CN117506966A - 一种空地协同机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种空地协同机器人，涉及机器人领域，包括空中机器人、地面机器人、环境感知模块、缺陷检测模块、三维激光雷达、照明设备，环境感知模块、缺陷检测模块、照明设备均安装在地面机器人上，照明设备设置在地面机器人的侧面；地面机器人包括爬行模块、驱动模块、控制模块、底盘机构，底盘机构安装在爬行模块上，驱动模块和控制模块均安装在底盘机构上，驱动模块上固定安装有两个拖拽尾钩，驱动模块和底盘机构上均安装有监控相机；本发明跳出单一设备研究和单点技术突破的研发思路，充分通过空中机器人地面机器人不同形式载体的研究，形成全方位、立体化、智能化的感知体系。

Description

一种空地协同机器人

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，具体而言，涉及一种空地协同机器人。

背景技术

我国水电能源设施发展迅速，为了解决水电站隧洞人工巡检的效率问题，结合水工隧洞的实际情况，兼顾人工巡检作业模式和安全运行的规范要求，采用具有智能感知、自主决策的机器人巡检已经进入理论研究和现场应用的新阶段，机器人巡检可降低成本，还能保证测量数据的准确性、工作时间不受限制以及测量结果保持一致。所以智能检测机器人是未来水电行业不可缺少的必要设备，通过使用检测机器人能大幅度提高电力系统的智能化水平，同时也是未来的发展趋势。

国际上，美国斯坦福大学研发的类人水下机器人Ocean One，是ROV与灵巧机械臂的结合，操作端实时呈现机械臂与环境的视觉和力觉，实现水下检测、作业空间的可视化和精细柔顺作业；美国Hibbard Inshore公司基于美国SAAB公司Seaeye Sabertooth水下机器人载体，搭载全向和单波束声呐传感器实时检测水下环境，对澳大利亚“雪山工程”直径6.3m的Eucumbene Tumut引水隧洞进行了连续12km的缺陷检测，该水下机器人可通过局部自主控制实现紧急避障，同时结合图像声呐和惯导信息实时重构引水隧洞三维模型，匹配先验工程建造模型，可判断疑似塌方堆积等缺陷；德国ATLAS公司研发的SeaCat水下机器人成功完成了长24km的半满水输水隧洞检测任务。

国内，中广核研究院有限公司研发了可水下长距离巡检作业的履带式水下爬行机器人，水下带缆巡检距离可达5km，可适应水下隧洞动水状态下的巡检，同时通过搭载水下三维激光传感器实现水下实时三维重构；南方电网调峰调频发电有限公司研发了ARV，通过全向和单波束声呐实时感知局部环境，实现了机器人自动脱缆并自主返航，完成了对海蓄电站、天生桥二级电站引水隧洞的检测，所检测引水隧洞分别为直径8.4m、长度1.2km，直径10m、长度1.8km，该单位还将ARV机器人通过调压井放入锦屏二级电站引水隧洞下端（直径12m），并进行了2.5km的检测；哈尔滨工程大学的孙玉山团队采用专门针对有压输水隧洞检测任务设计的AUV，配备了能够在有压输水隧洞环境下保证AUV稳定运行的智能控制算法与定位导航算法，完成了温州永嘉隧洞的检测工作。

