CN115384797A - 一种无人机自动巡检机巢、无人机及巡检系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无人机自动巡检机巢、无人机及巡检系统，包括机巢本体，机巢本体用于无人机的停靠、更换电池及数据传输，无人机，配合机巢使用，包括机身、旋翼碳管、旋翼、电池舱、起落架、前向VALAM视觉避障传感器、360度激光雷达避障装置、双光吊舱。自动巡检系统，包括远程控制系统、安装于机巢的机巢控制系统、安装于无人机的无人机控制系统。无人机自动化巡检装置便于长期贮存于室外环境对特定目标物进行日常巡检的场景使用，可实时获取高分辨率可见光和红外的图像及视频，采集的成果可用于目标物状态识别，真正做到无人值守，自主换电，远程监控，无人数据处理，全自主飞行作业。

Description

一种无人机自动巡检机巢、无人机及巡检系统
技术领域
本发明属于无人机设备的技术领域，特别是涉及一种无人机自动巡检机巢、无人机及巡检系统。
背景技术
无人机自动化巡检系统由机巢平台、无人机平台、外部气象站构成的智能立体化巡检平台。任务执行时通过可见光和红外成像对重点区域或目标进行巡检，具有将巡检图像实时传输至地面监控指挥系统的功能，任务完成后具有通过机巢平台为无人机提供存放场地和自动充换电的功能。
无人机自动化巡检系统便于长期贮存于室外环境对特定目标物进行日常巡检的场景使用，可实时获取高分辨率可见光和红外的图像及视频，采集的成果可用于目标物状态识别，具有视觉效果好、采集周期短、省人力、高度还原真实世界等特点，同时系统具备自主起飞，智能巡检，自动、手动飞行模式无缝切换，精准回巢，远程控制，快速换电复飞，视频实时回传等功能。真正做到无人值守，自主换电，远程监控，无人数据处理，全自主飞行作业。
发明内容
本发明的目的在于提供一种无人机自动巡检机巢、无人机及巡检系统，真正做到无人值守，自主换电，远程监控，无人数据处理，全自主飞行作业。
为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种无人机自动巡检机巢，包括机巢本体，所述机巢本体为箱体结构，所述机巢本体用于无人机的停靠、更换电池及数据传输；
所述机巢本体上侧开口并具有可开合仓门，配置有控制仓门开合的仓门控制装置；
所述机巢本体内部安装有停靠无人机的无人机平台，所述无人机平台具有夹持固定无人机的夹持装置；所述机巢本体中安装有驱动无人机平台升降的升降装置，所述机巢本体中安装有可充电的电池舱，并安装有控制无人机进行更换电池的机械臂装置。
进一步地，所述机巢本体内部还安装有监控内部环境的监控设备。
一种自动巡检无人机，配合机巢使用，包括机身、旋翼碳管、旋翼、电池舱、起落架、前向VALAM视觉避障传感器、360度激光雷达避障装置、双光吊舱。
一种无人机自动巡检系统，采用机巢及无人机；包括远程控制系统、安装于机巢的机巢控制系统、安装于无人机的无人机控制系统；
所述远程控制系统分别与机巢控制系统和无人机控制系统通过无线以太网实现通信控制；
(1)远程控制系统由自动任务设置或人工设置选择飞行航线，确定任务执行命令启动系统执行巡检任务；
(2)首先，远程控制系统向机巢控制系统发送“飞机推出”指令，机巢控制系统接收信号后，启动机巢硬件设备，将无人机推出机巢，完成后反馈至远程控制系统；
(3)远程控制系统接收反馈信号，然后发送“飞行数据”至无人机控制系统，无人机控制接收“飞行数据”并反馈远程控制系统，完成飞行数据传输；
(4)远程控制系统接收反馈信号，向机巢控制系统发送“解除固定”信号，机巢控制系统接收信号并控制机巢硬件设备解除无人机固定，并反馈至远程控制系统；
(5)远程控制系统接收反馈信号，显示完成起飞条件，自动通过远程控制系统向无人机控制系统发送“起飞”指令，无人机顺利起飞后反馈至远程控制系统；
(6)远程控制系统接收反馈信号，向机巢控制系统发送“机巢待命”指令信号，机巢硬件设备处于待命状态；
(7)无人机在飞行数据指引下完成巡检任务，向远程控制系统发送巡检数据，发送“完成巡检任务”指令信号；
