CN115593623A - 一种搭载检测设备的飞爬结构无人机及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种搭载检测设备的飞爬结构无人机及控制方法，包括连接杆，机身，旋翼系统，转向系统；所述连接杆对称设置于机身的两侧；所述旋翼系统对称分布于机身的四周并与连接杆进行连接，构成无人机的飞行结构；所述转向系统分布于机身的四周并设置于旋翼系统远离机身一侧的连接杆上，构成无人机的爬行结构。本方案通过飞爬结构的无人机搭载隧道结构检测设备来进行隧道结构健康检测，可有效解决传统人工检测高处危险作业，大大提高了检测效率。

Description

一种搭载检测设备的飞爬结构无人机及控制方法

技术领域

本发明涉及电子科技技术领域，具体涉及一种搭载检测设备的飞爬结构无人机及无人机的控制方法。

背景技术

近年来中国在建筑行业的投入不断加大，建筑业项目施工向更加智能化的方向发展。在公路，铁路项目隧道施工完成后，需要花费大量的人力物力来进行隧道断面结构的检测，同时需要配合车辆，搭设支架，人工高处作业来将设备放置于隧道表面进行检测，检测效率低下，给施工人员人身带来极大的威胁。

由此可见，如何提高高处结构检测装置的检测的效率为本领域需解决的问题。

发明内容

针对于现有高处结构检测装置存在检测效率低的技术问题，本发明的目的在于提供一种搭载检测设备的飞爬结构无人机，其可有效解决传统人工检测高处危险作业、检测效率低的问题；在此基础上，还给出了无人机的控制方法，很好地克服了现有技术所存在的问题。

为了达到上述目的，本发明提供的一种搭载检测设备的飞爬结构无人机，包括连接杆，机身，旋翼系统，转向系统；所述连接杆对称设置于机身的两侧；所述旋翼系统对称分布于机身的四周并与连接杆进行连接，构成无人机的飞行结构；所述转向系统分布于机身的四周并设置于旋翼系统远离机身一侧的连接杆上，构成无人机的爬行结构。

进一步地，所述旋翼系统包括第一矢量旋翼，第二矢量旋翼，第三矢量旋翼，第四矢量旋翼，并对称分布于机身的四周并通过设置安装底座与连接杆进行连接；所述第一矢量旋翼，第二矢量旋翼，第三矢量旋翼，第四矢量旋翼分别配合设有一个传动组件。

进一步地，所述第一矢量旋翼，第二矢量旋翼，第三矢量旋翼，第四矢量旋翼结构相同，分别包括桨叶以及旋翼电机，所述旋翼电机设置于安装底座内，其电机轴穿过安装底座与桨叶驱动连接，所述桨叶可在电机轴的驱动下进行转动。

进一步地，所述桨叶外围设置有保护罩。

进一步地，所述传动组件包括第一转向电机和第二转向电机；

所述第一转向电机设置于安装底座外侧壁并与连接杆连接，所述第二转向电机设置于安装底座内部并与桨叶连接；

所述第一转向电机与第二转向电机通过齿轮传动，带动桨叶进行不同方向的转向。

进一步地，所述转向系统包括第一万向转动轮组件，第二万向转动轮组件，第三万向转动轮组件，第四万向转动轮组件，四个万向转动轮组件分布于机身的四周并设置于旋翼系统远离机身一侧的连接杆上；第一万向转动轮组件，第二万向转动轮组件，第三万向转动轮组件，第四万向转动轮组件分别配合设有一个转向驱动组件。

进一步地，所述转向驱动组件包括车轮舵机以及车轮电机；

所述车轮电机的电机轴与万向转动轮组件驱动连接，另一端与连接杆通过铰接结构进行连接；所述车轮电机能够带动万向转动轮组件相对连接进行转动；

所述车轮舵机包括控制器和转杆；所述控制器设置于连接杆上；所述控制器驱动连接转杆的一端，所述转杆的另一端驱动连接车轮电机，通过控制器控制转杆驱动电机轴带动万向转动轮组件进行转动。

进一步地，所述第一万向转动轮组件，第二万向转动轮组件，第三万向转动轮组件，第四万向转动轮组件结构相同，分别包括车轮轮毂以及车轮防滑皮带；所述车轮轮毂与车轮电机连接；所述车轮防滑皮带设置于车轮轮毂外侧。

进一步地，所述搭载检测设备的飞爬结构无人机还包括任务载荷系统；所述任务载荷系统包括若干载荷系统以及若干连接件；所述若干载荷系统通过连接件分别设置于机身的一端的上方和下方以及机身中心的上方和下方。

