CN205920057U - 检测结构件表面裂缝的多旋翼无人机检测平台系统 - Google Patents

Abstract

一种检测结构件表面裂缝的多旋翼无人机检测平台系统，包括多旋翼无人机、控制系统和无线通信系统；所述用于提供任务载荷和检测结构件表面裂缝的多旋翼无人机包括机体、动力系统和传感系统；所述的控制系统包括上位机、下位机以及手持遥控器，上位机为安装有主控机的地面站，下位机是安装在多旋翼无人机上的执行控制模块；所述的无线通信系统包括：数传电台、增益天线和图传模块；安装在地面站的主控机借助数传电台传递信息并通过安装在多旋翼无人机上的执行控制模块控制多旋翼无人机的飞行。该平台检测系统自动化程度高，其用于检测结构件表面裂缝的方法能有效节省检测所需的工作时间，大大降低检测成本；特别适用于大型结构件外表裂缝的检测工作。

Description

检测结构件表面裂缝的多旋翼无人机检测平台系统

技术领域

本实用新型涉及一种检测装置及其检测方法，特别是一种检测结构件表面裂缝的多旋翼无人机检测平台系统。

背景技术

结构件表面裂缝的监测是建筑工程完成后人们还需要经常实施的工作，结构件表面裂缝的监测有各种方法，专利公开号为 CN104535649A的实用新型专利申请公开了一种“裂缝无人智能检测机” 技术，公布了一种基于四旋翼无人机的检测平台，其上安装超声探伤仪、前置摄像头、上置摄像头和激光灯；利用无人机的地面站预设飞行路线，超声探伤仪发现裂缝后，无人机悬停；工作人员手动控制上置和前置摄像头细定位裂缝位置，控制无人机接近。依靠激光灯投射在建筑物上的两条光线与裂缝的相对位置，手动调整无人机姿态至回传视频画面达到预期，画面稳定后手动控制拍摄目标图像。图像经图传系统传回地面进行图像处理，软件自动将图片激光点间距与实际间距比较，得出图片与实际大小比例系数，系数乘以图片裂缝宽度，得出裂缝真实值。但该技术还存在以下不足之处：

（1）自动化程度偏低，工作流程需要大量的人工操作：如手动控制前置和上置两个摄像头，控制飞机接近裂缝，特别是依靠激光线与裂缝的相对位置调整无人机的姿态这步骤，工作人员经过大量训练才能达成。

（2）使用了超声波探伤仪作为实现功能的关键设备：在当前可获知的技术条件下：该设备的重量较大，影响无人机的巡航时间；价格高昂，极大地增加了技术方案成本；远距离探伤的功耗大，严重影响检测系统的单次运行时间；数据处理复杂，超声远距离探伤为当前学术界和工程界难题。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种检测结构件表面裂缝的多旋翼无人机检测平台系统，该平台检测系统自动化程度高，能有效节省检测所需的工作时间，大大降低了检测成本；特别适用于大型结构件外表裂缝的检测工作。较好地克服了已有无人机检测平台的不足。

解决上述问题的技术方案是：一种检测结构件表面裂缝的多旋翼无人机检测平台系统，其特征在于：该多旋翼无人机检测平台系统包括用于提供任务载荷和检测结构件表面裂缝的多旋翼无人机、用于控制多旋翼无人机运动和进行裂缝检测作业的控制系统以及传输远程控制指令和传感信息的无线通信系统；

所述的用于提供任务载荷和检测结构件表面裂缝的多旋翼无人机包括给设备提供物理安装接口和支撑框架的机体、给机体提供升力和运动的动力系统、用以定位、调整飞行姿态和进行结构件表面裂缝检测的传感系统；

