CN210416971U - 一种基于无人机悬挂平台的烟囱内壁图像采集装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于无人机悬挂平台的烟囱内壁图像采集装置。包括四旋翼无人机、放线装置、采集平台和地面监控装置；四旋翼无人机悬停于烟囱中心的顶端，放线装置将采集平台以遥控方式匀速放入烟囱内部进行内壁图像采集工作，烟囱内部的采集平台将采集的数据传输给中继器，中继器再将数据传输至地面监控装置进行监控从而实现烟囱内壁图像的采集工作。本实用新型降低了烟囱内壁图像采集的成本，降低了传统人工进入烟囱内部作业的风险，提高了烟囱内壁图像采集的效率，给工业生产带来更高的安全性可靠性和高效性。

Description

一种基于无人机悬挂平台的烟囱内壁图像采集装置

技术领域

本实用新型属于无人机应用领域，特别涉及一种基于无人机悬挂平台的烟囱内壁图像采集装置。

背景技术

近年来，虽然太阳能发电、风力发电、核能发电等方式发展迅速，但火力发电依然是一种最传统的发电方式，且发电总量占总发电量的80％以上。随之而来的就是发电厂烟囱内壁的腐蚀问题。目前，传统的烟囱内部图像采集与腐蚀图像检测方法为人工到达烟囱顶端再利用吊绳或升降机进入烟囱内部对其进行图像采集工作。该方法不仅费时费力费钱，还给工作人员带来生命的安全隐患。

随着工业自动化的发展，四旋翼无人机利用传统的航天技术作为支撑，以发达的通信网络作为管控，已广泛用于航空测绘、影视拍摄、紧急救援、物流运输等民用领域。目前，在烟囱应用领域，中国计量大学“基于飞行器的烟囱内壁腐蚀情况无线视频监控设备与方法”中使用无人机直接飞进烟囱进行图像采集，由于烟囱中缺少GPS信息，该方法不能保证无人机在烟囱中的飞行安全，不能实际解决烟囱图像采集的问题。

实用新型内容

为了解决背景技术中的问题，本实用新型提供了一种基于无人机悬挂平台的烟囱内壁图像采集装置，利用四旋翼无人机悬停于烟囱正中心顶端，遥控放线装置将采集平台放入烟囱中进行采集的方式切实解决了烟囱内壁图像采集的安全问题，对于无人机在烟囱领域的应用具有非常重要的作用，对于改善无人机的应用效果具有很好的促进作用。

本实用新型采用的技术方案如下：

本实用新型包括四旋翼无人机、放线装置和采集平台，四旋翼无人机底部搭载有放线装置，放线装置正下方通过凯夫拉线连接有采集平台；四旋翼无人机包括多轴飞行器机架、电调Ⅰ、陀螺仪Ⅰ、飞行控制单元、机载处理器、中继器、锂电池Ⅰ、PMU电源管理单元Ⅰ及配套的遥控器Ⅰ，陀螺仪Ⅰ、飞行控制单元、机载处理器、中继器、锂电池和PMU电源管理单元均安装于多轴飞行器机架上；陀螺仪Ⅰ、电调Ⅰ均与飞行控制单元相连，飞行控制单元经机载处理器与中继器相连。

放线装置包括支撑架、无线遥控直流电机调速器、有刷直流电机、电机连接杆、滚筒、滚筒支撑杆、凯夫拉线15及其配套的遥控器Ⅱ，支撑架主要由上、中、下三块支撑板由上至下依次连接组成，支撑架通过上支撑板整体搭载于多轴飞行器机架底部中间位置，上支撑板和中支撑板之间安装有无线遥控直流电机调速器，中支撑板和下支撑板之间安装有有刷直流电机和滚筒，中支撑板和下支撑板之间固定有两根垂直于支撑板的滚筒支撑杆，两根滚筒支撑杆之间连接有滚筒，电机连接杆一端与有刷直流电机的电机输出轴相连，电机连接杆另一端与滚筒中心轴相连，滚筒上缠绕有凯夫拉线；下支撑板靠近滚筒位置处开有放线孔，凯夫拉线穿出放线孔与正下方的采集平台相连，下支撑板底部安装有相机模块；无线遥控直流电机调速器与有刷直流电机相连，遥控器Ⅱ通过无线遥控直流电机调速器控制有刷直流电机转动，有刷直流电机通过电机连接杆带动滚筒转动。