进一步地，所述机身内部前后方分别设有配重组件。

进一步地，所述搭载检测设备的飞爬结构无人机还包括调节系统；所述调节系统为矢量尾翼，其安装于机身的尾部的端面上；所述矢量尾翼包括旋转电机，桨叶；所述旋转电机设置于机身内，其电机轴穿过机身与桨叶驱动连接，电机轴的旋转可驱动桨叶不断调节向下的角度，来实现无人机整体的旋转。

为了达到上述目的，本发明提供的一种搭载检测设备的飞爬结构无人机的控制方法，基于权利要求1～11中任意一项所述的搭载检测设备的飞爬结构无人机实现无人机的飞行状态及贴壁爬行状态。

进一步地，通过控制旋翼系统上矢量旋翼的旋转速度来控制无人机的飞行状态。

进一步地，通过控制调节系统上矢量尾翼向下的角度来控制无人机的贴壁状态。

进一步地，通过控制转向系统上万向转动轮的转动方向来控制无人机的爬行状态。

本发明提供的搭载检测设备的飞爬结构无人机及控制方法，其通过飞爬结构的无人机搭载隧道结构检测设备来进行隧道结构健康检测，可有效解决传统人工检测高处危险作业，大大提高了检测效率。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。

图1为本无人机的整体结构示意图；

图2为本无人机的底部结构示意图；

图3为本无人机中旋翼系统结构的俯视图；

图4为本无人机中旋翼系统结构的顶部结构示意图；

图5为本无人机中旋翼系统的局部结构示意图；

图6为本无人机中转向系统的转向驱动组件的具体结构示意图

图7为本无人机中转向系统的万向转动轮组件的结构示意图；

图8为本无人机中万向转动轮正常工作下的状态示意图；

图9为本无人机中万向转动轮的锁死状态示意图；

图10为本无人机控制过程示意图。

下面为附图中的部件标注说明：

100.架体支撑系统200.旋翼系统300.转向系统400.调节系统500.任务荷载系统110.机身120.第一连接杆130.第二连接杆140.安装底座210.第一矢量旋翼220.第二矢量旋翼230.第三矢量旋翼240.第四矢量旋翼250.第一转向电机260.第二转向电机270.旋翼电机280.桨叶290.保护罩310.车轮轮毂320.车轮防滑皮带330.车轮电机340.车轮舵机331.铰接结构341.控制器342.转杆510.荷载设备520.耳板。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

针对于现有高处结构检测装置存在检测效率低的技术问题，基于此技术问题，本发明提供了一种搭载检测设备的飞爬结构无人机及控制方法，其通过飞爬结构的无人机搭载隧道结构检测设备来进行隧道结构健康检测，可有效解决传统人工检测高处危险作业，大大提高了检测效率。

参见图1，本方案提供的载检测设备的飞爬结构无人机包括架体支撑系统100，旋翼系统200，转向系统300，调节系统400，任务荷载系统500，避障定位与导航系统以及电源系统。

其中，架体支撑系统100为整体的安装体和连接体；其包括机身110和结构杆件。

结构杆件为机身110与旋翼系统200以及转向系统300之间的连接体，其包括第一连接杆120和第二连接杆130；第一连接杆120和第二连接杆130分别穿设于机身110的前端和后端。

机身110为整体无人机的控制中心，机身100内部为空腔，其设有控制单元。

这里结构杆件与机身100的外壳优选采用碳纤维材质，其具有轻质高强的特点；但不限定于采用碳纤维材质，具体的可根据实际情况而定。

进一步地，控制单元为控制电路板，控制电路板与无人机内部的控制件配合连接，控制无人机进行相应的操作；控制电路板上设有电调，电台，信号放大器，电路线路，飞控，图传，数传等无人机飞行关键模块。

这里，对于控制电路板上的模块组成方案不加以限定，具体可根据实际需求而定。作为举例，控制电路板上的模块组成方案，如相应的元器件模块的构成，各个模块之间的连接关系及工作原理可采用现有稳定可靠的技术方案，此处不加以赘述。

电源系统用于为无人机结构提供电能；其设置于机身110内部，其包括电池。

电池放置于机身110内部，与无人机内部的动力组件配合连接，为无人机的运行提供动力来源。

任务荷载系统500为检测装置，用于完成检测任务。

载荷装置500包括若干耳板520以及若干载荷设备510。

参见图2和图7，若干耳板520设置于机身110的前部上方和下方、机身110中心的上方和下方；若干的载荷设备520通过紧固件与若干耳板520分别连接，将载荷设备510分别分布与机身110的前部上方和下方以及机身中心的上方和下方，实现全方位的检测。