所述的机体包括：机架、脚架、螺旋桨支架和云台；

所述的动力系统包括：电机、锂电池、电子调速器和桨；

所述的传感系统包括：GPS、惯性陀螺仪、电子罗盘、摄像机和测距传感器，其中，摄像机和测距传感器是专用于进行结构件表面裂缝检测的传感设备；

所述的控制系统包括上位机、下位机，上位机为安装有主控机的地面站，下位机是安装在多旋翼无人机上的n个执行控制模块，该n个执行控制模块至少包括距离传感控制模块、摄像机控制模块、飞行控制模块和云台控制模块； 其中n的取值范围是：4≤n≤10的整数；

所述安装有主控机的地面站用于规划无人机飞行路径 、对无人机是否悬停、拍照以及在线监控进行决策；

所述的距离传感控制模块用于控制距离传感器的开关和保存过程数据；

所述的摄像机控制模块用于控制摄像机的开关、拍摄模式、ISO、光圈、焦距和曝光时间之参数的设定；

所述的飞行控制模块用于直接控制多旋翼无人机所有旋翼的输出以及保持飞行姿态的稳定；

所述的云台控制模块是电机伺服控制器，用于控制多轴云台的每个轴的角度；

所述的无线通信系统包括：数传电台、增益天线和图传模块；

所述的多旋翼无人机的传感系统采集无人机的飞行参数、图像信息和其它与检测作业相关的传感信息通过无线通信系统反馈给地面站，地面站依据反馈信息制定策略控制信息；

所述的控制系统的地面站所发出的策略控制信息通过无线通信系统的数传电台和增益天线传递给执行控制模块，各执行控制模块依据策略控制信息的内容对多旋翼无人机的机体、动力系统和传感系统进行控制；

所述的飞行控制模块与传感系统通过信号线相连；

所述的飞行控制模块根据传感信息和控制信号，通过动力系统调整多旋翼无人机的飞行参数；

所述的云台控制模块根据控制信号，控制机体上的云台；

所述的摄像机控制模块和距离传感控制模块根据控制信息调整传感系统的状态。

其进一步技术方案是：所述多旋翼无人机之机体的机架上有2个收纳仓，收纳仓Ⅰ用于安放收纳锂电池，收纳仓Ⅱ用于安放收纳传感系统的GPS、惯性陀螺仪和电子罗盘以及控制系统的n个执行控制模块；

云台为多自由度伺服控制的云台，其上安装有增稳陀螺；

云台和摄像机安装在多旋翼无人机机体之机架的上方或者下方；

测距传感器与摄像机固定连接。

所述的测距传感器是激光测距传感器、超声波测距传感器、红外测距传感器或雷达测距传感器之中的一种。

更进一步技术方案是：所述的控制系统还包括有一手持遥控器，该手持遥控器所发出的手动控制信息亦通过无线通信系统的数传电台和增益天线传递给执行控制模块，各执行控制模块依据手动控制信息的内容对机体、动力系统和传感系统进行控制；

从手持遥控器发出手动控制信息的优先级大于从地面站发出的策略控制信息，即有手动控制信息时，策略控制信息无效。

由于采用上述技术方案，本实用新型之检测结构件表面裂缝的多旋翼无人机检测平台系统具有以下有益效果：

1、提高了大型建筑物外表裂缝的检测工作的自动化程度，有效节省了检测所需的工作时间，极大地降低了检测成本；

①本实用新型之一种检测结构件表面裂缝的多旋翼无人机检测平台系统包括用于检测结构件表面裂缝的多旋翼无人机、用于控制多旋翼无人机的控制系统和无线通信系统；所述的控制系统包括上位机、下位机以及手持遥控器，上位机为安装有主控机的地面站，下位机是安装在多旋翼无人机上的n个执行控制模块；所述的无线通信系统包括：数传电台、增益天线和图传模块；安装在地面站的主控机借助数传电台传递信息并通过安装在多旋翼无人机上的n个执行控制模块控制多旋翼无人机的飞行；本实用新型还采用了遥操作形式下的监督控制，使得多旋翼无人机在搭载最小硬件资源的情况下，获得安装有主控机的地面站强大的计算支持；避免了移动平台上自动控制算法与本地硬件资源不足的矛盾，使得检测平台的自动化程度高；

