CN113911360A - 一种单涵道无人探测飞行机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明属于飞行机器人技术领域，具体为一种单涵道无人探测飞行机器人，解决了背景技术中的技术问题，其包括机器人端，机器人端包括主控模块、姿态控制模块、电源组件、环境感知系统、动力系统和结构框架，姿态控制模块、电源组件、环境感知系统、动力系统均与主控模块电气连接，动力系统包括单个电涵道和两个滚转导轨，滚转导轨上均滑动配合有涵道支撑块，电涵道通过轴承与涵道支撑块转动连接；姿态控制模块包括三轴动量轮以及姿态控制器；主控模块还配置有远程遥控端。单个电涵道的能量转化效率高，安全性更强，姿态控制系统增加飞行器机动能力及飞行稳定性，可以对飞行机器人的姿态进行紧急调整，增加了飞行机器人的运行安全性。
Description
技术领域
本发明属于飞行机器人技术领域，具体为一种单涵道无人探测飞行机器人。
背景技术
在自然勘探、森林资源保护及城乡建设等的过程中，常常会需要使用无人机对一片区域进行探测，以获取基础数据从而完成相应的规划及管理工作。传统的探测常使用多旋翼无人机携带探测设备升空完成探测作业，然而多旋翼无人机在作业过程中只能在高空完成数据采集，在建筑密集或森林区域无法安全的进行低空探测；探测过程中，在需要进行采样的情况下，传统的多旋翼无人机无法实现自动采样并返回的动作，往往需要人工进行后续干预。
发明内容
本发明旨在解决缺少一种既能实现高空数据采集又能实现自动采样并返回的技术问题，提供了一种单涵道无人探测飞行机器人。
本发明解决其技术问题采用的技术手段是：一种单涵道无人探测飞行机器人，包括机器人端，机器人端包括主控模块、姿态控制模块、用于为机器人端供电的电源组件、用于采集不同数据的环境感知系统、动力系统和结构框架，姿态控制模块、电源组件、环境感知系统、动力系统均与主控模块电气连接，动力系统包括单个电涵道、用于控制电涵道的涵道控制器和和两个括弧状且相对设置的滚转导轨，滚转导轨上均滑动配合有涵道支撑块，电涵道通过轴承与涵道支撑块转动连接；姿态控制模块包括三轴动量轮以及用于控制三轴动量轮的姿态控制器；主控模块还配置有用于发送控制信号的远程遥控端，主控模块、姿态控制模块、电源组件、环境感知系统和动力系统均固连在结构框架上。
主控模块外壳上设置有散热鳍片，底部设置有排针座子，安装于结构框架中部的固定位点。结构框架由复合材料制成，框架为笼形结构，其表面设置有不同组件的安装位点。姿态控制模块的三轴动量轮包括四个动量轮，具体为两个较大动量轮和两个较小动量轮，两个较大的动量轮轴线呈90°夹角且分别为Y轴和Z轴，两个较大的动量轮的轴线共面布置，两个较小的动量轮轴线共线且位于X轴上，Y轴、Z轴和X轴构成空间直角坐标系，Y轴、Z轴和X轴上的动量轮按轴向分为三组。四个动量轮安装在同一个动量轮框架上。姿态控制模块的姿态控制器中内建运动处理模块、电子陀螺仪及用于驱动三组动量轮的三组直流无刷电机及其驱动模块，三组直流无刷电机及其驱动模块固定在动量轮框架上，姿态控制器固定在结构框架的对应固定位点上，机器人端运动时，电子陀螺仪实时读取机器人端姿态，数据接着发送至运动处理模块，经过处理后运动处理模块控制三轴动量轮动作，通过产生偏转力矩抵消动力系统运动时产生的转动惯量和机器人运动过程中受到的微小扰动，维持机器人端的稳定飞行。机器人端转向或机动时，主控模块将运动指令发送至姿态控制器，控制三轴动量轮动作，产生向对应方向的偏转力矩，辅助机器人端实现机动。当机器人端失控坠落时，姿态控制系统通过快速调节三轴动量轮动作，从而实现纠正机器人端的姿态，以期恢复控制或使机器人端以安全姿态坠地。