另外，为保持无人机的平衡，在机身110内部的前后方分别设置配重组件，可有效平衡载荷放置于前部上方和下方的不均衡载荷重量，从而保障无人机的整个中心位置位于机身110的正中心。

旋翼系统200与电源系统配合连接，通过电源系统为旋翼系统200提供旋转动力，并克服无人机自身重力悬浮在空中或使无人机装置整体紧贴结构物(包含隧道，强身，屋顶等位置)。

旋翼系统200用于无人机的飞行，参见图1和图3，其包括第一矢量旋翼210，第二矢量旋翼220，第三矢量旋翼230，第四矢量旋翼240以及四个传动组件；其中，每个矢量旋翼配合设有一个传动组件。

第一矢量旋翼210，第二矢量旋翼220，第三矢量旋翼230和第四矢量旋翼240通过安装底座140对称设置于第一连接杆120和第二连接杆130的两侧。

安装底座140内部为内置腔，可用于安装矢量旋翼的驱动组件。

第一矢量旋翼210，第二矢量旋翼220，第三矢量旋翼230和第四矢量旋翼240的结构均相同，参见图4，分别包括桨叶280以及旋翼电机270。

其中，旋翼电机270设置于安装底座140的内置腔内，其电机轴穿过安装底座140与桨叶280驱动连接，电机轴的转动可驱动桨叶280进行转动，通过桨叶280的转动来克服无人机自身重力将其悬浮在空中或使无人机装置整体紧贴结构物。

桨叶280用于实现高海拔区域飞行时的动力，在桨叶280外围设置有保护罩290，以保护桨叶280的安全。

参见图5，传动组件包括第一转向电机250和第二转向电机260。

第一转向电机250设置于安装底座140外侧壁并与连接杆连接，第二转向电机260设置于安装底座140内部并与桨叶280连接。

第一转向电机250与第二转向电机260通过齿轮传动，能够为桨叶280提供一定范围内的转向；无人机工作时，通过调整转向，以达到无人机机身的整体升力平衡。

其中，第一矢量旋翼210与第三矢量旋翼230中的第一转向电机250和第二转向电机260配合形成第一方向的转向；第二矢量旋翼220和第四矢量旋翼240中的第一转向电机250和第二转向电机260配合形成第二方向的转向。

现只需改变四合矢量旋翼中的旋翼电机270的转速即可实现无人机的各种飞行状态，例如前进后退，升降以及悬浮等等。

调节系统400能够使无人机进行旋转，同时配合旋翼系统200不同角度的调节能够实现机身110在下落后，迅速的在空中完成翻转和调平的动作，从而保障飞机不发生坠落地面现象。

参见图1，调节系统400为矢量尾翼，其安装于机身110的尾部的端面上，其包括旋转电机，桨叶。

旋转电机设置于机,110的内置腔内，其电机轴穿过机身与桨叶驱动连接，电机轴的旋转可驱动桨叶不断调节向下的角度，来实现无人机在YZ平面上进行旋转，使无人机进入结构物表面贴壁状态。

同时，在桨叶外围设置有保护罩，以保护桨叶的安全。

这里旋翼系统200和调节系统400的转向飞行的结构及原理为本领域技术人员所熟知，这里就不加以详细赘述。

通过旋翼系统200以及调节系统400的配合能够实现无人机的飞行系统，通过飞行系统能够将载荷系统运输至高处进行检测。

转向系统300分别对称设置于第一连接杆120和第二连接杆130两端的两侧，其包括四个万向转动轮组件以及四个转向驱动组件；其中，每个万向转动轮组件配备一个转向驱动组件。

参见图6，转向驱动组件包括车轮舵机340以及车轮电机330。

车轮电机330的电机轴与万向转动轮组件进行连接，用于驱动万向转动轮组件进行转动行走。

车轮电机330的另一端与连接杆通过铰接结构331进行铰接，通过设置铰接结构331，能够使车轮电机330以及万向转动轮组件相对于连接杆不受约束的进行转动。

车轮舵机340包括控制器341和转杆342。

其中控制器341通过壳体安装于连接杆上，控制器341用于接收控制指令，将控制指令转化成力矩信号。

转杆342的一端与控制器341连接，另一端与车轮电机330进行连接；控制器341根据力矩信号驱动转杆342进行相对指令的角度转动，并驱动与之连接的车轮电机330相对于连接杆实现多方位的转动。