在机器人环境感知技术方面，Cory White 等提出了采用声纳进行 ROV 水下自主定位的方法。Matveev 等采用局部的感知数据，设计了在隧洞环境下三维导航的算法。Verma 等研究了在隧洞环境下进行固定目标物避障的算法。F. Loisy, P. François 等在将水下机器人引入到长距离引水隧洞检测中，搭载了声呐、图像以及一个可调节长度的机械臂，机械臂末端安装有水听器，通过隧洞中检查获取到了大量声呐、视觉图像。D.Sytnyk等针对隧洞检测，提出一种外形类似球体的水下机器人，机器人搭载水下相机以及多个激光传感器，可以在深水环境中进行隧洞内的三维精细化建模。汪天伟等人研发了一种具有工作模式切换功能的水下检测机器人，根据检测任务需要可切换ROV、ARV（AutomaticRemote Vehicle）、AUV（Autonomous Underwater Vehicle）三种工作模式，通过声呐实时感知局部环境并实现了机器人自动拖缆和自主返航。来记桃等通过水下检测机器人搭载的多波束三维扫描声呐、水下高清摄像机、惯性导航定位系统等多元检测与定位传感器,开展整体普查和局部详查相结合的常态化水下检测,跟踪缺陷发展变化。熊小虎等基于“面积性普查、局部性详查、多手段精查”的技术思路,协同运用多波束测深系统、侧扫声呐等水下声呐技术和水下高清连续摄像、二维图像声呐及三维声呐等水下无人潜航器技术,辅以潜水员水下探摸,多种检测手段相互配合、支撑,互相验证，为水下检测数字化检测方面提供了可靠依据。王继敏等采用Blueview-T2250三维扫描声呐和光学摄像等多传感器检测方法,利用惯性导航与多普勒计程仪组合定位技术,克服了复杂工程边界条件限制,实现了有缆遥控潜水器2 km级隧洞表观全覆盖粗检细查。该技术缩短了检测占用现场的时间,具有检测速度快、数据采样率高、数字化的特点,为长距离输水隧洞缺陷检测提供了全新的方法。

在隧洞放空检测方面，朱新民等采用高分辨率红外热成像仪检测渗漏缺陷、高精度三维激光扫描仪检测表观缺陷的方法替代传统的人工普查法,辅以测距仪定位、数字地质雷达检测内部缺陷。吴琪峰等设计了一种基于声波定位的自主飞行隧洞探测飞艇系统系统，用于隧洞探测和巡检。同济大学研发了隧洞无人机自主飞行技术，提出了基于三维激光雷达、惯导、气压计的多传感器融合无人机位姿估计算法,实现了无人机在电站输水隧洞内的智能感知和自主飞行，并应用于抽水蓄能电站输水隧洞；清华四川能源互联网研究院应用自主研发的履带式主从机器人对猴子岩电站引水隧洞水平段、上弯段和斜井段进行了巡检与缺陷分析，同时结合水动力学特性、监测和运营数据对引水隧洞进行了健康评估，并与巡检数据结果进行对比分析，有效地提升了机器人巡检数据的实用价值。

总体来看，在隧洞巡检机器人结构形式方面，无缆ROV续航能力受限、通信延时高、带宽不足；有缆ROV在长距离、结构多变的引水隧洞中机器人对线缆的拖拽力将不足以拉动15Km以上的线缆（弯曲或倾斜引水洞中长度更短）；无人机在隧洞中续航能力有限且洞内无GPS信号，对无人机控制存在较大挑战；履带式水下爬行机器人有稳定性高、能耗低、对线缆的拖拽力大等特点；采用多机器人协作的模式，有利于多种机器人优势互补。

发明内容

本发明面向隧洞巡检任务，针对潮湿、昏暗的非结构化环境，突破运动方式、信号传输、精准定位、自主导航等关键技术，研究多机协作的任务执行方法，形成适用性的智能移动作业方案，提供了一种空地协同机器人，其能够针对引水隧洞上平段以及泄洪洞流道主要采用机器人组合模式进行隧洞巡检工作，针对隧洞重点部位也可采用空中机器人进行抵进检测，在90°竖井段机器人采用分离模式进行作业，可以保障竖井段全方位、高效、安全的巡检；整个作业过程中工作人员无需进入引水隧洞内。

