CN209919896U - 一种用于建筑结构探伤的四旋翼机器人检测系统 - Google Patents

Abstract

一种用于建筑结构探伤的四旋翼机器人检测系统，包括四旋翼飞行模块、控制模块、电磁吸附式损伤检测模块以及一个光流传感器，四旋翼飞行模块包括一个机架、四组旋翼机臂、两块电池及电池固定片，每组旋翼机臂包含一个悬臂、一个电机座、一个无刷直流电机、一个旋翼和一个T型支撑柱，四组旋翼机臂的悬臂的一端安装固定在工字型支撑块与机架下板之间；电磁吸附式损伤检测模块包含一个吸盘式电磁铁、一个套筒、一个加速度传感器、一个弹簧、第一固定片及第二固定片；控制模块包括模数转换单元、主控单元、GPS单元、电机驱动单元、惯性导航单元、图像处理单元、无线通信单元和固态继电器。本实用新型检测方式灵活、体积小、机动性强、检测更全面。

Description

一种用于建筑结构探伤的四旋翼机器人检测系统

技术领域

本实用新型属于机器人领域，具体涉及一种用于建筑结构探伤的四旋翼机器人检测系统。

背景技术

随着我国经济建设迅猛发展，各种复杂大型钢结构建筑不断出现。其中，钢结构被广泛应用于大型桥梁、大型空间结构、高层建筑、大型铁路交通枢纽、石油管道、核电站等。由于这些建筑结构对于结构健康要求较高，因此，加强建筑结构健康检测，及时进行维修显得尤为重要。

目前应用较广泛的是在建筑中特定位置安放有线或无线传感器节点，这种检测方法由于传感器位置固定，存在检测盲区并且维护困难，需要花费大量的人力物力成本；另一种检测方法是采用移动传感器节点，将检测用传感器与移动机器人小车结合起来，这种方法克服了固定式传感器的不足，但在一些大型的建筑结构中，由于待检测处位于高空或攀爬困难不易到达，或者待检测区域为钢结构而其余部分为非钢结构时，现有的检测方式有待改进。

发明内容

为了克服传统建筑结构检测方式的安装繁琐，成本高，待检测处不易到达等不足，本实用新型提供了一种用于建筑结构探伤的四旋翼机器人检测系统，该机器人可以自主飞行到待检测区域，再通过其携带的电磁吸附式损伤检测模块对被测表面进行钢结构损伤检测工作，其具有检测方式灵活、体积小、机动性强、检测更为全面等特点。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种用于建筑结构探伤的四旋翼机器人检测系统，包括四旋翼飞行模块、控制模块、电磁吸附式损伤检测模块以及一个光流传感器，所述四旋翼飞行模块包括一个机架、四组旋翼机臂、两块电池及电池固定片，每组旋翼机臂包含一个悬臂、一个电机座、一个无刷直流电机、一个旋翼和一个T型支撑柱，四组旋翼机臂的悬臂的一端安装固定在工字型支撑块与机架下板之间，四组悬臂的安装方向依次呈90°分布；所述电磁吸附式损伤检测模块包含一个吸盘式电磁铁、一个套筒、一个加速度传感器、一个弹簧、第一固定片及第二固定片；所述控制模块包括模数转换单元、主控单元、GPS单元、电机驱动单元、惯性导航单元、图像处理单元、无线通信单元和固态继电器。

进一步，所述四旋翼飞行模块中，机架包括机架上板、机架下板和工字型支撑块，机架下板用于安装控制模块、电池、电磁吸附式损伤检测模块、光流传感器，机架上板可以加强四旋翼机器人的结构强度，并对控制模块进行防护，机架上板通过螺钉与工字型支撑块连接固定，机架下板与悬臂通过螺钉与工字型支撑块连接固定；所述控制模块通过四根立柱固定在机架下板上，两个电池位于控制模块下方，电池通过电池固定片固定在机架下板上方，其中一节电池为四个无刷直流电机与吸盘式电磁铁供电，另外一节电池为四旋翼机器人的控制模块及各传感器供电，光流传感器固定在机架下板的下方，用于采集四旋翼机器人周围的环境信息。