锂电池Ⅰ经PMU电源管理单元Ⅰ分别与飞行控制单元、无线遥控直流电机调速器连接供电。

采集平台包括采集平台机架、锂电池Ⅱ、电调Ⅱ、陀螺仪Ⅱ、平台控制单元、PMU电源管理单元Ⅱ、气压计、光源模块和雷达装置，光源模块、锂电池Ⅱ、电调Ⅱ、陀螺仪Ⅱ、平台控制单元、PMU电源管理单元Ⅱ、气压计均安装于采集平台机架上；雷达装置包括云台摄像机、环线激光雷达和激光雷达支撑架，雷达装置通过激光雷达支撑架安装于采集平台机架底部，激光雷达支撑架上搭载有环线激光雷达，激光雷达支撑架底部安装有云台摄像机；陀螺仪Ⅱ、电调Ⅱ、气压计、光源模块、云台摄像机和环线激光雷达均与平台控制单元相连，锂电池Ⅱ经PMU电源管理单元Ⅱ与平台控制单元连接供电。

四旋翼无人机和采集平台上分别安装有飞行器支架和采集平台支架。

还包括地面监控装置，中继器直接与地面监控装置连接，采集平台上的平台控制单元经四旋翼无人机上的中继器连接地面监控装置，遥控器Ⅰ和遥控器Ⅱ均与地面监控装置连接。

所述陀螺仪Ⅰ用于采集四旋翼无人机的姿态角信息和GPS信息；陀螺仪Ⅱ用于采集采集平台的姿态角信息；所述环线激光雷达用于采集采集平台的水平位置信息。

所述多轴飞行器机架的各个机臂上均安装有与无刷电机Ⅰ相连的螺旋桨，每个无刷电机Ⅰ均连接有电调Ⅰ；所述采集平台机架的各个平台臂上均安装有与无刷电机Ⅱ相连的螺旋桨Ⅱ，每个无刷电机Ⅱ均连接有电调Ⅱ。

当地面监控装置根据云台摄像机采集的图像信息监测到图像亮度未达到采集亮度阈值时，地面监控装置通过中继器控制平台控制单台打开光源模块。

本实用新型的有益效果：

(1)本实用新型降低了烟囱内壁图像采集的成本，降低了传统人工进入烟囱内部作业的风险，提高了烟囱内壁图像采集的效率，给工业生产带来更高的安全性可靠性和高效性，同时也将四旋翼无人机的应用领域扩展至烟囱内壁图像采集的领域。

(2)本实用新型能在人不进入烟囱内部情况下进行图像采集，大大提高了作业的安全性，不仅保证了人和障碍物的安全，也保障无人机在烟囱内壁采集作业的安全。

附图说明

图1为本实用新型的装置结构图。

图2为本实用新型的模块安装图。

图3为本实用新型的模块标注图。

图4为本实用新型的实施流程图。

图中：1、多轴飞行器机架，2、螺旋桨Ⅰ，3、电调Ⅰ，4、陀螺仪Ⅰ，5、飞行控制单元，6、机载处理器，7、PMU电源管理单元Ⅰ，8、中继器，9、无刷电机Ⅰ，10、锂电池Ⅰ，11、飞行器支架；12、有刷直流电机，13、滚筒支撑杆，14、放线孔，15、凯夫拉线，16、相机模块，17、滚筒，18、电机连接杆，19、无线遥控直流电机调速器；20、锂电池Ⅱ，21、采集平台机架，22、螺旋桨Ⅱ，23、电调Ⅱ，24、陀螺仪Ⅱ，25、平台控制单元，26、PMU电源管理单元Ⅱ，27、气压计，28、无刷电机Ⅱ，29、光源模块，30、采集平台支架，31、激光雷达支撑架，32、云台摄像机，33、环线激光雷达。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

如图1所示，本实用新型的装置包括四旋翼无人机、放线装置、采集平台和地面监测装置；四旋翼无人机结合烟囱GPS与高度信息，以及摄像头经过图像灰度化、图像二值化、图像滤波、霍夫变换圆检测得到的烟囱中心位置信息悬停于烟囱正中心的顶端，搭载的放线装置将采集平台以遥控方式以1米/秒的速度匀速放入烟囱内部进行烟囱内壁图像的采集工作，烟囱内部的图像采集平台将采集的数据先传输给四旋翼无人机上的中继器，中继器再将数据传输至上位机并保存，从而实现烟囱内壁图像的采集。

