CN209215943U - 一种可用于室内结构检测的无人机 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种可用于室内结构检测的无人机，属于结构检测技术领域，用于解决替代专业工程人员进入危险房屋室内检测的问题。其包括无人机主体、地面控制站、数据处理中心和无人机上设置的搭载模块组合四部分，搭载模块组合包括图像采集模块、传感器组、飞行状态处理器、通信模块和存储模块。地面控制站包括遥控器与显示屏。数据处理中心可从拍摄得到的图像中获取裂缝的尺寸数据。本实用新型巧妙地利用无人机拍摄的图像，用数据处理中心对室内结构构件进行裂缝长度和宽度的量测，快速判断房屋的健康状态，给出房屋结构的初步鉴定结论，操作简单，数据处理速度快，数据可靠性高。

Description

一种可用于室内结构检测的无人机

技术领域

本发明涉及一种可用于室内结构检测的无人机，特别是一种可用于室内裂缝尺寸量测分析的无人机。

背景技术

现代建筑在其正常使用过程中或经历地震等自然灾害后，由于建筑材料自身原因以及外加荷载影响，结构会产生变形、不均匀沉降、严重破坏等不利现象导致结构失稳或者失去承载能力。虽然实际工程中大部分建筑结构都是带裂缝工作的，但当裂缝宽度超过阈值时不仅影响建筑外观，给使用者危险感，严重地还会影响构件的承载力、耐久性。

工程实际中裂缝检测依靠专业检测人员，用裂缝检测仪或者标尺去寻找并测量裂缝尺寸。但是此传统检测方法会有成本高、效率低、人力安全保障低、精度低等问题，特别是在地震过后，余震可能会持续较长的一段时间，且余震震级也难以预测，此时让工作人员进入房屋内部进行作业对其人身安全会有较大威胁。相比之下利用小体积的无人机代替人工进行检测，利用无人机自身独特的快速标记方式和视角优势，可实现多角度、全覆盖的拍摄，能使检测数据资料更加完整；拥有易操作、成本低的特点等众多优势，更重要的是可以降低工作人员的风险。

现有专利主要解决了无人机在室外对建筑或者道路、河道进行整体检测的问题，但缺少能够进入结构空间内部进行细部检测的无人机。例如，专利CN201720977296提出了一种工程建筑裂缝检测无人机，该无人机可实现对建筑表面裂缝的宽度的检测，但没有解决在能够使得室内工作的无人机的定位以及对待测构件进行定位编号等问题。另外地震灾害后的危房检测中，由于随时可能遭遇余震，检测人员进入室内进行细部检测是极其危险的。因此，加入室内检测功能的小型化无人机对于类似情况的危房检测是必要的。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出一种可用于室内结构检测的无人机，用于解决当下缺少可进入室内对结构细部进行检测的小型化无人机的问题。本发明的具体组成技术方案为：可用于室内结构检测的无人机，包括无人机主体、对应地面控制站、地面数据处理中心以及无人机上设置的搭载模块组合。

无人机主体上设置的搭载模块组合，该搭载组合模块上设置图像采集模块、传感器组、飞行状态处理器、通信模块和存储模块。其中，图像采集模块包括分为主要数据采集模块与辅助拍摄模块，用于采集有助于房屋结构安全性检测的图像数据，并通过通信模块将采集到的数据传输到地面数据处理中心，进行数据后处理，以获得用于结构安全性检测的指标性数据。搭载组合模块上的传感器组，用于采集飞行状态数据，并将其传输给飞行状态处理器，使其根据实际情况做出飞行姿态的指令。搭载组合模块上的飞行状态处理器，用于接收传感器组传输来的飞行状态数据，根据预先设定的程序调整无人机飞行状态与位置，将接收到的图像数据和状态数据预处理后，传输到通信模块，再将所述图像数据保存到存储模块。如在飞行过程中，为了躲避结构障碍物操纵无人机采用多种飞行姿势靠近拍摄点，到达拍摄位置时，调整无人机的垂直度等。其中，通信模块用于接收状态数据和图像数据，并将状态数据和图像数据传输到地面控制站，存储模块用于存储接收到的状态数据和图像数据。

该组合中的图像采集模块、通信模块、协处理器分别与地面控制中心和数据处理中心通过无线信号相连接，它们之间可以进行数据的交换，可由地面控制站发送控制信号再由无人机接收，也可通过通信模块将图像数据、飞行状态数据等传输至地面控制站和数据处理中心。