采用本实用新型之检测结构件表面裂缝的多旋翼无人机检测平台系统用于检测结构件表面裂缝的方法只需按步骤进行以下步骤：A、根据待测目标的类型，选择云台的安装方式，安装固定摄像机、测距传感器； B、根据检测要求和现场情况，设置系统参数；根据相机参数、检测精度P要求设定无人机离待检目标的距离D；C、巡检目标：在地面站上规划路线，启动无人机抵达巡检起点，开启测距传感器，将其投射在待检目标上，保持无人机与待测目标的距离D不变； D、提取待测目标的图像：无人机自主按预设路线飞行，并提取待检目标的图像；E、巡检到终点时，自主返回起飞点；F、下载SD卡中的数据，导入结构件裂缝图像检测软件进行自动检测，并输出检测结果。

经如上步骤，结构件在图像中与实际的尺寸保持稳定的比例关系，即可以通过计数图像上像素的多少来判断物体实际尺寸的大小；本实用新型的方法的这个特性，极大降低了对大型建筑物外表裂缝宽度测量的难度，提高了裂缝宽度测量的速度。

②极大地降低了检测成本：

组成本实用新型“检测结构件表面裂缝的多旋翼无人机检测平台系统”的各个部件都是市面上已经有的零部件，且标准化程度较高，易于以低成本实现本系统。

本实用新型使用多旋翼无人机承载摄像机的技术方案，解决了常规手段难以实现对大型结构件表面裂缝进行检测的问题；相较于目前常用的搭建脚手架和使用桥梁检测车、云台车等技术手段，本实用新型对检测环境的要求更低，在任何地形都能实现检测过程，极大地提高了检测的适用性和降低了检测所需的时间成本。

所以，本实用新型从硬件成本、检测的适用性和检测时间三个方面优化了结构件裂缝的检测成本；较好地解决了已有技术存在的问题。

2、使用方便、适用范围广：组成本实用新型 “检测结构件表面裂缝的多旋翼无人机检测平台系统”的多旋翼无人机的云台为多自由度伺服控制的云台，其上安装有增稳陀螺，稳定性能好；云台和摄像机可以安装在多旋翼无人机机体之机架的上方或者是下方；若待测目标在无人机上方，使用上置安装云台，即：将云台和摄像机安装在多旋翼无人机机体的上方，否则使用下置安装；即：将云台和摄像机安装在多旋翼无人机机体的下方；使用方便、适用范围广。

下面，结合附图和实施例对本实用新型之“检测结构件表面裂缝的多旋翼无人机检测平台系统”的技术特征作进一步的说明。

附图说明

图1：本实用新型之检测结构件表面裂缝的多旋翼无人机检测平台系统的整体结构示意图（方框图）；

图2：本实用新型之多旋翼无人机结构示意图（立体图）。

图中：

Ⅰ-多旋翼无人机、Ⅱ-控制系统、Ⅲ-无线通信系统；

11-机体、111-机架、112-脚架、113-螺旋桨安装杆、114-云台；

1111-收纳仓Ⅰ，1112-收纳仓Ⅱ；

12-动力系统、121-电机、122-锂电池及充电器、123-电子调速器、124-桨；

13-传感系统、131-GPS、132-惯性陀螺仪、133-电子罗盘、134-摄像机、135-测距传感器；

21-手持遥控器，22-地面站，23-距离传感控制模块、24-摄像机控制模块、25-飞行控制模块、26-云台控制模块；

31-数传电台、32-增益天线、33图传模块。

具体实施方式

一种检测结构件表面裂缝的多旋翼无人机检测平台系统。

如图1所示，该多旋翼无人机检测平台系统包括用于提供任务载荷和检测结构件表面裂缝的多旋翼无人机Ⅰ、用于控制多旋翼无人机Ⅰ运动和进行裂缝检测作业的控制系统Ⅱ以及传输远程控制指令和传感信息的无线通信系统Ⅲ；