动力系统中，电涵道包括涡轮风扇组件及涵道体，涡轮风扇组件包括涡轮风扇、永磁体及电磁铁阵列。所述永磁体固定在涡轮风扇外侧，所述电磁铁阵列固定于涵道外侧，所述涡轮风扇前缘粘贴铜箔电极，与风扇中央轴内部的受电瓦连接，受电瓦直接与风扇支架的电刷接触。所述涵道体包括风扇支架、涵道外壳，所述风扇支架正中设置有电刷，底端粘贴铜箔电极。涵道控制器包括独立工作的高压模块和电调，高压模块和电调用于控制涡轮风扇组件及涵道体，涡轮风扇组件中的涡轮风扇扇叶前缘及涵道体中导流支架后缘粘贴电极，分别连接高压模块的负、正极，电离涵道内空气，使涵道体内气体膨胀，应用梅里迪斯效应增大排气速度，降低动力系统整体重量，提高推力。电涵道在步进电机驱动下绕动力系统的俯仰轴旋转，涡轮风扇组件绕旋转轴旋转，通过减速轮组驱动齿轮带动涵道支撑块沿滚转导轨运动，进而带动电涵道绕横滚轴旋转，以调整电涵道的偏转角度，从而实现动力系统的矢量推力控制。
本发明所述的单涵道无人探测飞行机器人的操作原理：
首先起飞前准备：飞行机器人启动后，远程遥控端与主控模块建立通讯，同时主控模块对机器人端进行检测，确认飞行机器人的工作状态，自检完成后，操作员通过远程遥控端选择飞行机器人的工作模式，工作模式存在自动作业和手动作业两种情况，通过远程遥控端对主控模块上传任务信息。
当飞行机器人为自动作业过程时：主控模块利用内建的基于CBOW模型的语义分析系统分析任务内容并预先规划数据采集路线，环境感知系统将检测到的飞行机器人周边的信息发送至主控模块，主控模块获取位置信息，并根据周边障碍物及飞行机器人自身位置规划飞行路线并起飞，起飞时，环境感知系统实时处于工作状态，采集机器人周围环境信息，交由主控模块进行障碍物实时定位，自动生成飞行控制指令，主控模块将飞行控制指令传输至姿态控制模块和动力系统，从而修正飞行路线，如果不存在其他飞行物，则按照规定路线起飞，从而实现机器人的稳定可控飞行。起飞后，环境感知系统实时监看周围环境，若其检测到有物体靠近，环境感知系统则先采集物体信息，然后将物体信息传输至主控模块，主控模块发送避让指令，操作动力系统及姿态控制模块执行避让动作。到达作业点后，主控模块根据周边障碍物、机器人自身位置、机器人运动状态、机器人实时负载信息实时调节动力系统的工作状态，在保证飞行机器人在可稳定进行操作的情况下降低能源消耗。作业全过程中，环境感知系统将实时监控画面回传至远程遥控端，若出现操作错误，则操作员通过远程遥控端下达终止操作指令并手动接管，此次操作的指令内容被主控模块记录。作业完成后，主控模块结合环境感知系统输入的信息控制机器人端返航。
当飞行机器人为手动作业过程时：进入手动作业模式后，环境感知系统将采集到的环境数据经主控模块处理后发送至远程遥控端，远程遥控端将数据分析处理后生成图像，同机器人端传回的图像数据一同进行显示。操作员通过远程遥控端向主控模块下达操控指令，指令经主控模块分析后下达给动力系统和姿态控制模块执行操作。操作员给出的操作指令内容由主控模块记录，作为对神经网络模型的进一步训练资料。
本发明所述的单涵道无人探测飞行机器人设计有单独电涵道，能量转化效率高，安全性更强，采用的姿态控制系统可以增加飞行器机动能力及飞行稳定性，通过姿态控制模块可以对飞行机器人的姿态进行紧急调整，增加了飞行机器人的运行安全性，采用电涵道可以增加动力系统的有效推力，同时降低转速，减少运行噪音，该飞行机器人采用的动力系统可实现更大的推力重量比，从而使得该种飞行器具有一定载重能力，扩展了其应用场景。
优选的，主控模块还通过模块连接平台连接有至少一个多功能模块组件，模块连接平台包括与主控模块连接的逻辑硬件，逻辑硬件连接有第一模块连接器。第一模块连接器包括连接器母座和逻辑连接端子，连接器母座设置在结构框架上。逻辑硬件包括连接控制器及逻辑连接端子，逻辑硬件内建于机器人主机的主控模块内，第一模块连接器和逻辑硬件分别通过各自的逻辑连接端子相连接，多功能模块组件与主控模块对接后，通过安装不同的功能组件能够完成不同的工作，当执行作业时，主控模块将预先规划好的操作发送逻辑硬件，逻辑硬件控制多功能模块组件正常运行，执行工作。