图像采集模块所包括的主要数据采集模块用于图像信息的采集。该模块由长焦相机与短焦相机组成，分别进行工作。在进行图像采集时，同一时间仅由其中一只相机工作。使用时，由操作人员判断使用场景，例如，当需要进行长度较大的裂缝进行长度方向的测量时，又或者需要检测结构物外轮廓线时，由操作人员调用长焦相机进行图像采集；当需要对细部破损坏进行检测时，例如需要测量裂缝的宽度时，则由操作人员调用短焦相机进行拍摄。两组相机由地面控制站分别操作，独立向地面传递数据，互不干扰，拓宽了图像采集的适用范围。

该图像采集模块除由的长焦、短焦相机所组成的主要数据采集模块之外，还包括相应辅助拍摄模块与照明模块。辅助拍摄模块包括红外相机，红外相机与地面控制站相连，向地面控制站与数据处理中心发送数据并接收地面控制站发送的控制指令。该模块用于当主要数据采集模块在弱光或者无光环境下无法正常使用时对结构体进行图像信息的采集，例如在倾覆的房屋内部、地下室等空间内便可以使用该模块进行工作。

无人机设置的照明模块，通过与地面控制站的连接进行远程控制操作。照明模块用于在弱光环境或者无光环境下照明，使得无人机在这种情况下可以正常飞行和工作，且在弱光环境或者无光条件下，进行补光，使无人机可拍摄得到清晰的图像数据。该照明模块由四枚LED 灯珠组成，可根据灯珠点亮的个数调节光线的明暗，防止拍摄得到的照片发生过度曝光。

传感器组用于监测和控制无人机的飞行状态。该传感器组由高精度激光测距传感器、倾角传感器、加速度传感器和环境光传感器组成，并通过有线连接向所述飞行状态处理器发送数据。其中，高精度激光测距传感器用于采集距离数据，用于判断无人机在室内空间的相对位置，两个一组，共六组，分别布置在无人机的前、后、左、右、上、下六个方向上，工作方式为：先确定一个待测平面，由前方传感器向墙面发射测距激光束，比较两道激光束的长度，进行微调，直到两道光束的长度相同；随后另外五组传感器依次重复此操作，最终使得无人机与室内六个平面保持相对垂直，以此减小拍摄角度带来的图像畸变。倾角传感器采集飞行姿态数据，包括无人机旋翼倾角和图像采集模块倾角，用来配合程序设定无人机悬停时与水平面的夹角，保证在确定位置后无人机的角度不会发生偏差。加速度传感器配合距离传感器使用，用于采集飞行器航向线数据，防止无人机与结构物发生碰撞。倾角传感器和加速度传感器的工作过程为公知，在此不再赘述。环境光传感器用于采集环境光线条件数据以监测检测环境下的光线条件，可配合程序实现提醒操作人员对相机的切换，若环境光强小于定值，则提醒用户根据现场情况调用红外相机或调用照明模块进行补光。

无人机上设置的搭载模块组合的通信模块与数据存储模块，用于对图像采集模块所采集的数据进行传输与保存，同时保证地面控制站与无人机之间的稳定数据连接。通信模块采用 Wi-Fi信号与地面控制站相连。数据存储模块提供多个接口，可接入存储卡等外接存储设备。

无人机上设置的搭载模块组合的飞行状态处理器。该处理器主要对无人机的飞行状态数据进行处理。图像采集模块以及传感器组所采集到的数据，包括图像数据、距离数据、姿态数据、航向数据和光线条件数据，均由该处理器进行处理，以保证其时效性。同时，该处理器可对所采集到的图像数据进行预处理，即对图像数据进行编号、分组、归类，提高地面数据处理中心的工作效率。

整套设备包括地面控制站，该控制站包括遥控器与用户端显示屏，配有配套操作软件。地面站可实时显示无人机的各种姿态信息和测量相机获取的高质量影像信息，用于对无人机的飞行状态进行控制和调整，并由操作人员进行操作。

地面数据处理中心拥有独立的运算能力，使用高性能计算机处理数据，运行独立应用程序，通过无线传输或载体传输接收无人机所采集到的数据，并对接收到的数据进行分析处理，主要是判别裂缝的边缘，再进行尺寸的测量。

