CN210479030U - 可自主飞行的煤矿立井井壁裂痕巡检飞行器系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种可自主飞行的煤矿立井井壁裂痕巡检飞行器系统，其特征为包括四旋翼飞行系统，定位测距系统，图像采集系统，各个系统之间通过串口和SPI端口进行通信。飞行器主控制器通过控制搭载的各传感器和处理各传感器反馈的数据来实现控制整个井壁裂痕巡检飞行器系统进行升降、悬停、自转和拍照。通过可自主飞行的四旋翼飞行器实现煤矿立井井壁裂痕巡检，设备简单，自动化程度高，稳定性强，巡检效率高，节省人力物力，极大增加了立井井壁裂痕巡检过程的安全性和可靠性。

Description

可自主飞行的煤矿立井井壁裂痕巡检飞行器系统

技术领域

本实用新型涉及飞行器领域，具体是一种基于四旋翼飞行器作为载体，利用定位测距系统和图像采集系统来实现对煤矿立井井壁裂痕自主巡检的飞行器系统。

背景技术

对于很多矿井地区环境恶劣，土层物质种类多样，软硬不均，混凝土水化热反应差异较大，这些都使深井井壁承受不同的压力，部分井壁会出现开裂的情况，严重时可能导致井壁毁坏，矿井坍塌，财产乃至生命安全都有可能受到威胁，因此定期的检查维护是十分有必要的。

目前四旋翼飞行器技术较为成熟，稳定性高，可以在各种复杂的环境中进行定高悬停。飞行器主控制器可开发性强，支持多种通讯协议，支持多种外设与主控制器进行通信。

现有的检测立井井壁裂缝的方法多为人工检查和升降机搭载摄像头检查，工作人员靠肉眼检查存在诸多缺点：(1)矿井深度深，肉眼检查费时；(2)在长时间的工作环境下容易产生误判，准确性差；(3)用罐笼搭载工作人员长期检查对工作人员的人身安全有一定的潜在危险等。用升降机搭载摄像头，再通过无线传输上传地面站的方法也存在诸多缺点：(1)安装起降装置耗费工期长，步骤繁琐，安全低，费用昂贵；(2)传输图像步骤复杂，整套系统人工耗费多；(3)长距离无线传输容易受到干扰，稳定性较差。

实用新型内容

针对上述问题，本实用新型的目的是提供一种采用现在技术成熟的四旋翼飞行器搭载定位测距系统和图像采集系统对立井井壁裂痕进行巡检的系统。该系统通过定位测距系统来实现飞行器在立井井内定高定点悬停，通过惯性传感器与控制器来实现自转角度控制，通过图像采集系统对井壁图像采集并保存，完成任务后飞行器直接上升飞出立井，后期再对飞行器采集的图像进行分析，完成整个立井井壁裂痕巡检任务。该系统设备简单，通过飞行器的控制器和各模块之间的相互通信使整个井壁裂痕巡检过程完全自主，不需要人工干预，可以精确实现对立井井壁裂痕的巡检，极大减少巡检成本和增加巡检的安全性与可靠性。

为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案为：

一种可自主飞行的煤矿立井井壁裂痕巡检飞行器系统，其特征在于：包括四旋翼飞行系统，定位测距系统，图像采集系统，所述四旋翼飞行器自身飞行系统包括控制器STM32F407，惯性传感器ICM20602，6S航模电池，电调，工业电机，碳纤维机架组件；所述定位测距系统包括激光测距仪LRF26-1000L，激光雷达RPLIDAR A3；所述图像采集系统包括摄像头IMX274，光敏传感器 MAX44009，可调投光灯；所述四旋翼飞行系统中的惯性传感器ICM20602与控制器STM32F407之间通过SPI通信，所述四旋翼飞行系统和定位测距系统通过控制器STM32F407分别与激光测距仪LRF26-1000L和激光雷达RPLIDAR A3 之间通过串口通信；所述四旋翼飞行系统和图像采集系统通过控制器 STM32F407与摄像头IMX274之间进行串口通信和SPI通信，控制器STM32F407 分别与光敏传感器MAX44009和可调投光灯之间进行串口通信。

本实用新型有益效果体现在：

本实用新型利用四旋翼飞行器搭载定位测距系统和图像采集系统对立井井壁裂痕进行巡检。定位测距系统通过激光雷达RPLIDARA3水平测距保证四旋翼飞行器始终在立井圆心的垂直方向飞行，激光测距仪LRF26-1000L垂直测距保证四旋翼飞行器每次下降相同高度后悬停，图像采集系统通过可调投光灯的光照调节配合摄像头IMX274进行拍照可以获得清晰立井井壁的图像。设置四旋翼飞行器在井口起飞，自主下降，定高定点悬停，自主拍照，代替人工检查，节省人力物力，稳定性强，极大增加了立井井壁裂痕巡检的安全性和可靠性。相对于传统的人工和升降机检查，本实用新型设备简单，自动化程度高，立井井壁裂痕巡检速度快。