如图2和图3所示，本实用新型装置包括四旋翼无人机、放线装置和采集平台，四旋翼无人机底部搭载有放线装置，放线装置正下方通过凯夫拉线15连接有采集平台；四旋翼无人机包括多轴飞行器机架1、电调Ⅰ3、陀螺仪Ⅰ4、飞行控制单元5、机载处理器6、中继器8、锂电池Ⅰ10、PMU电源管理单元Ⅰ7及配套的遥控器Ⅰ，陀螺仪Ⅰ4、飞行控制单元5、机载处理器6、中继器8、锂电池10和PMU电源管理单元7均安装于多轴飞行器机架1上；陀螺仪Ⅰ4、电调Ⅰ3均与飞行控制单元5相连，飞行控制单元5经机载处理器6与中继器8相连。

放线装置包括支撑架、无线遥控直流电机调速器19、有刷直流电机12、电机连接杆18、滚筒17、滚筒支撑杆13、凯夫拉线15及其配套的遥控器Ⅱ，支撑架主要由上、中、下三块支撑板由上至下依次连接组成，支撑架通过上支撑板整体搭载于多轴飞行器机架1底部中间位置，上支撑板和中支撑板之间安装有无线遥控直流电机调速器19，中支撑板和下支撑板之间安装有有刷直流电机12和滚筒17，中支撑板和下支撑板之间固定有两根垂直于支撑板的滚筒支撑杆13，两根滚筒支撑杆13之间连接有滚筒17，电机连接杆18一端与有刷直流电机12的电机输出轴相连，电机连接杆18另一端与滚筒17中心轴相连，滚筒17上缠绕有凯夫拉线15；下支撑板靠近滚筒17位置处开有放线孔14，凯夫拉线15穿出放线孔14与正下方的采集平台相连，下支撑板底部安装有相机模块16；无线遥控直流电机调速器19与有刷直流电机12相连，遥控器Ⅱ通过无线遥控直流电机调速器19控制有刷直流电机12转动，有刷直流电机12通过电机连接杆18带动滚筒17转动。

采集平台包括采集平台机架21、锂电池Ⅱ20、电调Ⅱ23、陀螺仪Ⅱ24、平台控制单元25、PMU电源管理单元Ⅱ26、气压计27、光源模块29和雷达装置，光源模块29、锂电池Ⅱ20、电调Ⅱ23、陀螺仪Ⅱ24、平台控制单元25、PMU电源管理单元Ⅱ26、气压计27均安装于采集平台机架21上；雷达装置包括云台摄像机32、环线激光雷达33和激光雷达支撑架24，雷达装置通过激光雷达支撑架24安装于采集平台机架21底部，激光雷达支撑架24上搭载有环线激光雷达33，激光雷达支撑架24底部安装有云台摄像机32；陀螺仪Ⅱ24、电调Ⅱ23、气压计27、光源模块29、云台摄像机32和环线激光雷达33均与平台控制单元25相连，锂电池Ⅱ20经PMU电源管理单元Ⅱ26与平台控制单元25连接供电。

具体实施中，机载处理器6为具有五个串口的ARM单片机；云台摄像机360度旋转采集图像；采集平台避障的障碍物为烟囱内部圆筒形内壁，烟囱直径一般为6米，高度一般为200米到250米；多轴飞行器机架1的各个机臂上均安装有与无刷电机Ⅰ9相连的螺旋桨2，每个无刷电机Ⅰ9均连接有电调Ⅰ3；所述采集平台机架21的各个平台臂上均安装有与无刷电机Ⅱ28相连的螺旋桨Ⅱ22，每个无刷电机Ⅱ28均连接有电调Ⅱ23。四旋翼无人机和采集平台上分别安装有飞行器支架11和采集平台支架30。

实施例

具体包括以下步骤(图4所示)：

步骤1：对实施例的烟囱进行实地考察，其烟囱内部上直径6米，烟囱高度210米。根据GPS信息，飞手先用遥控器Ⅰ操控无人机飞行到烟囱顶端高度220米左右处，然后切换到自动飞行模式。