本发明的实施例可以这样实现：

一种空地协同机器人，包括空中机器人、地面机器人、环境感知模块、缺陷检测模块、三维激光雷达、照明设备，所述环境感知模块、缺陷检测模块、照明设备均安装在地面机器人上，所述环境感知模块和缺陷检测模块设置在地面机器人的同一端，所述照明设备设置在地面机器人的侧面；所述地面机器人包括爬行模块、驱动模块、控制模块、底盘机构，所述底盘机构安装在爬行模块上，所述驱动模块和控制模块均安装在底盘机构上，所述驱动模块上固定安装有两个拖拽尾钩，所述驱动模块和底盘机构上均安装有监控相机，所述拖拽尾钩设置在缺陷检测模块的一端；所述空中机器人包括系留无人机、系留收放机构和系留线缆，所述系留收放机构安装在控制模块的尾端，所述系留线缆安装在系留收放机构上，所述系留无人机与系留线缆连接，所述三维激光雷达固定安装在空中机器人上，所述拖拽尾钩上外接有高强度复合线缆。

进一步地，所述系留无人机包括旋翼机架、机载照明设备、抵进检测云台相机、电池模块、定位模块和调控模块，所述旋翼机架为机载照明设备、抵进检测云台相机、电池模块、定位模块、调控模块、三维激光雷达提供支撑，定位模块用于提供定位与建图信息，抵进检测云台相机用于监视地面机器人状态和环境情况，调控模块用于接收定位信息，控制系留无人机完成相应动作。

进一步地，所述抵进检测云台相机包括三轴云台、云台相机、变焦及广角相机、长波红外非制冷热成像相机机芯、激光测距仪，所述云台相机、变焦及广角相机、长波红外非制冷热成像相机机芯、激光测距仪均安装在三轴云台上，所述变焦及广角相机用于在高倍率变焦画面与广角画面之间切换，所述长波红外非制冷热成像相机机芯用于同时拍摄热成像与可见光影像，所述激光测距仪巡检时提供观测目标的距离以及位置信息。

进一步地，所述定位模块包括三维激光雷达、加速度计和陀螺仪，所述三维激光雷达、加速度计和陀螺仪均安装在旋翼机架上，所述三维激光雷达用于环境三维点云获取、三维模型重建、巡检机器人运行定位、缺陷识别定位；所述加速度计用于测量三维空间对应坐标轴的加速度，陀螺仪用于测量对应坐标轴的角速度。

进一步地，所述三维激光雷达包括支撑台、激光射器、接收器、时间计数器、马达控制可旋转的滤光镜、控制电路板、微电脑、CCD机，所述支撑台安装在旋翼机架上，所述激光射器、接收器、时间计数器、马达控制可旋转的滤光镜、控制电路板、微电脑、CCD机均安装在支撑台上。

进一步地，所述照明设备包括照明设备一、照明设备二，所述照明设备一和照明设备二均设置有两个，两个所述照明设备一分别安装在底盘机构的两侧，两个所述照明设备二分别安装在驱动模块的两端。

进一步地，所述缺陷检测模块包括旋转底座、可见光相机、红外相机、激光测距仪、雨刷器，所述旋转底座安装在控制模块上，所述旋转底座下方固定安装有旋转电机，所述可见光相机、红外相机、雨刷器、测距仪均固定安装在旋转底座上，所述可见光相机、红外相机的上方均安装有用于进行补充照明的泛光LED补光灯，所述雨刷器用于清理可见光相机、红外相机上的杂质和水雾。

进一步地，所述爬行模块设置有两组，两组爬行模块分别设置在驱动模块的两侧，所述爬行模块包括履带，所述底盘机构安装在履带上，所述履带上设置有多组动力模块，通过多组动力模块驱动履带运动。

进一步地，所述动力模块包括直流无刷伺服电机、编码器、驱动器，所述直流无刷伺服电机、编码器、驱动器均安装在底盘机构内。

进一步地，所述驱动模块包括密封壳体、硬件系统、电源模块，所述密封壳体安装在底盘机构上，所述硬件系统包括工控机、路由器、稳压模块、无线数传、电机驱动器，所述工控机、路由器、稳压模块、无线数传、电机驱动器、电源模块均安装在密封壳体内，所述路由器、稳压模块、无线数传、电机驱动器、电源模块均与工控机连接，所述驱动模块上还安装有车载通信模块，所述车载通信模块设置在靠近系留收放机构的一端。