本发明提供了一种可用于室内结构检测的无人机。具备以下有益效果：

无人机进行作业时，可通过前置的距离传感器组的协同工作，自动寻找与第一面墙体垂直的位置。通过陀螺仪进行调节，使无人机螺旋助推器轴与测距激光线所成面垂直，并以此为原点建立空间笛卡尔坐标系，通过无人机在空间中的相对坐标来确定所测构件的位置。定位完成后可有效减小拍摄得到的图像发生的畸变。检测时，无人机按顺时针方向顺次旋转，调用长焦相机依次对墙面整体进行扫描。与此同时，可通过地面数据处理中心完成对该房间以及对应其他墙体的编号工作，并分别建立对应的文件夹以储存对应图像信息。对大面的检测完成后，操作人员可根据需要选择调用短焦相机接着对细部进行进一步的检测。配合环境光传感器，可协助操作人员判断是否需要调用辅助拍摄模块或照明模块对暗部进行数据采集。照明模块可由操作人员通过地面控制站进行亮度调节。加速度传感器可使得无人机具有智能防撞的功能。所得图像数据通过通信模块传输至地面数据处理中心，处理得出具体尺寸数据，包括：裂缝的长度尺寸、裂缝的宽度尺寸、房屋长宽高三维尺寸、结构与竖直线偏移程度。得到上述数据后，再根据设定的阈值，得出房屋安全性结论，包括结构的承载能力与正常使用的可靠性。本发明所达成的无人机设备具有适用范围广、小型化、轻量化的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例技术中的技术方案，下面将对实施例技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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为无人机各部分组成层级图；

图2为无人机各部分相互关系图；

图3为无人机工作流程图。

在图1～图3中，所包括的部分列出如下：1无人机主体；2地面控制站；3数据处理中心；4模块组合；5图像采集模块；6传感器组；7飞行状态处理器；8通信模块；9存储模块；10主要数据采集模块；11辅助拍摄模块；12长焦相机；13短焦相机；14高精度激光测距传感器；15倾角传感器；16加速度传感器；17环境光传感器；18照明模块；19遥控器；20显示屏；21红外相机。

具体实施方式

为一种可用于室内结构检测的无人机，其包括无人机主体、对应地面控制站以及地面数据处理中心。其中，无人机上设置搭载模块组合。地面控制站包括指令发射用遥控器以及显示屏。

无人机设备各部件的组成、连接关系为：激光测距传感器用十二枚，两个一组，共六组，分别布置在无人机的前、后、左、右、上、下六个方向上。图像采集模块集成在吊舱中，采用堆叠式布局，从上向下依次为：主要数据采集模块、辅助数据采集模块、照明模块。环境光传感器和辅助数据采集模块集成在一起。倾角传感器、加速度传感器与陀螺仪置于无人机内部中心处。上述传感器均通过总线与飞行状态处理器相连接，飞行状态处理器与传输模块相连接，图像采集模块同时与传输模块与存储模块相连接。以上元件均通过通信模块与地面站中的地面控制站和地面数据处理中心相连接。飞行状态处理器、传输模块、存储模块、通信模块、倾角传感器、加速度传感器与陀螺仪集成在飞行器内部。

使用前需要先手动控制无人机从室外大空间飞至室内预定位置处，并设置相对应的检测任务，无人机通电后待系统自检完成，连接无人机和地面站设备，进行实时同步传输，即可开始自动进行坐标测定与计算，并将对应的待测文件夹添加至指定位置，完成作业前的初步设定。