优选的，多功能模块组件为电子机械手，电子机械手包括第二模块连接器以及相连接的机械臂和抓持部，电子机械手设置有两个，分别位于机器人端的左右两侧，两个机械手的第二模块连接器与主控模块的第一模块连接器相连，电子机械手通过主控模块进行控制。电子机械手在主控模块的控制下，能够进行抓持、摘取等动作，完成远程遥控端的指令。
优选的，环境感知系统包括传感器阵列、前视深度相机、图像采集模组和定位系统，传感器阵列包括加速度传感器、气压传感器、电子陀螺仪、光照传感器、温度传感器及多个麦克风。传感器阵列中的传感器种类根据实际需要设置，上述传感器协同工作可实现机器人对周遭状况的全方位感知，前视深度相机模组包括固态面阵成像激光雷达，该组件固定于机身前方。所述图像采集模组包括多台广角相机，安装于机身四周，用于采集视觉数据。定位系统包括卫星定位天线及卫星信号收发机。
优选的，姿态控制模块、主控模块和动力系统分别位于机器人端的前段、中段和后段；传感器阵列分散固定在机器人端上。加速度传感器、气压传感器和电子陀螺仪集成于主控模块中，每三个麦克风组成一个等边三角形阵列，麦克风阵列安装于机器人端表面，光照传感器、温度传感器位于机器人端的顶部，前视深度相机位于机器人端的前端，图像采集模组分为两部分，分别位于机器人端的前端和顶部，定位系统位于机器人端的顶部。
优选的，电池组件包括依次相连接的机载电源、电源管理系统、电源分配系统和应急电源，电源分配系统和应急电源均与主控模块相连接，电源分配系统还分别连接至环境感知系统和动力系统。机载电源包括一号电池及二号电池。一号电池及二号电池安装在机器人端前端的电池固定槽内，通过触点实现与机器人主机之间的电气连接，应急电源包括超级电容组件，其可在主电源失效时提供电能备份，在短时间内维持机器人的运行，电源分配系统还连接至模块连接平台，为多功能模块组件供电。
优选的，电源管理系统、电源分配系统和应急电源组成电源管理模块，电源管理模块的外壳由阻燃工程塑料制成，且外壳上开有通风孔，电源管理模块安装至主控模块的下方，通过排针与主控模块实现通信及供电。
优选的，滚转导轨为矩形框架结构，矩形框架结构的两条长棱位于竖直方向且均带有相同的弧度，两条长棱的内侧均设置有齿条，涵道支撑块中设置有步进电机，步进电机的输出轴上配合有与齿条配合的齿轮，涵道支撑块侧壁上开有窗口，齿轮通过窗口与齿条啮合，在主控模块的控制下，步进电机驱动涵道支撑块沿滚转导轨移动。涵道支撑块包含支架环体及固定轴，固定轴包括壳体及步进电机，壳体分前后两部分，后壳体对应位置设置凹槽，凹槽内对应侧开槽孔，壳体内侧设置步进电机安装位，后壳体内步进电机输出轴上安装齿轮，通过后壳槽孔与滚转导轨的齿条配合，滚转导轨内一侧设有齿条。
优选的，主控模块包括主控电脑、通讯控制器和计算模块，主控电脑与通讯控制器、计算机模块电气连接，环境感知系统将信号传输至主控模块的计算模块中，姿态控制模块中的姿态控制器和动力系统中的涵道控制器均与主控电脑电气连接以实现信号传输。计算模块包含微型计算机组件。
优选的，远程遥控端包括控制器主机以及与主控模块中的通讯控制器实现信号传输的通信模块，控制器主机包括控制器电脑和触摸屏，通信模块包括天线组件和应答机组件。操作人员可通过触摸屏向控制器电脑下达指令，进而对机器人端进行远程操控，通信模块用以实现远程遥控端与机器人端之间的通信。
本发明的有益效果是：本发明所述的单涵道无人探测飞行机器人设计有单个电涵道，能量转化效率高，安全性更强，采用的姿态控制系统可以增加飞行器机动能力及飞行稳定性，通过姿态控制模块可以对飞行机器人的姿态进行紧急调整，增加了飞行机器人的运行安全性，采用电涵道可以增加动力系统的有效推力，同时降低转速，减少运行噪音，该飞行机器人采用的动力系统可实现更大的推力重量比，从而使得该种飞行器具有一定载重能力，扩展了其应用场景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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的附图。
