像识别模块、语音模块，所述井下定位模块、循迹避障模块、特殊气体检测模块、图像识别模块均与电源模块连接，并于远程操作台相连接，所述井下定位模块与所述通讯模块电相连接；所述井下定位模块、通讯模块、图像识别模块用于实现远程操作无人机以及无人机精准起落；所述井下定位模块与通讯模块、循迹避障模块用于实现远程对无人车操作以及完全自主行驶；井下定位模块与通讯模块、特殊气体检测模块用于实现井下各待测点数值。

通过通讯模块与远程控制室联络，实时获取井下动态，远程断联情况下也可通过图像识别模块自动精准降落。

本发明的无人车车体上具有用于停放无人机的停机仓41，所述停机仓内设置有用于被无人机识别的图像识别标志26，所述停机仓内设置有用于获取所述停机坪本体实时坐标的井下定位模块、电源模块以及用于与无人机的遥控器建立通讯的通讯模块，所述北斗模块与所述通讯模块电连接，所述井下定位模块和所述通讯模块均与所述电源模块电连接；所述无人车车体上具有搭载机械臂本体5的可升降工作平台4，所述工作平台与机械臂与无人车电源连接。无人车车体具有可确定无人车实时位置的井下定位模块以及用于远程操作的通讯模块并相连接；所述无人车车体上具有小车摄像与语音模组7和循迹导航模块9，二者与电源模块以及用于远程遥控的通讯模块相连接；

所述无人车车体上具有特殊气体检测模块8以及试验样品储存罐10，特殊气体检测模块与车体井下定位模块及其车体电源相连接，并于通讯模块相连接远程上传数据；所述无人车底座具有一种特殊结构，即中轴11，中轴11通过通讯模块与万向车轮调节轴12以及车轮24相连接，并通过电源模块供电，远程操作台可以根据摄像模组反馈的路面情况对中轴操作提高底盘高度、调整各轮胎之间夹角，亦可以根据情形控制万向车轮调节，控制车轮方向，调节车轮高度以及驱动方式；

无人机上具有无人机机翼模块13、无人机上壳14(上壳下方具有井下定位模块以及电源模块等装置)、图像识别模块15(用于识别无人车内图像实现降落)、搭配无线充电装置的支架16、无人机摄像与语音模组17，所述多旋翼与无人机电源相连接，有动力组供电，所述无人机本体以及图像识别模块、无人机摄像与语音模组与无人机电源及其通讯模块连接，实现远程操作；所述无线充电装置支架底部在停落时可与无人车无线充电模块相连自动向无人机电源充电。

上述实施例中，在无人车车体内设置井下定位模块、通讯模块、循迹避障模块、电源模块、特殊气体检测模块、语音模块，均与电源模块相连接，停机仓41的停机面上设置图像识别标志26，井下定位模块在获取无人车车体的实时坐标信息后，将无人车车体的实时坐标信息通过通讯模块发送给远程操作台，操作人员将所述实时坐标信号传输至无人机，无人机根据实时坐标信息返回到停机面上方，再通过识别停机坪上图像识别标志26，降落至停机仓41内，从而实现在远距离引导无人机返航并自动降落到停机仓41上，无需人员手动操作；无人车上具有机械臂工作组，以及机械臂本身搭载的摄像头，机械臂工作组通过无人车电源供电，并于通讯模块相连，同理，井下定位模块获取无人车位置发送给远程操作台，远程操作台可以记录工作点坐标，操作机械臂工作，并将获取的试验样品装于储存罐10；无人车搭载了循迹避障模块，该模块可以是无人车在无人操作情况下进行自动巡检，该模块与通讯模块相连接，远程操作台可以实时获取无人车位置；

进一步地，无人车搭载了特殊气体检测模块8，包含温湿度检测器、甲烷检测器、一氧化碳检测器，特殊气体检测模块8与井下定位模块连接，并通过通讯模块将实时数据及被测点坐标上传至远程操作台；

进一步地，无人车底座是一种适应复杂路况的机械结构，其中轴11、万向车轮调节轴12均与通讯模块相连接，并配合循迹避障模块使用，在远程人工操作情况下，无人车车体带语音功能的摄像模组7通过通讯模块将实时画面上传至远程操作台，远程操作台根据路面情况调整车轮转向、底盘高度、各车轮夹角以及驱动方式，在自动驾驶情况下，无人车通过循迹避障模块自动调整底盘各项功能。六轮可360°旋转、中轴杆可最大实现45度撑起，满足井下复杂路面的良好车况。