所述的用于提供任务载荷和检测结构件表面裂缝的多旋翼无人机Ⅰ包括给设备提供物理安装接口和支撑框架的机体11、给机体11提供升力和运动的动力系统12、用以定位、调整飞行姿态和进行结构件表面裂缝检测的传感系统13；

所述的机体11包括：机架111、脚架112、螺旋桨支架113和云台114；

所述的动力系统12包括：电机121、锂电池122、电子调速器123和桨124；

所述的传感系统13包括：GPS131、惯性陀螺仪132、电子罗盘133、摄像机134和测距传感器135，其中，摄像机134和测距传感器135是专用于进行结构件表面裂缝检测的传感设备；

所述的控制系统Ⅱ是上位机加下位机结构，上位机为安装有主控机的地面站22，下位机是安装在多旋翼无人机Ⅰ上的n个执行控制模块；

所述的控制系统Ⅱ包括上位机、下位机，上位机为安装有主控机的地面站22，下位机是安装在多旋翼无人机Ⅰ上的n个执行控制模块，本实用新型实施例中，所述的控制系统Ⅱ的下位机的执行控制模块有4个；包括距离传感控制模块23、摄像机控制模块24、飞行控制模块25和云台控制模块26；作为本实用新型实施例的一种变换，随着技术的发展以及监测工作的需要，所述的控制系统Ⅱ的下位机的执行控制模块的个数n还可以增加，一般上述n的取值范围是： n为大于4小于10的整数；

所述安装有主控机的地面站22用于规划无人机飞行路径 、对无人机是否悬停、拍照以及在线监控进行决策；

所述的距离传感控制模块23用于控制距离传感器135的开关和保存过程数据；

所述的摄像机控制模块24用于控制摄像机134的开关、拍摄模式、ISO、光圈、焦距和曝光时间之参数的设定；

所述的飞行控制模块25用于直接控制多旋翼无人机所有旋翼的输出以及保持飞行姿态的稳定；

所述的云台控制模块26是电机伺服控制器，用于控制多轴云台的每个轴的角度；

所述的无线通信系统Ⅲ包括：数传电台31、增益天线32和图传模块33；

所述的多旋翼无人机Ⅰ的传感系统13采集无人机的飞行参数、图像信息和其它与检测作业相关的传感信息通过无线通信系统Ⅲ反馈给地面站22，地面站22依据反馈信息制定策略控制信息；

所述的控制系统Ⅱ的地面站22所发出的策略控制信息通过无线通信系统Ⅲ的数传电台31和增益天线32传递给执行控制模块，各执行控制模块依据策略控制信息的内容对多旋翼无人机Ⅰ的机体11、动力系统12和传感系统13进行控制；

所述的飞行控制模块25与传感系统通过信号线相连；

所述的飞行控制模块25根据传感信息和控制信号，通过动力系统调整多旋翼无人机Ⅰ的飞行参数；

所述的云台控制模块根据控制信号，控制机体上的云台；

所述的摄像机控制模块和距离传感控制模块根据控制信息调整传感系统的状态。

如图2所示，所述多旋翼无人机Ⅰ之机体11的机架111上有2个收纳仓，收纳仓Ⅰ（1111）用于安放收纳锂电池122，收纳仓Ⅱ（1112）用于安放收纳传感系统13的GPS131、惯性陀螺仪132和电子罗盘133以及控制系统Ⅱ的4个执行控制模块；