图1为本发明所述一种单涵道无人探测飞行机器人的轴测图（去除主控模块且姿态控制模块隐藏在框架结构内）。
图2为本发明所述一种单涵道无人探测飞行机器人的安装主控模块且露出姿态控制模块的轴测图。
图3为本发明所述一种单涵道无人探测飞行机器人完整的俯视结构示意图。
图4为本发明所述一种单涵道无人探测飞行机器人的爆炸结构示意图。
图5为本发明所述动力系统的结构示意图。
图6为本发明所述一种单涵道无人探测飞行机器人的整体系统架构图。
图7为本发明所述一种单涵道无人探测飞行机器人的控制原理框图。
图8为本发明所述一种单涵道无人探测飞行机器人的整体轴测图。
图中：1、主控模块；2、姿态控制模块；3、电源组件；4、环境感知系统；5、动力系统；6、结构框架；7、电涵道；8、滚转导轨；9、涵道支撑块；10、三轴动量轮；11、姿态控制器；12、模块连接平台；13、多功能模块组件；14、机械臂；15、抓持部；16、机载电源；17、电源管理模块。
具体实施方式
下面将结合附图1至附图8对本发明所述的一种单涵道无人探测飞行机器人的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语 “第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电气连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
一种单涵道无人探测飞行机器人，如图1-图8所示，包括机器人端，机器人端包括主控模块1、姿态控制模块2、用于为机器人端供电的电源组件3、用于采集不同数据的环境感知系统4、动力系统5和结构框架6，主控模块1、姿态控制模块2和电源组件3共同组成机器人主机，姿态控制模块2、电源组件3、环境感知系统4、动力系统5均与主控模块1电气连接，动力系统5包括单个电涵道7、用于控制电涵道7的涵道控制器和和两个括弧状且相对设置的滚转导轨8，滚转导轨8上均滑动配合有涵道支撑块9，滚转导轨8和涵道支撑块9共同组成支撑电涵道7的支架，电涵道7通过轴承与涵道支撑块9转动连接；姿态控制模块2包括三轴动量轮10以及用于控制三轴动量轮10的姿态控制器11；主控模块1还配置有用于发送控制信号的远程遥控端，主控模块1、姿态控制模块2、电源组件3、环境感知系统4和动力系统5均固连在结构框架6上，具体控制框图见图7。
本实施例中，如图1-图5所示，滚转导轨8为矩形框架结构，矩形框架结构的两条长棱位于竖直方向且均带有相同的弧度，两条长棱的内侧均设置有齿条，涵道支撑块9中设置有步进电机，步进电机的输出轴上配合有与齿条配合的齿轮，涵道支撑块9侧壁上开有窗口，齿轮通过窗口与齿条啮合，在主控模块1的控制下，步进电机驱动涵道支撑块9沿滚转导轨8移动。涵道支撑块9包含支架环体及固定轴，固定轴包括壳体及步进电机，壳体分前后两部分，后壳体对应位置设置凹槽，凹槽内对应侧开槽孔，壳体内侧设置步进电机安装位，后壳体内步进电机输出轴上安装齿轮，通过后壳槽孔与滚转导轨8的齿条配合，滚转导轨8内一侧设有齿条。
本实施例中，如图1-图5所示，电池组件包括依次相连接的机载电源16、电源管理系统、电源分配系统和应急电源，电源分配系统和应急电源均与主控模块1相连接，电源分配系统还分别连接至环境感知系统4和动力系统5。机载电源16包括一号电池及二号电池。一号电池及二号电池安装在机器人端前端的电池固定槽内，通过触点实现与机器人主机之间的电气连接，应急电源包括超级电容组件，其可在主电源失效时提供电能备份，在短时间内维持机器人的运行，电源分配系统还连接至模块连接平台12，为多功能模块组件13供电。电源管理系统、电源分配系统和应急电源组成电源管理模块17，电源管理模块17的外壳由阻燃工程塑料制成，且外壳上开有通风孔，电源管理模块17安装至主控模块1的下方，通过排针与主控模块1实现通信及供电。