再进一步，所述旋翼机臂的悬臂另一端上安装电机座，无刷直流电机通过螺钉安装在电机座上，所述无刷直流电机的驱动轴与旋翼通过螺钉固定连接，四个旋翼中有两个正旋翼和两个逆旋翼，正、逆旋翼间隔安装，每个无刷直流电机驱动一个旋翼，无刷直流电机控制线与电机驱动单元相连，悬臂下方固定安装T型支撑柱，作为四旋翼机器人的落地支撑点。

更进一步，所述控制模块中，所述模数转换单元、GPS单元、电机驱动单元、惯性导航单元、图像处理单元和固态继电器均与所述主控单元连接，模数转换单元通过高速串行外设接口和主控单元相连接，主控单元发出脉宽调制信号，通过电机驱动单元控制无刷直流电机带动旋翼作旋转运动；无线通信单元、惯性导航单元与GPS单元通过通用异步接收器和发送器接口和主控单元相连接，惯性导航单元控制四旋翼机器人的飞行姿态，GPS单元对四旋翼机器人飞行目标进行定位，主控单元通过无线通信单元与地面服务器传输无线信号；图像处理单元通过并行数据总线与光流传感器相连来读取图像信息，通过同步串行外设接口与主控单元连接，进行图像数据的实时传输；固态继电器的一端与主控单元的数字量信号输出端口相连，固态继电器的另一端与吸盘式电磁铁的电源线相连，所述主控单元可以通过固态继电器控制吸盘式电磁铁通电与断电状态。

所述电磁吸附式损伤检测模块中，所述第二固定片通过螺栓固定在机架下板的下方，弹簧的一端固定在第一固定片上，弹簧的另一端固定在第二固定片上，第一固定片通过螺钉固定在吸盘式电磁铁上；吸盘式电磁铁放置在套筒内，所述加速度传感器通过螺钉安装在吸盘式电磁铁下方，加速度传感器的一部分伸出在套筒的下方；所述电磁吸附式损伤检测模块的套筒通过螺栓固定在机架下板下方，弹簧将吸盘式电磁铁压紧在套筒内，对吸盘式电磁铁产生预紧力。

本实用新型的技术构思为：利用无线传感网络技术以及旋翼飞行器体积小、机动性强的优势，旨在解决以往大型钢结构建筑检测效率低，或者是复杂结构建筑无法攀爬的问题，可以有效节省施工时间，节约人工成本。而且建筑结构探伤四旋翼机器人检测系统的成本不高，使得整个机器人检测系统总成本比传统静态检测系统的成本低很多。同时，该建筑结构探伤四旋翼机器人检测系统还可以检测只有待检测区域为钢结构而其余部分为非钢结构的建筑，机器人可以自主的在建筑上飞行，并完成建筑结构损伤检测。

本实用新型提供了一种用于建筑结构探伤的四旋翼机器人检测系统，该四旋翼机器人在进行作业时，可以自主飞行到铁磁性表面材料的建筑结构上，并通过位于四旋翼飞行模块下方的电磁吸附式损伤检测模块实现对钢结构建筑的损伤检测工作，具有良好的环境适应性，检测方式灵活，且成本低、携带方便，能够对建筑结构实现全面检测。

四旋翼飞行器具有结构紧凑、体积小，噪声小以及超强机动性等特点，可以飞行在较高的空中，越过建筑中的非钢结构部分，并且可以在狭小的空间内垂直起降，因此，作为一种新型的建筑结构探伤机器人，相比于现有的固定传感器检测节点、移动检测节点，建筑结构探伤四旋翼机器人检测系统能够到达一些现有机器人不易到达的高空建筑或者不易攀爬的建筑结构上，进行快速、准确、有效地数据采集与传输。而且这种四旋翼机器人成本低、检测效率高、机动灵活、可适应各种恶劣环境，可替代人工，降低人员在高空作业时的危险性，减少了工作人员的劳动强度，缩短了作业时间，大大提高工作效率。