云台114为多自由度伺服控制的云台，其上安装有增稳陀螺；

云台114和摄像机134安装在多旋翼无人机机体11之机架111的上方或者下方；测距传感器135与摄像机134固定连接。

所述的测距传感器是激光测距传感器、超声波测距传感器、红外测距传感器或雷达测距传感器之中的一种。

作为本实用新型实施例的一种变换，所述的控制系统Ⅱ还包括有一手持遥控器21，该手持遥控器21所发出的手动控制信息亦通过无线通信系统Ⅲ的数传电台31和增益天线32传递给执行控制模块，各执行控制模块依据手动控制信息的内容对机体11、动力系统12和传感系统13进行控制；

从手持遥控器发出手动控制信息的优先级大于从地面站发出的策略控制信息，即有手动控制信息时，策略控制信息无效。

将本实用新型之检测结构件表面裂缝的多旋翼无人机检测平台系统用于检测结构件表面裂缝的方法，是依赖多旋翼无人机检测平台系统之多旋翼无人机上摄像设备和测距传感器，建立稳定的实际物体尺与图像像素个数的比例关系，通过计数裂缝在图像上所占的像素点，获取裂缝的实际尺寸；其具体步骤是：

A、根据待测目标的类型，选择云台的安装方式，安装固定摄像机、测距传感器：

若待测目标在无人机上方，使用上置安装云台，即：将云台114和摄像机134安装在多旋翼无人机机体11的上方，否则使用下置安装，即：将云台和摄像机安装在多旋翼无人机机体的下方；

在安装云台之前，在实验室内将激光测距仪与摄像机固接，将摄像机及激光测距仪安装在云台上；

B、根据检测要求和现场情况，设置系统参数：

即：根据相机参数、检测精度P要求设定无人机离待检目标的距离D, 计算距离D的公式是：

上式中：P-检测精度，单位为mm/pix，（ mm/pix表示毫米每像素，意思是图像上的每个像素所表示的物体的大小）根据检测需要自行设置；

W-相机在无人机前进方向上的有效像素；

FOV相机的视野角度，单位“度”；

C、巡检目标：

在地面站上规划路线，启动无人机抵达巡检起点，开启测距传感器，将其投射在待检目标上，保持无人机与待测目标的距离D不变；

D、提取待测目标的图像：

无人机自主按预设路线飞行，并提取待检目标的图像；

E、巡检到终点时，自主返回起飞点；

F、下载SD卡中的数据，导入结构件裂缝图像检测软件进行自动检测，并输出检测结果。

上述步骤是最基本的步骤，根据被检测构件的不同、获取结构件的图像的方式有区别，可以采用无人机悬停稳定后拍摄图像和连续飞行获取图像序列等不同技术手段。

作为本实用新型实施例的一种变换，采用手持遥控器21能手动强行中断地面站对多旋翼无人机检测平台的控制，并完全获取检测平台的控制权；

用遥控器手动强行中断地面站对多旋翼无人机检测平台的控制的技术是公知技术，其具体方法此处不再赘述。

Claims (4)

1.一种检测结构件表面裂缝的多旋翼无人机检测平台系统，其特征在于：该多旋翼无人机检测平台系统包括用于提供任务载荷和检测结构件表面裂缝的多旋翼无人机（Ⅰ）、用于控制多旋翼无人机（Ⅰ）运动和进行裂缝检测作业的控制系统（Ⅱ）以及传输远程控制指令和传感信息的无线通信系统（Ⅲ）；

所述的用于提供任务载荷和检测结构件表面裂缝的多旋翼无人机（Ⅰ）包括给设备提供物理安装接口和支撑框架的机体（11）、给机体（11）提供升力和运动的动力系统（12）、用以定位、调整飞行姿态和进行结构件表面裂缝检测的传感系统（13）；

所述的机体（11）包括：机架（111）、脚架（112）、螺旋桨支架（113）和云台（114）；

所述的动力系统（12）包括：电机（121）、锂电池（122）、电子调速器（123）和桨（124）；

所述的传感系统（13）包括：GPS（131）、惯性陀螺仪（132）、电子罗盘（133）、摄像机（134）和测距传感器（135），其中，摄像机（134）和测距传感器（135）是专用于进行结构件表面裂缝检测的传感设备；