其中，无人机中预先内置有重新修改后的飞控软件，无人机的自动起降功能通过修改的飞控软件实现，所述图像识别标志26可以为“H”标志，或者其他显著地便于图像识别的标志，无人机内部具有大容量电池，以保证续航。

其中，所述无人机电源模块用于给井下定位模块和通讯模块提供所述的工作电压、用于无人机本身地驱动以及摄像头和图像识别模块的正常工作。

本发明的电源模块包括电源切换单元、充电电池、变压单元以及用于与车载电源连接的连接器，连接器与所述充电电池均与所述电源切换单元电连接，电源切换单元与变压单元电连接，连接器还与充电电池电连接，井下定位模块和通讯模块均与变压单元电连接。电源模块还包括用于给无人机无线充电的无线充电模块，所述无线充电模块与所述变压单元电连接。连接器用于与车载电源连接，给无人车的各模块提供工作电源；无人车车身具有充电口以及数据线接口，在井下车厂或检修区时可进行充电，充电时通过变压单元向无人车车体电源、无人机电池、无人机无线充电电池进行单向充电；充电电池作为备用电源，当无人车电源出现无法供电时，才使用充电电池供电，另外，通过电源切换模块，类似于单刀双掷开关，可以选择将供电电源切换为车载电源或充电电池，所述电源切换模块类似于单刀双掷开关，可以选择与连接器接通或者与充电电池接通，所述变压模块用于将电信号转换成井下定位模块和通讯模块的工作电压后输出给井下定位模块和通讯模块。另外电源切换模块优先使用车载电源，同时使用无人车电源给充电电池充电。

无人车的车轮24是一种越野性能极好的真空轮胎，搭配了减震避震功能的悬挂装置55，最大程度避免了井下无人作业情况下车胎损坏导致的无法行进问题，进一步地。无人车具有货舱，可用于放置备用车轮，当车轮损坏时，机械臂可以抓取备用车轮作为替换，支撑返航，进一步地，货仓的使用，极好的满足了井下安全救援条件，在人员无法深入的破坏井巷，无人车不但可以提供通话、实时监控更可以提供给养。无人车车体的后侧设有挂钩28。

本发明的机械臂工作组包括机械臂升降台4、机械臂本体5、机械臂组爪勾6(可替换)、机械臂转向底座29、伸缩杆31、遥控模块、样品收集器、多功能储存包、以及机械臂摄像头，其中机械臂升降台、机械臂摄像头与遥控模块相连接，所述遥控模块与通讯模块有线连接，实现远程操作。机械臂摄像头是小车摄像与语音模组7的一部分，整个机械臂单元与通讯模块相连接，远程操作台可通过计算机设备或外设操作机械臂工作，并通过摄像装置配合其工作，远程操作台可以操作升降机械臂组升降台，整个机械臂最高工作高度可达1.5米，进一步地，为了维持作业稳定，小车万向车轮调节轴12下方圆盘可伸缩触及地面，以维持车身稳定；进一步地，机械臂组爪勾可以进行替换，有钻头、夹子、机械手三种选择，从而满足不同作业要求。

无人车车体包括套嵌外壳1和底盘，所述套嵌外壳1安装于底盘上。套嵌外壳包括用于停放无人机的停机起落区、放置机械臂的机械臂工作区、循迹模块放置点、特殊气体检测模块放置区、摄像头模组放置区、电源模块放置区、通讯模块放置区、井下定位模块放置区以及用于上述除无人机本体外用于放置单元模块的各种凹槽。无人车的井下定位模块、循迹避障模块、通讯模块、电源模块、特殊气体检测模块、图像识别模块、语音视频模块，均安装于套嵌外壳1上。

底盘包括车轮、中轴、万向调节轴、伸缩推杆、轮轴以及相应框架，所述中轴包括用于调节前轮上下摆动的轴承以及齿轮组、用于控制后轮上下摆动的轴承以及齿轮组；所述万向调节轴为与通讯模块以及电源模块连接的动作模块，六个万向调节模块下方配有伸缩推杆，二者协同工作可实现车轮的转向与车体底盘的升降。

为了确保整个无人车的强度，框架部分(车底盘支架以及底盘杆)优选为使用不锈钢材质制成的框架，套嵌外壳采用硬塑料制成，减轻了车身自重。

特殊气体检测模块8搭配有甲烷检测器、一氧化碳检测器，该模块通过电源模块供电并与通讯模块相连接，远程操作台可通过无人车的位置坐标获取被测点的温湿度、甲烷含量、一氧化碳含量，此外，当含量超标时，语音模块会发起报警。

另一方面，本发明提供一种无人机，包括井下定位模块、图像识别模块15、摄像语音模块、无人机机翼模块、无人机上壳14、搭配无线充电装置的支架16、用于井下保护无人机螺旋桨的防撞橡胶圈58。