本实用新型与现有技术相比，具有以下优点：

1)成本低：由于建筑结构探伤四旋翼机器人检测系统结构简单，整个检测机构总体成本相比传统的静态检测网络成本低很多。

2)体积小：该四旋翼机器人体积小、重量轻，携带方便。

3)机动性强：该四旋翼机器人适合在一切具有铁磁性表面材料的建筑结构上面进行结构损伤检测作业，并且对于大型的建筑结构，该机器人能够迅速到达待检测点。

4)检测效率高：该四旋翼机器人下方安装的电磁吸附式损伤检测模块，可以在机器人检测模块底面接触到检测表面时迅速产生磁吸力，将加速度计紧密贴附在钢结构表面，快速完成损伤检测后，断掉磁吸力，机器人可以立即前往下一检测点。

5)移动无线传输：建筑结构探伤四旋翼机器人检测系统通过无线通信单元，可以与地面控制端进行数据传输，也可以与其他检测机器人进行数据的传输，实现机器人的智能协作。

6)节点数量少：利用四旋翼机器人的超高机动性，每个机器人可以检测多个位置，从而减少机器人的数量。

7)环境适应性强：该四旋翼机器人能够对周围环境进行智能识别，具有良好的环境适应能力，该四旋翼机器人还可以检测只有待检测区域为钢结构而其余部分为非钢结构的建筑。

8)续航能力持久：当电量不足时，该四旋翼机器人可以自主飞行到基站充电，从而解决供电问题。

附图说明

图1是建筑结构探伤四旋翼机器人检测系统的整体结构示意图。

图2是建筑结构探伤四旋翼机器人检测系统的控制模块安装示意图。

图3是建筑结构探伤四旋翼机器人检测系统自主飞行在建筑结构检测区域上方的示意图。

图4是建筑结构探伤四旋翼机器人检测系统的电磁吸附式损伤检测模块结构示意图。

图5是建筑结构探伤四旋翼机器人检测系统工作在建筑结构表面检测的示意图。

图例说明：1.电池固定片；2.电池；3.机架下板；4.T型支撑柱；5.电机座；6.无刷直流电机；7.螺钉；8.旋翼；9.悬臂；10.控制模块；11.工字型支撑块；12.机架上板；13.图像处理单元；14.天线；15.无线通信单元；16.主控单元；17.GPS单元；18.模数转换单元；19.电机驱动单元；20.惯性导航单元；21.固态继电器；22.立柱；23.加速度传感器；24.套筒；25.光流传感器；26.待检测区域；27.吸盘式电磁铁；28.第一固定片；29.弹簧；30.第二固定片。

具体实施方式

下面结合说明书附图对结构作进一步描述。

参照图1～图5，一种用于建筑结构探伤的四旋翼机器人检测系统，包括四旋翼飞行模块、控制模块10、电磁吸附式损伤检测模块以及一个光流传感器25，所述四旋翼飞行模块包括一个机架、四组旋翼机臂、两块电池2及电池固定片1，机架包括机架上板12、机架下板3和工字型支撑块11，机架上板12通过螺钉与工字型支撑块11连接固定，机架下板3与悬臂9通过螺钉与工字型支撑块11连接固定，每组旋翼机臂包含一个悬臂9、一个电机座5、一个无刷直流电机6、一个旋翼8和一个T型支撑柱4，四组旋翼机臂的悬臂9的一端通过螺钉安装固定在工字型支撑块11与机架下板3之间，四组悬臂9的安装方向依次呈90°分布。

所述旋翼机臂的悬臂9另一端上安装电机座5，无刷直流电机6通过螺钉安装在电机座5上，所述无刷直流电机6的驱动轴与旋翼8通过螺钉7固定连接，四个旋翼8中有两个正旋翼和两个逆旋翼，正、逆旋翼间隔安装，每个无刷直流电机6驱动一个旋翼8；无刷直流电机控制线与电机驱动单元19相连，主控单元16发出控制信号，通过电机驱动单元19控制电机6与旋翼8的旋转方向与转速，使得机器人实现上升、下降、转弯、悬停、平移等动作。悬臂9下方固定安装T型支撑柱4，作为四旋翼机器人的落地支撑点。