本发明实施例的有益效果包括，例如：（1）本发明跳出单一设备研究和单点技术突破的研发思路，充分通过空中机器人地面机器人不同形式载体的研究，形成全方位、立体化、智能化的感知体系；（2）本发明面向隧洞巡检任务，针对潮湿、昏暗的非结构化环境，突破运动方式、信号传输、精准定位、自主导航等关键技术，研究多机协作的任务执行方法，形成适用性的智能移动作业方案；（3）本发明通过设置空中机器人、地面机器人、环境感知模块、缺陷检测模块、三维激光雷达、照明设备的相互配合，具备强适应性、高可靠性、长巡检时间特点；引水隧洞上平段以及泄洪洞流道主要采用机器人组合模式进行隧洞巡检工作，针对隧洞重点部位也可采用空中机器人进行抵进检测，在90°竖井段机器人采用分离模式进行作业，可以保障竖井段全方位、高效、安全的巡检；整个作业过程中工作人员无需进入引水隧洞内。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为本发明整体结构示意图一；

图2为本发明整体结构示意图二；

图3为本发明地面机器人结构示意图一；

图4为本发明图3中A处放大结构示意图；

图5为本发明地面机器人结构示意图二；

图6为本发明图5中B处放大结构示意图；

图7为本发明空中机器人结构示意图。

图标：1-履带；2-驱动模块；3-环境感知模块；4-缺陷检测模块；5-三维激光雷达；7-控制模块；8-监控相机；9-动力模块；10-照明设备一；11-底盘机构；12-照明设备二；13-拖拽尾钩；14-车载通信模块；15-系留收放机构；601-旋翼机架；602-机载照明设备；603-抵进检测云台相机；604-电池模块；605-定位模块；606-调控模块。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，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。

此外，若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例中的特征可以相互结合。

请参考图1-图7，本实施例提供了一种空地协同机器人，包括空中机器人、地面机器人、环境感知模块3、缺陷检测模块4、三维激光雷达5、照明设备，环境感知模块3、缺陷检测模块4、照明设备均安装在地面机器人上，环境感知模块3和缺陷检测模块4设置在地面机器人的同一端，照明设备设置在地面机器人的侧面；地面机器人包括爬行模块、驱动模块2、控制模块7、底盘机构11，底盘机构11安装在爬行模块上，驱动模块2和控制模块7均安装在底盘机构11上，驱动模块2上固定安装有两个拖拽尾钩13，驱动模块2和底盘机构11上均安装有监控相机8，拖拽尾钩13设置在缺陷检测模块4的一端；空中机器人包括系留无人机、系留收放机构15和系留线缆，系留收放机构15安装在控制模块7的尾端，系留线缆安装在系留收放机构15上，系留无人机与系留线缆连接，三维激光雷达5固定安装在空中机器人上，拖拽尾钩13上外接有高强度复合线缆。

系留无人机包括旋翼机架601、机载照明设备602、抵进检测云台相机603、电池模块604、定位模块605和调控模块606，旋翼机架601为机载照明设备602、抵进检测云台相机603、电池模块604、定位模块605、调控模块606、三维激光雷达5提供支撑，定位模块605用于提供定位与建图信息，抵进检测云台相机603用于监视地面机器人状态和环境情况，调控模块606用于接收定位信息，控制系留无人机完成相应动作。

抵进检测云台相机603包括三轴云台、云台相机、变焦及广角相机、长波红外非制冷热成像相机机芯、激光测距仪，云台相机、变焦及广角相机、长波红外非制冷热成像相机机芯、激光测距仪均安装在三轴云台上，变焦及广角相机用于在高倍率变焦画面与广角画面之间切换，长波红外非制冷热成像相机机芯用于同时拍摄热成像与可见光影像，激光测距仪巡检时提供观测目标的距离以及位置信息。