本实施例中，如图1至图6所示，环境感知系统4包括传感器阵列、前视深度相机、图像采集模组和定位系统，传感器阵列包括加速度传感器、气压传感器、电子陀螺仪、光照传感器、温度传感器及多个麦克风。传感器阵列中的传感器种类根据实际需要设置，上述传感器协同工作可实现机器人对周遭状况的全方位感知，前视深度相机模组包括固态面阵成像激光雷达，该组件固定于机身前方。所述图像采集模组包括多台广角相机，安装于机身四周，用于采集视觉数据。定位系统包括卫星定位天线及卫星信号收发机。姿态控制模块2、主控模块1和动力系统5分别位于机器人端的前段、中段和后段；传感器阵列分散在机器人端上。加速度传感器、气压传感器和电子陀螺仪集成于主控模块1中，每三个麦克风组成一个等边三角形阵列，麦克风阵列安装于机器人端表面，光照传感器、温度传感器位于机器人端的顶部，前视深度相机位于机器人端的前端，图像采集模组分为两部分分别位于机器人端的前端和顶部，定位系统位于机器人端的顶部。
本实施例中，如图6和图7所示，主控模块1包括主控电脑、通讯控制器和计算模块，主控电脑与通讯控制器、计算机模块电气连接，环境感知系统4将信号传输至主控模块1的计算模块中，姿态控制模块2中的姿态控制器11和动力系统5中的涵道控制器均与主控电脑电气连接以实现信号传输。计算模块包含微型计算机组件；远程遥控端包括控制器主机以及与主控模块1中的通讯控制器实现信号传输的通信模块，控制器主机包括控制器电脑和触摸屏，通信模块包括天线组件和应答机组件。操作人员可通过触摸屏向控制器电脑下达指令，进而对机器人端进行远程操控，通信模块用以实现远程遥控端与机器人端之间的通信。
本实施例中，如图1至图7所示，主控模块1还通过模块连接平台12连接有至少一个多功能模块组件13，模块连接平台12包括与主控模块1连接的逻辑硬件，逻辑硬件连接有第一模块连接器，第一模块连接器包括连接器母座和逻辑连接端子，连接器母座设置在结构框架6上，逻辑硬件包括连接控制器及逻辑连接端子，逻辑硬件内建于机器人主机的主控模块1内，第一模块连接器和逻辑硬件分别通过各自的逻辑连接端子相连接，多功能模块组件13与主控模块1对接后，通过安装不同的功能组件能够完成不同的工作，当执行作业时，主控模块1将预先规划好的操作发送逻辑硬件，逻辑硬件控制多功能模块组件13正常运行，执行工作。本实施例中，多功能模块组件13为电子机械手，电子机械手包括第二模块连接器以及相连接的机械臂14和抓持部15，第二模块连接器包括与连接器母座相连接的连接基座和逻辑连接端子，电子机械手设置有两个，分别位于机器人端的左右两侧，两个机械手的第二模块连接器与主控模块1的第一模块连接器相连，电子机械手通过主控模块1进行控制。电子机械手在主控模块1的控制下，能够进行抓持、摘取等动作，完成远程遥控端的指令。多功能模块组件13还能设置为拍照模块等其他功能的模块。本实施例中，所述一种单涵道无人探测飞行机器人的整体结构图如图8所示。
如图2所示，主控模块1外壳上设置有散热鳍片，底部设置有排针座子，安装于结构框架6中部的固定位点。结构框架6由复合材料制成，框架为笼形结构，其表面设置有不同组件的安装位点，具体见图4。姿态控制模块2的三轴动量轮10包括四个动量轮，如图4所示，具体为两个较大动量轮和两个较小动量轮，两个较大的动量轮轴线呈90°夹角且分别为Y轴和Z轴，两个较大的动量轮的轴线共面布置，两个较小的动量轮轴线共线且位于X轴上，Y轴、Z轴和X轴构成空间直角坐标系，Y轴、Z轴和X轴上的动量轮按轴向分为三组。四个动量轮安装在同一个动量轮框架上。姿态控制模块2的姿态控制器11中内建运动处理模块、电子陀螺仪及用于驱动三组动量轮的三组直流无刷电机及其驱动模块，三组直流无刷电机及其驱动模块固定在动量轮框架上，姿态控制器11固定在结构框架6的对应固定位点上，机器人端运动时，电子陀螺仪实时读取机器人端姿态，数据接着发送至运动处理模块，经过处理后运动处理模块控制三轴动量轮10动作，通过产生偏转力矩抵消动力系统运行产生的转动惯量和机器人运动过程中受到的微小扰动，维持机器人端的稳定飞行。机器人端转向或机动时，主控模块1将运动指令发送至姿态控制器11，控制三轴动量轮10动作，产生向对应方向的偏转力矩，辅助机器人端实现机动。当机器人端失控坠落时，姿态控制系统通过快速调节三轴动量轮10动作，从而实现纠正机器人端的姿态，以期恢复控制或使机器人端以安全姿态坠地。