所述的控制系统（Ⅱ）包括上位机、下位机，上位机为安装有主控机的地面站（22），下位机是安装在多旋翼无人机（Ⅰ）上的n个执行控制模块，该n个执行控制模块至少包括距离传感控制模块（23）、摄像机控制模块（24）、飞行控制模块（25）和云台控制模块（26）；上述n的取值范围是：n为大于4小于10的整数；

所述安装有主控机的地面站（22）用于规划无人机飞行路径 、对无人机是否悬停、拍照以及在线监控进行决策；

所述的距离传感控制模块（23）用于控制距离传感器（135）的开关和保存过程数据；

所述的摄像机控制模块（24）用于控制摄像机（134）的开关、拍摄模式、ISO、光圈、焦距和曝光时间之参数的设定；

所述的飞行控制模块（25）用于直接控制多旋翼无人机所有旋翼的输出以及保持飞行姿态的稳定；

所述的云台控制模块（26）是电机伺服控制器，用于控制多轴云台的每个轴的角度；

所述的无线通信系统（Ⅲ）包括：数传电台（31）、增益天线（32）和图传模块（33）；

所述的多旋翼无人机（Ⅰ）的传感系统（13）采集无人机的飞行参数、图像信息和其它与检测作业相关的传感信息通过无线通信系统（Ⅲ）反馈给地面站（22），地面站（22）依据反馈信息制定策略控制信息；

所述的控制系统（Ⅱ）的地面站（22）所发出的策略控制信息通过无线通信系统（Ⅲ）的数传电台（31）和增益天线（32）传递给执行控制模块，各执行控制模块依据策略控制信息的内容对多旋翼无人机（Ⅰ）的机体（11）、动力系统（12）和传感系统（13）进行控制；

所述的飞行控制模块（25）与传感系统通过信号线相连；

所述的飞行控制模块（25）根据传感信息和控制信号，通过动力系统调整多旋翼无人机（Ⅰ）的飞行参数；

所述的云台控制模块根据控制信号，控制机体上的云台；

所述的摄像机控制模块和距离传感控制模块根据控制信息调整传感系统的状态。

2.根据权利要求1所述的检测结构件表面裂缝的多旋翼无人机检测平台系统，其特征在于：所述多旋翼无人机（Ⅰ）之机体（11）的机架（111）上有2个收纳仓，收纳仓Ⅰ（1111）用于安放收纳锂电池（122），收纳仓Ⅱ（1112）用于安放收纳传感系统（13）的GPS（131）、惯性陀螺仪（132）和电子罗盘（133）以及控制系统（Ⅱ）的n个执行控制模块；

云台（114）为多自由度伺服控制的云台，其上安装有增稳陀螺；

云台（114）和摄像机（134）安装在多旋翼无人机机体（11）之机架（111）的上方或者下方；

测距传感器（135）与摄像机（134）固定连接。

3.根据权利要求2所述的检测结构件表面裂缝的多旋翼无人机检测平台系统，其特征在于：所述的控制系统（Ⅱ）还包括有一手持遥控器（21），该手持遥控器（21）所发出的手动控制信息亦通过无线通信系统（Ⅲ）的数传电台（31）和增益天线（32）传递给执行控制模块，各执行控制模块依据手动控制信息的内容对机体（11）、动力系统（12）和传感系统（13）进行控制；

从手持遥控器发出手动控制信息的优先级大于从地面站发出的策略控制信息，即有手动控制信息时，策略控制信息无效。

4.根据权利要求3所述的检测结构件表面裂缝的多旋翼无人机检测平台系统，其特征在于：所述的测距传感器是激光测距传感器、超声波测距传感器、红外测距传感器或雷达测距传感器之中的一种。