本发明具体工作原理和工作过程为：第一步，检测准备。首先由地面控制站的操作人员通过无人机相应控制程序对无人机下达相应指令，控制无人机飞至待测检测点处。进行相关参数调试，参数具体包括：工作面的选择、飞行时间控制、设置精度要求、设置运动速度、调节相机参数。待调节完成后，连通无人机检测模组的电源，开机等待系统自检。系统自检完成后，激活室内定位相关模块以及其相应应运行程序。第二步，检测。由无人机通过前置的双距离传感器的协同工作，自动寻找与第一面墙体垂直的位置。对陀螺仪进行调节，使无人机螺旋助推器轴与测距激光线所成面垂直，并以此为原点建立空间笛卡尔坐标系，通过无人机在空间中的相对坐标来确定所测构件的位置。定位后即开始检测。在此基础上悬停，按顺时针方向顺次旋转，调用长焦相机依次对墙面进行扫描，与此同时通过地面数据处理中心完成对该房间以及对应其他墙体的编号工作，并分别建立对应的文件夹以储存对应图像信息。对大面的检测完成后，由操作人员按需求调用短焦相机接着对细部进行进一步的检测。细部检测具体包括：框架结构梁、柱、节点、剪力墙、窗间墙、楼梯间等。检测时，由无人机上搭载的图像采集模块采集该面的图像数据。按此顺序对一个房间进行检测，完成后则进入下一个房间，重复相同的操作。待完成全部预定检测目标后则为一次检测的结束。第三步，对数据进行分析。无人机采集的图像数据传至地面数据处理中心后，由计算机运行独立的应用软件对数据进行分析，所采集的内容包括：裂缝的长度尺寸、裂缝的宽度尺寸、房屋长宽高三维尺寸、结构与竖直线偏移程度。得到上述数据后，再根据设定的阈值，得出房屋安全性结论，包括结构的承载能力与正常使用的可靠性。

Claims (9)

1.一种可用于室内结构检测的无人机，其特征在于：包括无人机主体(1)、对应地面控制站(2)、地面数据处理中心(3)以及无人机上设置的搭载模块组合(4)，搭载模块组合(4)上设置图像采集模块(5)、传感器组(6)、飞行状态处理器(7)、通信模块(8)和存储模块(9)；

其中：图像采集模块(5)包括分为主要数据采集模块(10)与辅助拍摄模块(11)，用于采集图像数据，并将采集到的数据传输到地面数据处理中心(3)；传感器组(6)，用于采集飞行状态数据进行对无人机的调整；飞行状态处理器(7)，用于接收传感器组(6)传输来的飞行状态数据，根据预先设定的程序调整无人机飞行状态与位置，将接收到的图像数据和状态数据预处理后传输到通信模块(8)，再将所述图像数据保存到存储模块(9)；通信模块(8)用于接收状态数据和图像数据，并将状态数据和图像数据传输到地面控制站(2)；存储模块(9)用于存储接收到的状态数据和图像数据。

2.根据权利要求1所述的一种可用于室内结构检测的无人机，其特征在于：所述图像采集模块(5)的主要数据采集模块(10)包括长焦相机(12)和短焦相机(13)，长焦相机(12)和短焦相机(13)彼此独立，分别向地面传输数据，两种相机可通过地面控制站(2)分别控制，方便用户根据具体操作需求进行自由切换。

3.根据权利要求1所述的一种可用于室内结构检测的无人机，其特征在于：所述图像采集模块(5)的辅助拍摄模块(11)包括红外相机(21)，红外相机(21)通过通信模块(8)与地面数据处理中心(3)连接。

4.根据权利要求1所述的一种可用于室内结构检测的无人机，其特征在于：所述传感器组(6)用于监测控制无人机的飞行状态，包括高精度激光测距传感器(14)、倾角传感器(15)、加速度传感器(16)和环境光传感器(17)，高精度激光测距传感器(14)、倾角传感器(15)、加速度传感器(16)和环境光传感器(17)均通过有线连接向所述飞行状态处理器(7)发送数据。

5.根据权利要求1所述的一种可用于室内结构检测的无人机，其特征在于：所述通信模块(8)为无线传输模块。

6.根据权利要求1所述的一种可用于室内结构检测的无人机，其特征在于：设置照明模块(18)，通过与地面控制站(2)的连接远程控制操作，照明模块(18)用于对较暗处进行照明。

7.根据权利要求1所述的一种可用于室内结构检测的无人机，其特征在于：所述飞行状态处理器(7)用于接收并处理无人机飞行状态数据；通过图像采集模块(5)、传感器组(6)、飞行状态处理器(7)的组合工作，使无人机具备在室内自动定位并采集坐标数据的能力。

8.根据权利要求1所述的一种可用于室内结构检测的无人机，其特征在于：地面控制站包括遥控器(19)和显示屏(20)，集成了对无人机的飞行控制以及指令发射功能，控制人员在做出指令后可由地面控制站(2)发送至无人机接收器，对无人机的飞行状态进行人工调节与修正。

9.根据权利要求1所述的一种可用于室内结构检测的无人机，其特征在于：数据处理中心(3)用于对接收到的数据进行处理，可进行图像数据的分类、编号，以及后期识别处理，可以统筹处理无人机的飞行状态数据。