定位模块605包括三维激光雷达、加速度计和陀螺仪，三维激光雷达、加速度计和陀螺仪均安装在旋翼机架601上，三维激光雷达用于环境三维点云获取、三维模型重建、巡检机器人运行定位、缺陷识别定位；加速度计用于测量三维空间对应坐标轴的加速度，陀螺仪用于测量对应坐标轴的角速度。

三维激光雷达5包括支撑台、激光射器、接收器、时间计数器、马达控制可旋转的滤光镜、控制电路板、微电脑、CCD机，支撑台安装在旋翼机架601上，激光射器、接收器、时间计数器、马达控制可旋转的滤光镜、控制电路板、微电脑、CCD机均安装在支撑台上。

照明设备包括照明设备一10、照明设备二12，照明设备一10和照明设备二12均设置有两个，两个照明设备一10分别安装在底盘机构11的两侧，两个照明设备二12分别安装在驱动模块2的两端。

缺陷检测模块4包括旋转底座、可见光相机、红外相机、激光测距仪、雨刷器，旋转底座安装在控制模块7上，旋转底座下方固定安装有旋转电机，可见光相机、红外相机、雨刷器、测距仪均固定安装在旋转底座上，可见光相机、红外相机的上方均安装有用于进行补充照明的泛光LED补光灯，雨刷器用于清理可见光相机、红外相机上的杂质和水雾。

爬行模块设置有两组，两组爬行模块分别设置在驱动模块2的两侧，爬行模块包括履带1，底盘机构11安装在履带1上，履带1上设置有多组动力模块9，通过多组动力模块9驱动履带1运动；动力模块9包括直流无刷伺服电机、编码器、驱动器，直流无刷伺服电机、编码器、驱动器均安装在底盘机构11内。

驱动模块2包括密封壳体、硬件系统、电源模块，密封壳体安装在底盘机构11上，硬件系统包括工控机、路由器、稳压模块、无线数传、电机驱动器，工控机、路由器、稳压模块、无线数传、电机驱动器、电源模块均安装在密封壳体内，路由器、稳压模块、无线数传、电机驱动器、电源模块均与工控机连接，驱动模块2上还安装有车载通信模块14，车载通信模块14设置在靠近系留收放机构15的一端。

本发明具有两种工作模式，分别为组合模式和分离模式，组合模式状态下，空中机器人设置在地面机器人上；分离模式状态下，空中机器人通过系留线缆和系留收放机构15与底面机器人连接。

根据本实施例提供的一种空地协同机器人，一种空地协同机器人的工作原理是：在本实施例中以对隧洞进行检测为例进行具体说明。

隧洞内环境复杂，存在无光、潮湿、渗水等工况，部分区域地面常年湿滑，人员进出安全风险极高，所以爬行模块采用履带1和驱动模块2配合，兼备可靠移动能力和地面适应能力；考虑任务现场复杂环境因素，选用了底盘高、越障性能好的战车型履带结构，基于多模块化设计思路，便于后期设备升级以及运行维护，驱动模块2采用后置驱动的方式，由于后置驱动的履带1接地段是紧边，移动过程中相对前置驱动来说运行阻力小，行走效率高，不易形成履带1下部起拱，可以避免行走过程中脱带现象的发生，行走稳定性好，而且采用驱动后置诱导轮接入处为松边，可以使诱导轮受力减小，履带1配备大摩擦系数的齿状橡胶履带，在机器人静止状态防滑性能强，满足隧洞存在的湿滑地面情况要求，具备姿态检测，防陡坡倾覆等功能。

为应对隧洞内湿滑环境，履带1采用包含直径1.0mm钢丝帘线的橡胶履带，橡胶履带具有双排齿防止履带1横向摆动；双排齿可以提高越障性能以及加强履带1横向刚性作用，减小履带1转向运动过程中横向的变形。