(8)远程控制系统接收反馈信号，向无人机控制系统发送“返航”指令信号，无人机控制系统接收信号，自动定位机巢位置，降落在机巢指定降落点，反馈信号至远程控制系统；
(9)远程控制系统接收反馈信号，向机巢控制系统发送“飞机回收”指令信号，机巢控制系统接收信号后将无人机收回到机巢内部并关闭仓门，反馈信号至远程控制系统；
(10)远程控制系统接收反馈信号，人工确定巡检任务完成，导出巡检数据。
进一步地，所述机巢控制系统包括机巢控制器；
包括控制夹持装置运行的夹持驱动模块；
包括控制升降装置运行的升降驱动模块；
包括控制仓门控制装置运行的仓门驱动模块；
所述机巢控制系统接受“飞机推出”指令信号，由机巢控制器依次执行控制仓门驱动模块打开仓门、控制升降驱动模块使无人机平台上升；
所述机巢控制系统接收“解除固定”指令信号，由机巢控制器控制夹持驱动模块使无人机脱离夹持状态；
所述机巢控制器接受“飞机回收”指令后，依次执行控制夹持驱动模块使夹持装置夹持固定无人机，控制升降驱动模块使无人机平台下降，控制仓门驱动模块关闭仓门。
进一步地，所述机巢控制系统还包括控制机械臂装置运行的机械臂驱动模块；
所述机巢控制系统接受“飞机推出”指令信号，首先执行机械臂驱动模块，驱动机械臂装置运行，从电池舱中取出电池并安装于无人机电池舱，然后依次执行控制仓门驱动模块打开仓门、控制升降驱动模块使无人机平台上升；
所述机巢控制器接受“飞机回收”指令后，依次执行控制夹持驱动模块使夹持装置夹持固定无人机，控制升降驱动模块使无人机平台下降，控制仓门驱动模块关闭仓门，并控制机械臂驱动模块控制机械臂装置运行将无人机中的电池转移至可充电的电池舱中。
进一步地，所述机巢控制系统还包括控制监控设备进行机巢内部环境监测的监控驱动模块。
进一步地，无人机控制系统包括无人机控制器；
包括轨迹控制模块、位置控制模块、姿态控制模块、图像传输模块、图像拍摄模块、视觉避障模块、激光雷达避障模块、RTK定位模块。
进一步地，包括安装于机巢本体旁侧的气象监测设备，所述机巢控制系统包括控制气象监测设备的气象监测模块，通过机巢控制器控制气象监测模块，驱动气象监测设备运行，用于确认天气情况。
本发明具有以下有益效果：无人机自动化巡检装置便于长期贮存于室外环境对特定目标物进行日常巡检的场景使用，可实时获取高分辨率可见光和红外的图像及视频，采集的成果可用于目标物状态识别，具有视觉效果好、采集周期短、省人力、高度还原真实世界等特点，同时系统具备自主起飞，智能巡检，自动、手动飞行模式无缝切换，精准回巢，远程控制，快速换电复飞，视频实时回传等功能。真正做到无人值守，自主换电，远程监控，无人数据处理，全自主飞行作业。
考虑无人机的飞行特点、作业能力、巡检距离、拍照要求、相机焦距等条件，对起降点至主要设备巡检轨迹的航线设计，均采用安全的教练模式规划航线，可对低空巡检、中部巡检、高空巡检等航线进行飞行规划，提高自动飞行航线的安全性。
自动化巡检装置软件通过自组网实现与无人机和智能机巢的数据通信交互，将航线和一键开始的启动指令下发至无人机和智能机巢，无人机和智能机巢按自动任务流程“机巢检查、安装电池、飞机推出、飞机自检、RTK检查、加载航线、解除固定、飞机起飞、机巢待命、飞机状态、降落接机、正在降落、飞机回收和拆卸电池”自动进行任务执行，任务执行过程中实时接收无人机实时状态数据信息和机巢状态数据信息，实现巡检任务一键执行、无人机实时状态监控、巡检数据实时查看等功能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍。
图1：本发明结构示意图。
图2：本发明机巢本体内部结构示意图。
图3：本发明控制模块示意图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：机巢本体1、无人机2、仓门控制装置3、无人机平台4、夹持装置41、升降装置5、电池舱7、机械臂装置6、气象监测设备8。
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。
如图1-2所示：一种无人机自动巡检机巢，包括机巢本体1，机巢本体1为箱体结构，机巢本体1用于无人机2的停靠、更换电池及数据传输；