由于车轮电机340驱动连接外向轮组件，因此能够实现万向转动轮组件的多方位转动。

四个万向转动轮组件的组成结构相同，参见图7，分别包括车轮轮毂310以及车轮防滑皮带320。

车轮轮毂310用于实现无人机的行走，其与车轮电机330连接，通过车轮电机330能够带动车轮轮毂310的转动行走。

车轮防滑皮带320设置于车轮轮毂310外侧，可有效增加无人机在贴壁状态和贴壁爬行时与结构物表面的摩擦力，保证无人机在运行时的可靠性。

这里需要说明的是，每个万向转动轮优选采用麦克纳姆轮，为装置在爬壁状态下的行走提供行进动力和转向动力。

综上所述，转向系统300能够实现无人机在高处的爬壁作用；当转向系统300在爬壁状态时，其可通过转向驱动组件与万向转动轮组件的配合能够实现多方位的爬壁；当爬壁状态并未停止行进时，4个车轮轮毂310由图8的正常状态转变成图9的锁死状态，4个车轮轮毂处于向心状态，4个车轮轮毂310依靠摩擦力锁死，前后无法进行自由滑动。旋翼系统200与转向系统300能够在无人机处于贴壁爬行状态时进行配合，能够适应高处结构面的各种工况，大大提高了本无人机的适用性。

当旋翼系统200与转向系统300在无人机处于贴壁爬行状态时，若无人机通过转向系统300处于侧壁爬行时，可将旋翼系统200调节至下降状态，能够使得无人机能够给侧壁下降的压力，使得旋翼系统200紧贴侧壁，保证无人机在工作时的稳定性。

同时，当无人机通过转向系统300爬行的过程中，出现凹凸地区，即可将旋翼系统200调节至上升状态，能够使得无人机跨越过凹凸地区，能够避免无人机的撞击损坏。

上述对旋翼系统和转向系统的配合说明只是本方案的一种具体应用示例，并不对本方案构成限定。

同时，在机身110上还设有避障定位与导航系统，其用于为无人机提供预警和定位保障；定位避障系统包括雷达以及若干组双目镜头600。

其中，若干组双目镜头600分布于机身110的四周，并与内部的控制电路板连接，将识别信息发送给控制电路板，可以实现无人机在爬行状态下前后左右上下位置的障碍物识别，使无人机有效报警或停止飞行。

雷达设置于机身110的一侧面，并与内部控制电路板连接，通过雷达可进行无人机机身周边场景的快速精准扫描，通过激光测距完成机身周边障碍物和结构物的定位信息，为无人机的安全飞行提供有效的定位保障。

另外，无人机内部包含无人机飞行所必须的惯导、电调、传感器等关键部件，用于无人机的导航、控制与飞行。

其次，无人机的前部可设置摄像头，电源补光灯，通过图传系统可在遥控器显示端实时回传图传信息。

综上所述，本方案提供的搭载检测设备的飞爬结构无人机能够实现底面准备状态，悬空起降状态，贴壁状态和贴壁爬行状态。

以下举例说明一下本方案在使用时的工作过程；这里需要说明下述内容只是本方案的一种具体应用示例，并不对本方案构成限定。

参见图10，首先，无人机搭载载荷设备510后，进行起飞测试和调试。

调试后，通过增大或减小旋翼电机270的转速来实现无人机起飞或悬空起降的状态。

无人机贴壁后通过不断调节调节系统中矢量尾翼的角度，使无人机姿态转换进入结构物表面贴壁状态；此时，无人机转向系统的四个车轮轮毂310处于向心状态，保持车轮锁死。

然后转向系统开始工作，无人机进入结构物表面通过转向系统300进行贴壁爬行状态。

正常作业过程中，通过配合避障定位与导航系统，无人机通过驱动车轮舵机驱动万向转动轮的车轮轮毂310来进行无人机的行进，避障等操作。

若发生异常坠落，则无人机会自动触发翻滚调节状态，通过矢量旋翼的转动角度和矢量尾翼的旋转角度的配合，使无人机发生滚转操作，使无人机完成翻转和调平动作，最终达到悬空起降状态。

若继续执行任务，则继续飞行并进行贴壁后姿态转换；若不继续执行任务，则无人机通过电机驱动桨叶的速度执行降落操作，回到地面检查状态。

若未发生异常坠落并完成相关任务，无人机从结构表面脱离，并完成姿态转换回到悬空起降状态，最后降落到地面，回到地面检查状态。

由上述方案构成的搭载检测设备的飞爬结构无人机，其通过飞爬结构无人机搭载特定的对实体或现场检测、监测的载荷设备来进行作业，有效解决检测工效低的问题，保障检测人员的人身安全。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (11)