工控机采用国产平台，支持35W高速处理器；采用高效热管的大面积铝鳍和PWM风扇的主/被动双重散热设计，通过模具打造的全铝合金强固机身，保证其长寿命稳定运行；预装国产操作系统，以及一些机器人开发常见得开发环境，实现开机即用；具有以下优点：（1）具有紧凑超小机身；（2）支持国产桌面级高性能CPU；（3）搭载热管与智能风扇的主被动高效散热；（4）支持miniPCIE、NVME等多种加速卡扩展方案；（4）多路超高速专用串口，适配多种雷达应用；（5）多通道USB3.1 Gen2与双千兆网络的高速通讯；（6）坚固的模具成型的铝合金机身，符合车载振动冲击；（7）20~60℃宽温工作。

考虑到系留无人机搭载的设备重量，并经过飞行载重测试，选取六旋翼碳纤维机架作为飞行载体；在计算系留无人机的整体载重量后，动力单元为满足载重需求，经过拉力测试后，选取好盈乐天40A电调、朗宇X2212 KV980电机。

系留收放机构15安装于底盘机构11的尾部，系留收放机构15在为空中机器人提供保护的同时，还拥有自动收放线功能，在飞行过程中系留线缆始终保持绷直状态，避免系留线缆缠绕及视野遮挡；系留线缆采用2mm粗凯夫拉纤维线，系留线缆由多根凯夫拉纤维缠绕而成，重量轻、强度高，具有30kg抗拉力，作为空中机器人保护线缆具有高可靠性和安全性。

隧洞环境中大部分缺陷存在隧洞洞壁表观，如表面气泡、裂缝、错台、孔洞等缺陷，但也可能存在空蚀空化等缺陷，红外相机获取不同场景下的温度场差异红外图像，通过判断温度偏差获得缺陷的位置信息；对于流道内的厘米级及以上的表面气泡、裂缝、错台、孔洞等缺陷进行检测并记录。

通过定位模块605能够获取地面机器人和缺陷检测模块4位于隧洞的准确位置，定位模块605的定位精度不低于1m；从而保证机器人行走于隧洞中间区域，能够实时获取地面机器人和缺陷检测模块4的位置和姿态。

将三维激光雷达应用于隧洞环境中，可实现隧洞环境三维点云获取、三维模型重建、运行定位、缺陷识别定位等；针对隧洞环境的特点，选择合适的三维激光雷达。三维激光雷达的工作原理与雷达非常相像，利用激光测距的原理，通过记录被测物体表面大量的密集的点的三维坐标、反射率和纹理等信息，可快速复建出被测目标的三维模型及线、面、体等各种图件数据。最核心的装置是激光的发射接收装置，包括一个发射单元（单束窄带激光器）和一个接收单元（光子探测器）。发射单元通过使原子受激辐射向固定方向产生并发射一束光子脉冲，脉冲在传播过程中遇到目标反射回部分回波，该部分回波由二极管附近的接收单元接收并可检测激光回波强度。接收单元在接收反射回拨时记录光脉冲的接收时间，一束激光从发射出去到被反射回接收器的时间即为传播时间。因为光速是已知的，基于光的传播时间，接收单元就可以计算出目标与三维激光雷达的距离。目标的速度则可以由反射光的多普勒频移来推算，也可以在后续数据处理中进行多帧比对，测量同目标的两个或多个距离，通过其位置变化率而得出目标速度。

综合三维激光雷达的安装高度、安装姿态、激光的扫描角度和激光发射方向，就可以准确地计算出每一个返回点在三维直角坐标系下的三维坐标(x，y，z)。发射单元发射激光束的频率与所选用的元件息息相关，其发射频率可以是每秒几个脉冲，甚至每秒可高达几万个脉冲。发射的频率越高，获得的三维点数据越多，形成的三维点云与高程图越接近真实图像，举例来说，频率为10000次/s的三维激光雷达系统，接收单元每秒也会接收到10000个点，在一分钟内记录点数将高达600000个。