如图2所示的建筑结构探伤四旋翼机器人检测系统的控制模块10通过四根立柱22固定在机架下板3上，两个电池2位于控制模块10下方，电池2通过电池固定片1固定在机架下板3上方，其中一节电池为四个无刷直流电机6与吸盘式电磁铁27供电，另外一节电池为四旋翼机器人的控制模块10及各传感器供电；控制模块10包括模数转换单元18、主控单元16、GPS单元17、电机驱动单元19、惯性导航单元20、图像处理单元13、无线通信单元15和固态继电器21；模数转换单元18通过高速串行外设接口和主控单元16相连接，主控单元16发出脉宽调制信号，通过电机驱动单元19控制无刷直流电机6带动旋翼8作旋转运动；无线通信单元15、惯性导航单元20与GPS单元17通过通用异步接收器和发送器接口和主控单元16相连接，惯性导航单元20控制四旋翼机器人的飞行姿态，GPS单元17对四旋翼机器人飞行目标进行定位，主控单元16通过无线通信单元15与地面服务器传输无线信号；图像处理单元13通过并行数据总线与光流传感器25相连来读取图像信息，通过同步串行外设接口与主控单元16连接，进行图像数据的实时传输；固态继电器21的一端与主控单元16的数字量信号输出端口相连，固态继电器21的另一端与吸盘式电磁铁27的电源线相连，主控单元16通过固态继电器21控制吸盘式电磁铁27通电与断电状态。

由图3和图4可见，电磁吸附式损伤检测模块包含一个吸盘式电磁铁27、一个套筒24、一个加速度传感器23、一个弹簧29、第一固定片28及第二固定片30。所述模块的第二固定片30通过螺栓固定在机架下板3的下方，弹簧29的一端固定在第一固定片28上，弹簧29的另一端固定在第二固定片30上，第一固定片28通过螺钉固定在吸盘式电磁铁27上。吸盘式电磁铁27放置在套筒24内，所述加速度传感器23通过螺钉安装在吸盘式电磁铁27下方，加速度传感器23的一部分伸出在套筒24的下方。套筒24通过螺栓固定在机架下板3下方，弹簧29将吸盘式电磁铁27压紧在套筒24内，对吸盘式电磁铁27产生预紧力。光流传感器25固定在机架下板3的下方，用于采集四旋翼机器人周围的环境信息。

本实用新型所述的建筑结构探伤四旋翼机器人检测系统的工作原理如图5所示，当四旋翼机器人停靠到待检测建筑结构表面26时，加速度传感器23与被检测钢结构表面26接触，此时，主控单元16通过固态继电器21使吸盘式电磁铁27处于通电状态，吸盘式电磁铁27对钢结构被测表面26产生电磁吸附力，使加速度传感器23紧密贴附在待检测结构表面26，进行损伤检测作业。当四旋翼机器人完成对一个待检区域的损伤检测工作后，通过固态继电器21使吸盘式电磁铁27处于断电状态，吸盘式电磁铁27对钢结构被测表面26不能产生电磁吸附力，此时四旋翼机器人启动四个无刷直流电机6带动旋翼8动作，四旋翼机器人飞离已检测完的区域，并通过GPS单元17对下一个待检测区域目标位置进行飞行定位。

建筑结构探伤四旋翼机器人检测系统具有智能环境识别的能力。四旋翼机器人通过GPS单元17实现对飞行目标的定位，通过惯性导航单元20检测机器人的姿态变化并实时进行调整。四旋翼机器人携带的光流传感器25，可以通过光流传感器25产生超声波来判断与结构表面的相对距离，通过光流传感器25获得周围环境的图像信息，通过图像处理单元13和主控单元16对图像信息与位置信息进行分析计算，使机器人获得周围环境的三维坐标地图。当检测到机器人偏离预定的路线或者即将碰到结构表面时，主控单元16通过电机驱动单元19发出控制信号，对各无刷直流电机6的速度进行控制，使得四旋翼机器人回到预定路线或者避开建筑结构障碍。当机器人四个电机处于不同转速组合时，机器人就可以实现上升、下降、转弯、悬停、平移等动作，使得机器人平稳地飞行到目标位置并精确定位。

建筑结构探伤四旋翼机器人检测系统还具有通过复杂工作面的能力。在对一些大型复杂建筑结构进行检测时，四旋翼机器人可能遇到只有待检测区域为钢结构而其余部分为非钢结构的建筑。这时，就可以利用四旋翼机器人的优势，飞越非钢结构区域，到达待检测区域的目标位置，进行结构损伤检测作业。

Claims (5)