步骤2：放线装置的相机模块16采集烟囱顶部圆形端口的图像，机载处理器6对图像依次进行灰度化处理、二值化处理以及滤波处理，然后采用霍夫变换圆检测判断图像中的圆形烟囱的中心位置，机载处理器6将烟囱中心位置经中继器8传输至飞行控制单元5，飞行控制单元5根据烟囱中心位置调控四旋翼无人机稳定悬停于烟囱顶部正中心；

霍夫变换圆检测具体为：霍夫变换圆检测包括如下公式：

x＝x₀+r cosθ

y＝y₀+r sinθ

其中，(x,y)为圆上任意像素点在图像坐标系上的坐标，(x₀,y₀)为圆中心像素点在图像坐标系上的坐标，r为圆半径，θ为极角；图像坐标系为以图像左上角为坐标原点建立的极坐标系；

根据极坐标方程，对于任意一个圆，在圆中心像素点坐标、圆半径已知情况下，图像坐标系旋转360°扫过圆上的点，由极坐标方程可以得到圆上每个点的坐标；那么在所述步骤2的图像中所有像素点坐标、图像上圆半径已知情况下，图像坐标系旋转360°由极坐标方程即可得到图像中圆中心像素点的坐标值，且圆中心处的强度值最强。

步骤3：遥控器Ⅱ通过无线遥控直流电机调速器19控制有刷直流电机12旋转，有刷直流电机12从而带动滚筒17转动，滚筒17转动的同时匀速放线，使得与凯夫拉线15相连的采集平台向下以1米/秒的速度匀速进入烟囱内，放线的同时地面监控装置开始计时。

步骤4：云台摄像机32、环线激光雷达33、气压计27以及陀螺仪24将采集的数据传输至平台控制器25，采集平台的平台控制器25将获得的采集数据传输至四旋翼无人机的中继器8，再由中继器8传输到地面监控装置进行实时监测；当地面监控装置根据云台摄像机32采集的图像信息监测到图像亮度未达到采集亮度阈值时，地面监控装置通过中继器8控制平台控制单台25打开光源模块。

步骤5：采集平台的平台控制器25通过环线激光雷达33监测采集平台到烟囱内壁的距离，采集平台到烟囱内壁的距离小于安全距离2米时平台控制器25利用位置的偏差信息对采集平台进行姿态调整，使得采集平台向烟囱中心平移以避开烟囱内壁达到对烟囱内壁的避障效果；

地面监控装置根据平台控制器25的采集数据监测到采集平台未处于烟囱中心位置时，地面监控装置也可通过中继器8控制平台控制器25向烟囱中心平移达到烟囱内壁的避障效果。

步骤6：地面监控装置根据采集平台的实际高度信息监测到采集平台距离烟囱底部10米处时，图像采集结束，采集共200米，历时4分钟左右。地面监控装置通过遥控器Ⅱ控制放线装置以1米/秒速度匀速收线，采集平台在凯夫拉线15的带动下匀速上升至四旋翼无人机正下方，历时4分钟左右。从采集平台下降到采集结束，整个采集任务共历时8分钟左右。

步骤7：最后四旋翼无人机搭载采集平台和放线装置飞回地面，结束图像采集任务。

Claims (5)

1.一种基于无人机悬挂平台的烟囱内壁图像采集装置，其特征在于，包括四旋翼无人机、放线装置和采集平台，四旋翼无人机底部搭载有放线装置，放线装置正下方通过凯夫拉线(15)连接有采集平台；四旋翼无人机包括多轴飞行器机架(1)、电调Ⅰ(3)、陀螺仪Ⅰ(4)、飞行控制单元(5)、机载处理器(6)、中继器(8)、锂电池Ⅰ(10)、PMU电源管理单元Ⅰ(7)及配套的遥控器Ⅰ，陀螺仪Ⅰ(4)、飞行控制单元(5)、机载处理器(6)、中继器(8)、锂电池Ⅰ(10)和PMU电源管理单元Ⅰ(7)均安装于多轴飞行器机架(1)上；陀螺仪Ⅰ(4)、电调Ⅰ(3)均与飞行控制单元(5)相连，飞行控制单元(5)经机载处理器(6)与中继器(8)相连；