三维激光雷达通电即开始运行，通过激光脉冲的发射与接收，就能收集雷达周围环境信息的点云描述。通过与发射单元相连的旋转结构的带动旋转，可以测量三维激光雷达本体坐标系下一定角度范围内里所有反射点的距离，以获得周边环境信息。如果点云中没有目标，则点云回波会以类似于等高图样式的闭合圆环在点云图中体现；如果点云中有目标，目标就会在点云图中破坏闭合圆环呈现出无规律的阴影，即目标的一个或者数个截面，通过对阴影的测量可以得出目标的截面大小，推算出目标的实际形状与体积。这样通过三维激光雷达扫描周围环境获得的点云可以生成周围环境的三维图像，点云密度越高，图像越清晰。

由于隧洞中无光、潮湿，人员进出风险高，通过环境感知模块3实时掌握机器人在隧洞中的作业状态非常必要，有助于运维人员针对各种突发情况及时应对；通过驱动模块2和底盘机构11上安装的监控相机8用于地面机器人进行无人自主/有人手操时进行环境感知；为应对隧洞区域黑暗无光环境，两个照明设备一10分别安装在底盘机构11的两侧，两个照明设备二12分别安装在驱动模块2的两端。

通过底盘机构11尾部的车载通信模块14连接到高强度复合线缆，再通过1.4km线缆实现实时传输缺陷检测数据、位置信息、三维点云数据，保护线缆采用2根单模单芯光纤复合而成的高强度复合线缆缆，采用高密度共聚物护套和抗拉凯夫拉纤维，保证线缆高防水特性和最大承受1500kg以上拉力。

本实施例提供的一种空地协同机器人至少具有以下优点：

（1）本发明跳出单一设备研究和单点技术突破的研发思路，充分通过空中机器人地面机器人不同形式载体的研究，形成全方位、立体化、智能化的感知体系；（2）本发明面向隧洞巡检任务，针对潮湿、昏暗的非结构化环境，突破运动方式、信号传输、精准定位、自主导航等关键技术，研究多机协作的任务执行方法，形成适用性的智能移动作业方案；（3）本发明通过设置空中机器人、地面机器人、环境感知模块、缺陷检测模块、三维激光雷达、照明设备的相互配合，具备强适应性、高可靠性、长巡检时间特点；引水隧洞上平段以及泄洪洞流道主要采用机器人组合模式进行隧洞巡检工作，针对隧洞重点部位也可采用空中机器人进行抵进检测，在90°竖井段机器人采用分离模式进行作业，可以保障竖井段全方位、高效、安全的巡检；整个作业过程中工作人员无需进入引水隧洞内。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种空地协同机器人，其特征在于，包括空中机器人、地面机器人、环境感知模块（3）、缺陷检测模块（4）、三维激光雷达（5）、照明设备，所述环境感知模块（3）、缺陷检测模块（4）、照明设备均安装在地面机器人上，所述环境感知模块（3）和缺陷检测模块（4）设置在地面机器人的同一端，所述照明设备设置在地面机器人的侧面；所述地面机器人包括爬行模块、驱动模块（2）、控制模块（7）、底盘机构（11），所述底盘机构（11）安装在爬行模块上，所述驱动模块（2）和控制模块（7）均安装在底盘机构（11）上，所述驱动模块（2）上固定安装有两个拖拽尾钩（13），所述驱动模块（2）和底盘机构（11）上均安装有监控相机（8），所述拖拽尾钩（13）设置在缺陷检测模块（4）的一端；所述空中机器人包括系留无人机、系留收放机构（15）和系留线缆，所述系留收放机构（15）安装在控制模块（7）的尾端，所述系留线缆安装在系留收放机构（15）上，所述系留无人机与系留线缆连接，所述三维激光雷达（5）固定安装在空中机器人上，所述拖拽尾钩（13）上外接有高强度复合线缆。