机巢本体1上侧开口并具有可开合仓门，配置有控制仓门开合的仓门控制装置3；
机巢本体1内部安装有停靠无人机的无人机平台4，无人机平台4具有夹持固定无人机的夹持装置41；机巢本体1中安装有驱动无人机平台升降的升降装置5，机巢本体1中安装有电池舱7，并安装有控制无人机2进行更换电池的机械臂装置6。
机巢本体1内部还安装有监控内部环境的监控设备。
一种自动巡检无人机，包括机身、旋翼碳管、旋翼、电池舱、起落架、前向VALAM视觉避障传感器、360度激光雷达避障装置、双光吊舱。无人机为四旋翼无人机，4.5Kg最大起飞重量，对角马达轴距为600mm，飞行时长超过20min，悬停精度水平≤1.5m,垂直≤0.5m。最大旋转角度120度/秒，最大倾斜角度30度，最大飞行速度45km/h，最大上升速度5m/s，最大下降速度3m/s，最大抗风等级15m/s。电池配置为6s12000mah锂聚合物超高压电池组。适配双光吊舱，分辨率不低于1920×1080，不低于25帧/秒，10倍光学变焦；红外参数：分辨率不低于640×480。
机体为碳纤维板，该机起落架与机体采用快速拆卸机构可快速与机体分离。旋翼通过螺栓与电机连接，电机通过螺栓与旋翼连接块连接，由电机提供动力驱动旋翼旋转，旋翼连接块通过旋翼碳管与机身连接，构成无人机整体。
机身平台搭载设备包括搭载双光吊舱、避障设备、无人机电池套装和无线自组网设备等。
如图3所示：一种无人机自动巡检系统，包括远程控制系统、安装于机巢的机巢控制系统、安装于无人机的无人机控制系统；
远程控制系统分别与机巢控制系统和无人机控制系统通过无线以太网实现通信控制；
(1)远程控制系统由自动任务设置或人工设置选择飞行航线，确定任务执行命令启动系统执行巡检任务；
(2)首先，远程控制系统向机巢控制系统发送“飞机推出”指令，机巢控制系统接收信号后，启动机巢硬件设备，将无人机推出机巢，完成后反馈至远程控制系统；
(3)远程控制系统接收反馈信号，然后发送“飞行数据”至无人机控制系统，无人机控制接收“飞行数据”并反馈远程控制系统，完成飞行数据传输；
(4)远程控制系统接收反馈信号，向机巢控制系统发送“解除固定”信号，机巢控制系统接收信号并控制机巢硬件设备解除无人机固定，并反馈至远程控制系统；
(5)远程控制系统接收反馈信号，显示完成起飞条件，自动通过远程控制系统向无人机控制系统发送“起飞”指令，无人机顺利起飞后反馈至远程控制系统；
(6)远程控制系统接收反馈信号，向机巢控制系统发送“机巢待命”指令信号，机巢硬件设备处于待命状态；
(7)无人机在飞行数据指引下完成巡检任务，向远程控制系统发送巡检数据，发送“完成巡检任务”指令信号；
(8)远程控制系统接收反馈信号，向无人机控制系统发送“返航”指令信号，无人机控制系统接收信号，自动定位机巢位置，降落在机巢指定降落点，反馈信号至远程控制系统；
(9)远程控制系统接收反馈信号，向机巢控制系统发送“关闭机巢”指令信号，机巢控制系统接收信号后将无人机收回到机巢内部并关闭仓门，反馈信号至远程控制系统；
(10)远程控制系统接收反馈信号，人工确定巡检任务完成，导出巡检数据。
该系统主要功能是通过以太网网口或者串口接收指令，控制机巢仓门打开与闭合，无人机归中与无人机电池自动充电，上传机巢状态数据、电池充电监控数据、机巢报警等数据。
该系统主控选用STM32F407单片机，在通信方面：对外上传与接收数据分别预留RJ45以太网网口以及RS232接口；其他通信接口方面有4路RS485接口，一路与伺服电机放大器进行通信，1路与空调通信，一路与风速风向传感器通信，另外一路为预留通信接口；
监测与信息采集板载方面：预留4路ADC采集接口、8路IO输入接口、，ADC用于监测机巢内部温度以及无人机电磁充电电压、电流等；IO输入接口用接收机巢烟雾、雨量等报警信息；
控制方面：预留4路PWM脉冲接口与4路IO输出接口，PWM脉冲可用于按钮控制、电机同步等场景，IO输出接口用于控制继电器、电磁铁、灯光控制等。
机巢控制系统包括机巢控制器；
包括控制夹持装置运行的夹持驱动模块；
包括控制升降装置运行的升降驱动模块；
包括控制仓门控制装置运行的仓门驱动模块；