1.一种搭载检测设备的飞爬结构无人机，其特征在于，包括连接杆，机身，旋翼系统，转向系统；所述连接杆对称设置于机身的两侧；所述旋翼系统对称分布于机身的四周并与连接杆进行连接，构成无人机的飞行结构；所述转向系统分布于机身的四周并设置于旋翼系统远离机身一侧的连接杆上，构成无人机的爬行结构。

2.根据权利要求1所述的一种搭载检测设备的飞爬结构无人机，其特征在于，所述旋翼系统包括第一矢量旋翼，第二矢量旋翼，第三矢量旋翼，第四矢量旋翼，并对称分布于机身的四周并通过设置安装底座与连接杆进行连接；所述第一矢量旋翼，第二矢量旋翼，第三矢量旋翼，第四矢量旋翼分别配合设有一个传动组件。

3.根据权利要求2所述的一种搭载检测设备的飞爬结构无人机，其特征在于，所述第一矢量旋翼，第二矢量旋翼，第三矢量旋翼，第四矢量旋翼结构相同，分别包括桨叶以及旋翼电机，所述旋翼电机设置于安装底座内，其电机轴穿过安装底座与桨叶驱动连接，所述桨叶可在电机轴的驱动下进行转动。

4.根据权利要求3所述的一种搭载检测设备的飞爬结构无人机，其特征在于，所述传动组件包括第一转向电机和第二转向电机；

所述第一转向电机设置于安装底座外侧壁并与连接杆连接，所述第二转向电机设置于安装底座内部并与桨叶连接；

所述第一转向电机与第二转向电机通过齿轮传动，带动桨叶进行不同方向的转向。

5.根据权利要求1所述的一种搭载检测设备的飞爬结构无人机，其特征在于，所述转向系统包括第一万向转动轮组件，第二万向转动轮组件，第三万向转动轮组件，第四万向转动轮组件，四个万向转动轮组件分布于机身的四周并设置于旋翼系统远离机身一侧的连接杆上；第一万向转动轮组件，第二万向转动轮组件，第三万向转动轮组件，第四万向转动轮组件分别配合设有一个转向驱动组件。

6.根据权利要求2或5中所述的一种搭载检测设备的飞爬结构无人机，其特征在于，所述转向驱动组件包括车轮舵机以及车轮电机；

所述车轮电机的电机轴与万向转动轮组件驱动连接，另一端与连接杆通过铰接结构进行连接；所述车轮电机能够带动万向转动轮组件相对连接进行转动；

所述车轮舵机包括控制器和转杆；所述控制器设置于连接杆上；所述控制器驱动连接转杆的一端，所述转杆的另一端驱动连接车轮电机，通过控制器控制转杆驱动电机轴带动万向转动轮组件进行转动。

7.根据权利要求1所述的一种搭载检测设备的飞爬结构无人机，其特征在于，所述搭载检测设备的飞爬结构无人机还包括任务载荷系统；所述任务载荷系统包括若干载荷系统以及若干连接件；所述若干载荷系统通过连接件分别设置于机身的一端的上方和下方以及机身中心的上方和下方。

8.根据权利要求1所述的一种搭载检测设备的飞爬结构无人机，其特征在于，所述机身内部前后方分别设有配重组件。

9.根据权利要求1所述的一种搭载检测设备的飞爬结构无人机，其特征在于，所述搭载检测设备的飞爬结构无人机还包括调节系统；所述调节系统为矢量尾翼，其安装于机身的尾部的端面上；所述矢量尾翼包括旋转电机，桨叶；所述旋转电机设置于机身内，其电机轴穿过机身与桨叶驱动连接，电机轴的旋转可驱动桨叶不断调节向下的角度。

10.一种搭载检测设备的飞爬结构无人机的控制方法，其特征在于，基于权利要求1～9中任意一项所述的搭载检测设备的飞爬结构无人机实现无人机的飞行状态及贴壁爬行状态。

11.根据权利要求10所述的一种搭载检测设备的飞爬结构无人机的控制方法，其特征在于，通过控制旋翼系统上矢量旋翼的旋转速度来控制无人机的飞行状态，和/或通过控制调节系统上矢量尾翼向下的角度来控制无人机的贴壁状态。

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