放线装置包括支撑架、无线遥控直流电机调速器(19)、有刷直流电机(12)、电机连接杆(18)、滚筒(17)、滚筒支撑杆(13)、凯夫拉线(15)及其配套的遥控器Ⅱ，支撑架主要由上、中、下三块支撑板由上至下依次连接组成，支撑架通过上支撑板整体搭载于多轴飞行器机架(1)底部中间位置，上支撑板和中支撑板之间安装有无线遥控直流电机调速器(19)，中支撑板和下支撑板之间安装有有刷直流电机(12)和滚筒(17)，中支撑板和下支撑板之间固定有两根垂直于支撑板的滚筒支撑杆(13)，两根滚筒支撑杆(13)之间连接有滚筒(17)，电机连接杆(18)一端与有刷直流电机(12)的电机输出轴相连，电机连接杆(18)另一端与滚筒(17)中心轴相连，滚筒(17)上缠绕有凯夫拉线(15)；下支撑板靠近滚筒(17)位置处开有放线孔(14)，凯夫拉线(15)穿出放线孔(14)与正下方的采集平台相连，下支撑板底部安装有相机模块(16)；无线遥控直流电机调速器(19)与有刷直流电机(12)相连，遥控器Ⅱ通过无线遥控直流电机调速器(19)控制有刷直流电机(12)转动，有刷直流电机(12)通过电机连接杆(18)带动滚筒(17)转动；

锂电池Ⅰ(10)经PMU电源管理单元Ⅰ(7)分别与飞行控制单元(5)、无线遥控直流电机调速器(19)连接供电；

采集平台包括采集平台机架(21)、锂电池Ⅱ(20)、电调Ⅱ(23)、陀螺仪Ⅱ(24)、平台控制单元(25)、PMU电源管理单元Ⅱ(26)、气压计(27)、光源模块(29)和雷达装置，光源模块(29)、锂电池Ⅱ(20)、电调Ⅱ(23)、陀螺仪Ⅱ(24)、平台控制单元(25)、PMU电源管理单元Ⅱ(26)、气压计(27)均安装于采集平台机架(21)上；雷达装置包括云台摄像机(32)、环线激光雷达(33)和激光雷达支撑架(31)，雷达装置通过激光雷达支撑架(31) 安装于采集平台机架(21)底部，激光雷达支撑架(31)上搭载有环线激光雷达(33)，激光雷达支撑架(31)底部安装有云台摄像机(32)；陀螺仪Ⅱ(24)、电调Ⅱ(23)、气压计(27)、光源模块(29)、云台摄像机(32)和环线激光雷达(33)均与平台控制单元(25)相连，锂电池Ⅱ(20)经PMU电源管理单元Ⅱ(26)与平台控制单元(25)连接供电。

2.根据权利要求1所述的基于无人机悬挂平台的烟囱内壁图像采集装置，其特征在于，还包括地面监控装置，中继器(8)直接与地面监控装置连接，采集平台上的平台控制单元(25)经四旋翼无人机上的中继器(8)连接地面监控装置，遥控器Ⅰ和遥控器Ⅱ均与地面监控装置连接。

3.根据权利要求1所述的基于无人机悬挂平台的烟囱内壁图像采集装置，其特征在于，所述陀螺仪Ⅰ(4)用于采集四旋翼无人机的姿态角信息和GPS信息；陀螺仪Ⅱ(24)用于采集采集平台的姿态角信息；所述环线激光雷达(33)用于采集采集平台的水平位置信息。

4.根据权利要求1所述的基于无人机悬挂平台的烟囱内壁图像采集装置，其特征在于，所述多轴飞行器机架(1)的各个机臂上均安装有与无刷电机Ⅰ(9)相连的螺旋桨(2)，每个无刷电机Ⅰ(9)均连接有电调Ⅰ(3)；所述采集平台机架(21)的各个平台臂上均安装有与无刷电机Ⅱ(28)相连的螺旋桨Ⅱ(22)，每个无刷电机Ⅱ(28)均连接有电调Ⅱ(23)。

5.根据权利要求1所述的基于无人机悬挂平台的烟囱内壁图像采集装置，其特征在于，当地面监控装置根据云台摄像机(32)采集的图像信息监测到图像亮度未达到采集亮度阈值时，地面监控装置通过中继器(8)控制平台控制单元(25)打开光源模块。

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