动力系统5中，如图5所示，电涵道7包括涡轮风扇组件及涵道体，涡轮风扇组件包括涡轮风扇、永磁体及电磁铁阵列。所述永磁体固定在涡轮风扇外侧，所述电磁铁阵列固定于涵道外侧，所述涡轮风扇前缘粘贴铜箔电极，与风扇中央轴内部的受电瓦连接，受电瓦直接与风扇支架的电刷接触。所述涵道体包括风扇支架、涵道外壳，所述风扇支架正中设置有电刷，底端粘贴铜箔电极。涡轮风扇组件中的涡轮风扇扇叶前缘及涵道体中导流支架后缘粘贴电极，分别连接高压模块的负、正极，电离涵道内空气，使涵道体内气体膨胀，应用梅里迪斯效应增大排气速度，降低动力系统5整体重量，提高推力。电涵道7在步进电机驱动下绕动力系统5的俯仰轴旋转，涡轮风扇组件绕旋转轴旋转，通过减速轮组驱动齿轮带动涵道支撑块9沿滚转导轨8运动，进而带动电涵道7绕横滚轴旋转，以调整电涵道7的偏转角度，从而实现动力系统5的矢量推力控制。
本发明所述的单涵道无人探测飞行机器人的操作原理，参见图7：
首先起飞前准备：机器人端启动后，远程遥控端通过通讯模块与主控模块1中的通孔控制器建立通讯，同时主控模块1对机器人端进行检测，确认机器人端的工作状态，自检完成后，操作员通过远程遥控端的触摸屏选择机器人端的工作模式，工作模式存在自动作业和手动作业两种情况，远程遥控端通过控制器主机对主控模块1上传任务信息。
当飞行机器人为自动作业过程时：主控模块1中的计算模块利用内建的基于CBOW模型的语义分析系统分析任务内容并预先规划数据采集路线，前视深度相机和图像采集模组将检测到的飞行机器人周边的信息发送至计算模块，计算模块从定位系统获取机器人端的位置信息，并根据周边障碍物及飞行机器人自身位置规划飞行路线并起飞，起飞时，传感器阵列开始工作状态，采集机器人周围环境信息，交由计算模块进行障碍物实时定位，自动生成飞行控制指令，主控模块1将飞行控制指令传输至姿态控制模块2和动力系统5，从而修正飞行路线，如果不存在其他飞行物，则按照规定路线起飞，从而实现机器人的稳定可控飞行。起飞后，图像采集模组开始在低分辨率模式下工作，实时监看周围环境，若传感器阵列检测到有物体靠近，则对应方向上的相机以高刷新率开始工作并采集物体的速度等信息，然后将物体信息传输至计算模块，计算模块经过计算向主控模块1的主控电脑发送避让指令，主控模块1操作动力系统5及姿态控制模块2执行避让动作。到达作业点后，主控模块1根据周边障碍物、机器人自身位置、机器人运动状态、机器人实时负载信息实时调节动力系统5的工作状态，在保证飞行机器人在可稳定进行操作的情况下降低能源消耗。执行作业任务时，计算模块将预先规划的操作发送至主控电脑，而后发送至模块连接平台12逻辑硬件，控制多功能模块组件13执行相应任务。作业全过程中，图像采集模组通过通讯控制器将实时监控画面回传至远程遥控端的控制器主机上，若出现操作错误，则操作员通过远程遥控端的触摸屏下达终止操作指令并手动接管，此次操作的指令内容被计算模块记录。作业完成后，计算模块结合环境感知系统4输入的信息控制机器人端返航。
当飞行机器人为手动作业过程时：进入手动作业模式后，环境感知系统4将采集到的环境数据经计算模块处理后发送至远程遥控端，远程遥控端中的控制器电脑将数据分析处理后生成图像，同机器人端传回的图像数据一同发送给触摸屏显示。操作员通过远程遥控端的触摸屏向主控模块1下达操控指令，指令经主控模块1的主控电脑分析后下达给动力系统5和姿态控制模块2执行操作。操作员给出的操作指令内容由计算模块记录，作为对神经网络模型的进一步训练资料。