机巢控制系统接受“飞机推出”指令信号，由机巢控制器依次执行控制仓门驱动模块打开仓门、控制升降驱动模块使无人机平台上升；
机巢控制系统接收“解除固定”指令信号，由机巢控制器控制夹持驱动模块使无人机脱离夹持状态；
机巢控制器接受“飞机回收”指令后，依次执行控制夹持驱动模块使夹持装置夹持固定无人机，控制升降驱动模块使无人机平台下降，控制仓门驱动模块关闭仓门。仓门开合方式，顶部侧边双向开门。
机巢控制系统还包括控制机械臂装置运行的机械臂驱动模块；
机巢控制系统接受“飞机推出”指令信号，首先执行机械臂驱动模块，驱动机械臂装置运行，从电池舱中取出电池并安装于无人机电池舱，然后依次执行控制仓门驱动模块打开仓门、控制升降驱动模块使无人机平台上升；
机巢控制器接受“飞机回收”指令后，依次执行控制夹持驱动模块使夹持装置夹持固定无人机，控制升降驱动模块使无人机平台下降，控制仓门驱动模块关闭仓门，并控制机械臂驱动模块控制机械臂装置运行将无人机中的电池转移至可充电的电池舱中。可充电的电池舱充电槽位为四个。电池进入可充电的电池舱之后，自动对接充电口进行充电。电池充电监测系统主要功能是满足在取下无人机电池放置于充电电池舱后对无人机电池进行自动充电，并对充电电压、电池电压、充电电流进行监测。
机巢控制系统还包括控制监控设备进行机巢内部环境监测的监控驱动模块。对机巢内重点区域进行实时监控显示，提供预警。
无人机控制系统包括无人机控制器；采用了32位ARM处理器，它采用了STMicroelectronic先进的处理器及传感器技术且搭载了Nuttx的实时操作系统。操作系统作为系统运行的基础软件平台，提供任务调度和文件操作功能，与底层驱动层相连接，降低系统的耦合度，提高系统平台可移植性。底层驱动是直接和硬件打交道的，主要完成具体硬件平台的控制功能。
包括轨迹控制模块、位置控制模块、姿态控制模块、图像传输模块、图像拍摄模块、视觉避障模块、激光雷达避障模块、RTK定位模块。图像数据传输到机器人巡视平台的时延小于0.3s，数据传输下行带宽不小于10M。视觉避障模块为VSLAM视觉避障模块，采用英特尔公司生产的D435I双目视觉相机。激光雷达避障模块选用SLAMTEC公司的RPLIDARA3产品。
无人机完成任务后，无人机自动返回智能机巢，系统通过RTK定位技术实现无人机精准降落，无人机降落后，智能机巢自动回收无人机并进行电池更换及充电，可快速实现其他巡检作业任务。
包括安装于机巢本体旁侧的气象监测设备8，机巢控制系统包括控制气象监测设备的气象监测模块，通过机巢控制器控制气象监测模块，驱动气象监测设备运行，用于确认天气情况。气象监测设备用于监测机巢位置的风速、风向、温度和降水情况等，对机巢位置的气候进行预判，并将气象数据通过机巢控制系统发送至远端控制系统，方便远程知晓机巢位置的气候，判断是否满足起飞条件。
无人机执行完飞行任务后，降落至升降平台后，通过归中模组将无人机进行位置归中后进行无人机夹紧固定，升降平台下降至更换电池的充电位置，换电机械手移动至无人机电池位置后将电池取下，并将电池自动放置空的充电电池舱对无人机电池进行充电，充电过程中可对电池的充电电压、电池电压、充电电流以及电池温度进行监测。
无人机自动化巡检装置软件技术规格参数表
Figure BDA0003791525690000121
本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。

Claims (9)

1.一种无人机自动巡检机巢，其特征在于：
包括机巢本体(1)，所述机巢本体(1)为箱体结构，所述机巢本体(1)用于无人机(2)的停靠、更换电池及数据传输；
所述机巢本体(1)上侧开口并具有可开合仓门，配置有控制仓门开合的仓门控制装置(3)；
所述机巢本体(1)内部安装有停靠无人机的无人机平台(4)，所述无人机平台(4)具有夹持固定无人机的夹持装置(41)；所述机巢本体(1)中安装有驱动无人机平台升降的升降装置(5)，所述机巢本体(1)中安装有可充电的电池舱(7)，并安装有控制无人机(2)进行更换电池的机械臂装置(6)。