本发明还包括无人机车载停机装置，该无人机车载停机装置上绘有“H”国际标准识别图形，供无人机的图像识别模块识别，无人机车载停机装置置于所述套嵌外壳中，并包括顶盖。

本发明的无人车，通过车载电源给车体的各模块提供工作电源，同时也为所述无人机停机区的充电电池充电，在停机仓内设置井下定位模块、通讯模块，停机坪本体的停机面上设置图像识别标志26，北斗模块在获取无人车车体的实时坐标信息后，将停机坪本体的实时坐标信息通过通讯模块发送给远程操作台，操作人员将所述实时坐标信号传输至无人机，无人机根据实时坐标信息返回到无人车停机仓上方，再通过识别停机区上图像识别标志26，降落至停机坪上，无需人员手动操作可以实现远距离引导无人机返航并自动降落到无人车停机仓上。

另外，本发明的无人车，无论机车处于移动或静止状态，井下定位模块都能准确定位无人车的位置，与运动方式无关，从而可以使无人机准确的降落到无人车的停车仓内，规避了无人机断连风险。

以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和变动，这些改进和变动也视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种搭载无人机与机械臂的井下巡检与研究双用途无人车，其特征在于，包括无人车车体、通过可升降工作平台设置在所述无人车车体上的机械臂工作组、停放在无人车车体上的停机仓中的无人机；

所述无人车车体以及无人机上安装有用于获取起落点的井下定位模块，用于实现远程精准定位和精准起落；

所述机械臂工作组与摄像模组连接，所述无人车车体上搭载有循迹避障模块、通讯模块、电源模块、特殊气体检测模块、图像识别模块、语音模块，所述井下定位模块、循迹避障模块、特殊气体检测模块、图像识别模块均与电源模块连接，并于远程操作台相连接，所述井下定位模块与所述通讯模块电相连接；

所述井下定位模块、通讯模块、图像识别模块用于实现远程操作无人机以及无人机精准起落；

所述井下定位模块与通讯模块、循迹避障模块用于实现远程对无人车操作以及完全自主行驶；

所述井下定位模块与通讯模块、特殊气体检测模块用于实现井下各待测点数值。

2.如权利要求1所述的搭载无人机与机械臂的井下巡检与研究双用途无人车，其特征在于，所述机械臂工作组包括机械臂本体、机械臂升降台、遥控模块、机械臂摄像头、机械臂组爪勾、样品收集器、多功能储存包；所述机械臂升降台、机械臂摄像头与遥控模块相连接，所述遥控模块与通讯模块有线连接，实现远程操作。

3.如权利要求1所述的搭载无人机与机械臂的井下巡检与研究双用途无人车，其特征在于，所述电源模块包括电源切换单元、充电电池、变压单元以及用于与车载电源连接的连接器，所述连接器与所述充电电池均与所述电源切换单元电连接，所述电源切换单元与所述变压单元电连接，所述连接器还与所述充电电池电连接，所述井下定位模块和所述通讯模块均与所述变压单元电连接，所述电源模块还包括用于给无人机无线充电的无线充电模块，所述无线充电模块与所述变压单元电连接。

4.如权利要求3所述的搭载无人机与机械臂的井下巡检与研究双用途无人车，其特征在于，所述无人车车体包括底盘和套嵌外壳，所述套嵌外壳安装于所述底盘上，所述套嵌外壳包括用于停放无人机的停机起落区、放置机械臂的机械臂工作区、循迹模块放置点、特殊气体检测模块放置区、摄像头模组放置区、电源模块放置区、通讯模块放置区、井下定位模块放置区以及用于上述除无人机本体外用于放置单元模块的各种凹槽。

5.如权利要求4所述的搭载无人机与机械臂的井下巡检与研究双用途无人车，其特征在于，所述底盘包括车轮、中轴、万向调节轴、伸缩推杆、轮轴以及相应框架，所述中轴包括用于调节前轮上下摆动的轴承以及齿轮组、用于控制后轮上下摆动的轴承以及齿轮组；所述万向调节轴为与通讯模块以及电源模块连接的动作模块，六个万向调节模块下方配有伸缩推杆，二者协同工作可实现车轮的转向与车体底盘的升降。

6.如权利要求4所述的搭载无人机与机械臂的井下巡检与研究双用途无人车，其特征在于，还包括无人机车载停机装置，该无人机车载停机装置上绘有“H”国际标准识别图形，供无人机的图像识别模块识别；

所述无人机车载停机装置置于所述套嵌外壳中，并包括顶盖。

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