最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种单涵道无人探测飞行机器人，其特征在于，包括机器人端，机器人端包括主控模块(1)、姿态控制模块(2)、用于为机器人端供电的电源组件(3)、用于采集不同数据的环境感知系统(4)、动力系统(5)和结构框架(6)，姿态控制模块(2)、电源组件(3)、环境感知系统(4)、动力系统(5)均与主控模块(1)电气连接，动力系统(5)包括单个电涵道(7)、用于控制电涵道(7)的涵道控制器和两个括弧状且相对设置的滚转导轨(8)，滚转导轨(8)上均滑动配合有涵道支撑块(9)，电涵道(7)通过轴承与涵道支撑块(9)转动连接；姿态控制模块(2)包括三轴动量轮(10)以及用于控制三轴动量轮(10)的姿态控制器(11)；主控模块(1)还配置有用于发送控制信号的远程遥控端，主控模块(1)、姿态控制模块(2)、电源组件(3)、环境感知系统(4)和动力系统(5)均固连在结构框架(6)上。
2.根据权利要求1所述的一种单涵道无人探测飞行机器人，其特征在于，主控模块(1)还通过模块连接平台(12)连接有至少一个多功能模块组件(13)，模块连接平台(12)包括与主控模块(1)连接的逻辑硬件，逻辑硬件连接有第一模块连接器。
3.根据权利要求2所述的一种单涵道无人探测飞行机器人，其特征在于，多功能模块组件(13)为电子机械手，电子机械手包括第二模块连接器以及相连接的机械臂(14)和抓持部(15)，电子机械手设置有两个，分别位于机器人端的左右两侧，两个机械手的第二模块连接器与主控模块(1)的第一模块连接器相连，电子机械手通过主控模块(1)进行控制。
4.根据权利要求1至3任一项所述的一种单涵道无人探测飞行机器人，其特征在于，环境感知系统(4)包括传感器阵列、前视深度相机、图像采集模组和定位系统，传感器阵列包括加速度传感器、气压传感器、电子陀螺仪、光照传感器、温度传感器及多个麦克风。
5.根据权利要求4所述的一种单涵道无人探测飞行机器人，其特征在于，姿态控制模块(2)、主控模块(1)和动力系统(5)分别位于机器人端的前段、中段和后段；传感器阵列分散固定在机器人端上。
6.根据权利要求5所述的一种单涵道无人探测飞行机器人，其特征在于，电池组件包括依次相连接的机载电源(16)、电源管理系统、电源分配系统和应急电源，电源分配系统和应急电源均与主控模块(1)相连接，电源分配系统还分别连接至环境感知系统(4)和动力系统(5)。
7.根据权利要求6所述的一种单涵道无人探测飞行机器人，其特征在于，电源管理系统、电源分配系统和应急电源组成电源管理模块(17)，电源管理模块(17)的外壳由阻燃工程塑料制成，且外壳上开有通风孔，电源管理模块(17)安装至主控模块(1)的下方，通过排针与主控模块(1)实现通信及供电。
8.根据权利要求7所述的一种单涵道无人探测飞行机器人，其特征在于，滚转导轨(8)为矩形框架结构，矩形框架结构的两条长棱位于竖直方向且均带有相同的弧度，两条长棱的内侧均设置有齿条，涵道支撑块(9)中设置有步进电机，步进电机的输出轴上配合有与齿条配合的齿轮，涵道支撑块(9)侧壁上开有窗口，齿轮通过窗口与齿条啮合，在主控模块(1)的控制下，步进电机驱动涵道支撑块(9)沿滚转导轨(8)移动。
9.根据权利要求8所述的一种单涵道无人探测飞行机器人，其特征在于，主控模块(1)包括主控电脑、通讯控制器和计算模块，主控电脑与通讯控制器、计算机模块电气连接，环境感知系统(4)将信号传输至主控模块(1)的计算模块中，姿态控制模块(2)中的姿态控制器(11)和动力系统(5)中的涵道控制器均与主控电脑电气连接以实现信号传输。
10.根据权利要求9所述的一种单涵道无人探测飞行机器人，其特征在于，远程遥控端包括控制器主机以及与主控模块(1)中的通讯控制器实现信号传输的通信模块，控制器主机包括控制器电脑和触摸屏，通信模块包括天线组件和应答机组件。
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