1.一种用于建筑结构探伤的四旋翼机器人检测系统，其特征在于，所述检测系统包括四旋翼飞行模块、控制模块、电磁吸附式损伤检测模块以及一个光流传感器，所述四旋翼飞行模块包括一个机架、四组旋翼机臂、两块电池及电池固定片，每组旋翼机臂包含一个悬臂、一个电机座、一个无刷直流电机、一个旋翼和一个T型支撑柱，四组旋翼机臂的悬臂的一端安装固定在工字型支撑块与机架下板之间，四组悬臂的安装方向依次呈90°分布；所述电磁吸附式损伤检测模块包含一个吸盘式电磁铁、一个套筒、一个加速度传感器、一个弹簧、第一固定片及第二固定片；所述控制模块包括模数转换单元、主控单元、GPS单元、电机驱动单元、惯性导航单元、图像处理单元、无线通信单元和固态继电器。

2.如权利要求1所述的一种用于建筑结构探伤的四旋翼机器人检测系统，其特征在于，所述四旋翼飞行模块中，机架包括机架上板、机架下板和工字型支撑块，机架下板用于安装控制模块、电池、电磁吸附式损伤检测模块、光流传感器，机架上板可以加强四旋翼机器人的结构强度，并对控制模块进行防护，机架上板通过螺钉与工字型支撑块连接固定，机架下板与悬臂通过螺钉与工字型支撑块连接固定；所述控制模块通过四根立柱固定在机架下板上，两个电池位于控制模块下方，电池通过电池固定片固定在机架下板上方，其中一节电池为四个无刷直流电机与吸盘式电磁铁供电，另外一节电池为四旋翼机器人的控制模块及各传感器供电，光流传感器固定在机架下板的下方，用于采集四旋翼机器人周围的环境信息。

3.如权利要求2所述的一种用于建筑结构探伤的四旋翼机器人检测系统，其特征在于，所述旋翼机臂的悬臂另一端上安装电机座，无刷直流电机通过螺钉安装在电机座上，所述无刷直流电机的驱动轴与旋翼通过螺钉固定连接，四个旋翼中有两个正旋翼和两个逆旋翼，正、逆旋翼间隔安装，每个无刷直流电机驱动一个旋翼，无刷直流电机控制线与电机驱动单元相连，悬臂下方固定安装T型支撑柱，作为四旋翼机器人的落地支撑点。

4.如权利要求1～3之一所述的一种用于建筑结构探伤的四旋翼机器人检测系统，其特征在于，所述控制模块中，所述模数转换单元、GPS单元、电机驱动单元、惯性导航单元、图像处理单元和固态继电器均与所述主控单元连接，模数转换单元通过高速串行外设接口和主控单元相连接，主控单元发出脉宽调制信号，通过电机驱动单元控制无刷直流电机带动旋翼作旋转运动；无线通信单元、惯性导航单元与GPS单元通过通用异步接收器和发送器接口和主控单元相连接，惯性导航单元控制四旋翼机器人的飞行姿态，GPS单元对四旋翼机器人飞行目标进行定位，主控单元通过无线通信单元与地面服务器传输无线信号；图像处理单元通过并行数据总线与光流传感器相连来读取图像信息，通过同步串行外设接口与主控单元连接，进行图像数据的实时传输；固态继电器的一端与主控单元的数字量信号输出端口相连，固态继电器的另一端与吸盘式电磁铁的电源线相连，所述主控单元可以通过固态继电器控制吸盘式电磁铁通电与断电状态。

5.如权利要求1～3之一所述的一种用于建筑结构探伤的四旋翼机器人检测系统，其特征在于，所述电磁吸附式损伤检测模块中，所述第二固定片通过螺栓固定在机架下板的下方，弹簧的一端固定在第一固定片上，弹簧的另一端固定在第二固定片上，第一固定片通过螺钉固定在吸盘式电磁铁上；吸盘式电磁铁放置在套筒内，所述加速度传感器通过螺钉安装在吸盘式电磁铁下方，加速度传感器的一部分伸出在套筒的下方；所述电磁吸附式损伤检测模块的套筒通过螺栓固定在机架下板下方，弹簧将吸盘式电磁铁压紧在套筒内，对吸盘式电磁铁产生预紧力。

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