2.如权利要求1所述的一种空地协同机器人，其特征在于，所述系留无人机包括旋翼机架（601）、机载照明设备（602）、抵进检测云台相机（603）、电池模块（604）、定位模块（605）和调控模块（606），所述旋翼机架（601）为机载照明设备（602）、抵进检测云台相机（603）、电池模块（604）、定位模块（605）、调控模块（606）、三维激光雷达（5）提供支撑，定位模块（605）用于提供定位与建图信息，抵进检测云台相机（603）用于监视地面机器人状态和环境情况，调控模块（606）用于接收定位信息，控制系留无人机完成相应动作。

3.如权利要求2所述的一种空地协同机器人，其特征在于，所述抵进检测云台相机（603）包括三轴云台、云台相机、变焦及广角相机、长波红外非制冷热成像相机机芯、激光测距仪，所述云台相机、变焦及广角相机、长波红外非制冷热成像相机机芯、激光测距仪均安装在三轴云台上，所述变焦及广角相机用于在高倍率变焦画面与广角画面之间切换，所述长波红外非制冷热成像相机机芯用于同时拍摄热成像与可见光影像，所述激光测距仪巡检时提供观测目标的距离以及位置信息。

4.如权利要求2所述的一种空地协同机器人，其特征在于，所述定位模块（605）包括三维激光雷达、加速度计和陀螺仪，所述三维激光雷达、加速度计和陀螺仪均安装在旋翼机架（601）上，所述三维激光雷达用于环境三维点云获取、三维模型重建、巡检机器人运行定位、缺陷识别定位；所述加速度计用于测量三维空间对应坐标轴的加速度，陀螺仪用于测量对应坐标轴的角速度。

5.如权利要求2所述的一种空地协同机器人，其特征在于，所述三维激光雷达（5）包括支撑台、激光射器、接收器、时间计数器、马达控制可旋转的滤光镜、控制电路板、微电脑、CCD机，所述支撑台安装在旋翼机架（601）上，所述激光射器、接收器、时间计数器、马达控制可旋转的滤光镜、控制电路板、微电脑、CCD机均安装在支撑台上。

6.如权利要求1所述的一种空地协同机器人，其特征在于，所述照明设备包括照明设备一（10）、照明设备二（12），所述照明设备一（10）和照明设备二（12）均设置有两个，两个所述照明设备一（10）分别安装在底盘机构（11）的两侧，两个所述照明设备二（12）分别安装在驱动模块（2）的两端。

7.如权利要求1所述的一种空地协同机器人，其特征在于，所述缺陷检测模块（4）包括旋转底座、可见光相机、红外相机、激光测距仪、雨刷器，所述旋转底座安装在控制模块（7）上，所述旋转底座下方固定安装有旋转电机，所述可见光相机、红外相机、雨刷器、测距仪均固定安装在旋转底座上，所述可见光相机、红外相机的上方均安装有用于进行补充照明的泛光LED补光灯，所述雨刷器用于清理可见光相机、红外相机上的杂质和水雾。

8.如权利要求1所述的一种空地协同机器人，其特征在于，所述爬行模块设置有两组，两组爬行模块分别设置在驱动模块（2）的两侧，所述爬行模块包括履带（1），所述底盘机构（11）安装在履带（1）上，所述履带（1）上设置有多组动力模块（9），通过多组动力模块（9）驱动履带（1）运动。

9.如权利要求8所述的一种空地协同机器人，其特征在于，所述动力模块（9）包括直流无刷伺服电机、编码器、驱动器，所述直流无刷伺服电机、编码器、驱动器均安装在底盘机构（11）内。

10.如权利要求1所述的一种空地协同机器人，其特征在于，所述驱动模块（2）包括密封壳体、硬件系统、电源模块，所述密封壳体安装在底盘机构（11）上，所述硬件系统包括工控机、路由器、稳压模块、无线数传、电机驱动器，所述工控机、路由器、稳压模块、无线数传、电机驱动器、电源模块均安装在密封壳体内，所述路由器、稳压模块、无线数传、电机驱动器、电源模块均与工控机连接，所述驱动模块（2）上还安装有车载通信模块（14），所述车载通信模块（14）设置在靠近系留收放机构（15）的一端。