2.根据权利要求1所述一种无人机自动巡检机巢，其特征在于：所述机巢本体(1)内部还安装有监控内部环境的监控设备。
3.一种自动巡检无人机，配合权利要求1所述的机巢使用，其特征在于：包括机身、旋翼碳管、旋翼、电池舱、起落架、前向VALAM视觉避障传感器、360度激光雷达避障装置、双光吊舱。
4.一种无人机自动巡检系统，采用权利要求1所述的机巢及权利要求3所述的无人机；其特征在于：包括远程控制系统、安装于机巢的机巢控制系统、安装于无人机的无人机控制系统；
所述远程控制系统分别与机巢控制系统和无人机控制系统通过无线以太网实现通信控制；
(1)远程控制系统由自动任务设置或人工设置选择飞行航线，确定任务执行命令启动系统执行巡检任务；
(2)首先，远程控制系统向机巢控制系统发送“飞机推出”指令，机巢控制系统接收信号后，启动机巢硬件设备，将无人机推出机巢，完成后反馈至远程控制系统；
(3)远程控制系统接收反馈信号，然后发送“飞行数据”至无人机控制系统，无人机控制接收“飞行数据”并反馈远程控制系统，完成飞行数据传输；
(4)远程控制系统接收反馈信号，向机巢控制系统发送“解除固定”信号，机巢控制系统接收信号并控制机巢硬件设备解除无人机固定，并反馈至远程控制系统；
(5)远程控制系统接收反馈信号，显示完成起飞条件，自动通过远程控制系统向无人机控制系统发送“起飞”指令，无人机顺利起飞后反馈至远程控制系统；
(6)远程控制系统接收反馈信号，向机巢控制系统发送“机巢待命”指令信号，机巢硬件设备处于待命状态；
(7)无人机在飞行数据指引下完成巡检任务，向远程控制系统发送巡检数据，发送“完成巡检任务”指令信号；
(8)远程控制系统接收反馈信号，向无人机控制系统发送“返航”指令信号，无人机控制系统接收信号，自动定位机巢位置，降落在机巢指定降落点，反馈信号至远程控制系统；
(9)远程控制系统接收反馈信号，向机巢控制系统发送“飞机回收”指令信号，机巢控制系统接收信号后将无人机收回到机巢内部并关闭仓门，反馈信号至远程控制系统；
(10)远程控制系统接收反馈信号，人工确定巡检任务完成，导出巡检数据。
5.根据权利要求4所述一种无人机自动巡检系统，其特征在于：所述机巢控制系统包括机巢控制器；
包括控制夹持装置运行的夹持驱动模块；
包括控制升降装置运行的升降驱动模块；
包括控制仓门控制装置运行的仓门驱动模块；
所述机巢控制系统接受“飞机推出”指令信号，由机巢控制器依次执行仓门驱动模块打开仓门、升降驱动模块使无人机平台上升；
所述机巢控制系统接收“解除固定”指令信号，由机巢控制器执行夹持驱动模块使无人机脱离夹持状态；
所述机巢控制器接受“飞机回收”指令后，依次执行夹持驱动模块使夹持装置夹持固定无人机，执行升降驱动模块使无人机平台下降，执行仓门驱动模块关闭仓门。
6.根据权利要求5所述一种无人机自动巡检系统，其特征在于：所述机巢控制系统还包括控制机械臂装置运行的机械臂驱动模块；
所述机巢控制系统接受“飞机推出”指令信号，首先执行机械臂驱动模块，驱动机械臂装置运行，从电池舱中取出电池并安装于无人机电池舱，然后依次执行仓门驱动模块打开仓门、升降驱动模块使无人机平台上升；
所述机巢控制器接受“飞机回收”指令后，依次执行夹持驱动模块使夹持装置夹持固定无人机，升降驱动模块使无人机平台下降，仓门驱动模块关闭仓门，并执行机械臂驱动模块控制机械臂装置运行将无人机中的电池转移至可充电的电池舱中。
7.根据权利要求5所述一种无人机自动巡检系统，其特征在于：所述机巢控制系统还包括控制监控设备进行机巢内部环境监测的监控驱动模块。
8.根据权利要求4所述一种无人机自动巡检系统，其特征在于：无人机控制系统包括无人机控制器；
包括轨迹控制模块、位置控制模块、姿态控制模块、图像传输模块、图像拍摄模块、视觉避障模块、激光雷达避障模块、RTK定位模块。
9.根据权利要求4所述一种无人机自动巡检系统，其特征在于：包括安装于机巢本体旁侧的气象监测设备(8)，所述机巢控制系统包括控制气象监测设备的气象监测模块，通过机巢控制器执行气象监测模块，驱动气象监测设备运行，用于确认天气情况。
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