附图说明

图1为本实用新型的硬件连接图；

图2为本实用新型的煤矿立井井壁裂痕巡检示意图。

图3为本实用新型的飞行器系统工作流程图

具体实施方式

如图1所示，是所述自主飞行的煤矿立井井壁裂痕巡检飞行器系统的硬件结构示意图，硬件系统包括四旋翼飞行系统，定位测距系统，图像采集系统。所述四旋翼飞行器自身飞行系统包括控制器STM32F407，惯性传感器ICM20602，6S 航模电池，电调，工业电机，碳纤维机架组件；所述定位测距系统包括激光测距仪LRF26-1000L，激光雷达RPLIDAR A3；所述图像采集系统包括防爆摄像头 IMX274，光敏传感器MAX44009，可调投光灯。所述四旋翼飞行系统中的惯性传感器ICM20602与控制器STM32F407之间通过SPI通信，所述四旋翼飞行系统和定位测距系统通过控制器STM32F407分别与激光测距仪LRF26-1000L和激光雷达RPLIDARA3之间进行串口通信；所述四旋翼飞行系统和图像采集系统通过控制器STM32F407与摄像头IMX274之间进行串口通信来控制摄像头进行拍照和SPI通信来传输照片到主控制器上的TF卡中；控制器STM32F407分别与光敏传感器MAX44009和可调投光灯之间进行串口通信。

如图2所示，是所述自主飞行的煤矿立井井壁裂痕巡检飞行器系统在立井内巡检过程示意图，无人机在高为H米，半径为R米的立井内飞行，利用激光雷达RPLIDARA3水平测距定位功能，依靠立井的圆心位置垂直下降，根据摄像头IMX274的视角α和立井半径R算出每次下降的距离为h米，一次悬停，四旋翼飞行器进行三次90度旋转，每次图像采集的高度范围为E，面积为S。一次悬停后再次下降h米进行下一次悬停，直至激光测距仪LRF26-1000L测得距离小于h米，停止巡检，垂直向上飞离立井，完成立井井壁裂痕巡检。

如图3所示，是所述自主飞行的煤矿立井井壁裂痕巡检飞行器系统工作流程图，飞行器启动后，由控制器STM32F407控制激光测距仪LRF26-1000L和激光雷达RPLIDAR A3分别进行垂直和水平方向的测距，测得数据反馈到控制器 STM32F407进行处理以用来控制飞行器始终保持在立井圆心垂直方向悬停，悬停后，控制器STM32F407启动光敏传感器MAX44009并接受其反馈的数据进行处理以调节可调投光灯的亮度，然后控制器STM32F407发送指令控制摄像头 IMX274进行拍照，照片实时保存到主控制器上的TF卡中，保存完成后控制器STM32F407控制飞行器自转，惯性传感器测量飞行器的旋转角度为90度时反馈数据给控制器STM32F407，控制器STM32F407控制飞行器停止旋转进行拍照并保存，每次悬停重复3次旋转并进行4次拍照，控制器STM32F407控制飞行器下降并记录下降n次，每次下降后悬停都进行旋转和拍照，当激光测距仪LRF26-1000L测得垂直距离(H-nh)米小于h米时，控制器STM32F407控制飞行器垂直上升飞离立井，完成立井井壁裂痕巡检。

本实用新型的安装方式为：四旋翼飞行系统中将控制器STM32F407和惯性传感器ICM20602安装在碳纤维机架正上方并通过SPI接口连接，6S航模电池安装在碳纤维机架的正下方，6S航模电池通过T型插口为飞行器主控制器供电，电调安装在碳纤维机臂的正下方，电机安装在机臂的顶端；定位测距系统安装在 6S航模电池的正下方，其中激光雷达APLIDARA3安装在6S航模电池的正下方并通过串口与控制器STM32F407连接，激光测距仪LRF26-1000L安装在激光雷达APLIDARA3的正下方并通过串口与控制器STM32F407连接；图像采集系统中的摄像头IMX274和可调投光灯平行并排放置在开源飞控正上方并朝向一致，光敏传感器安装在摄像头的侧面并与控制器STM32F407通过串口连接。

本实用新型的运行方式：地面遥控飞行器飞行至立井圆心垂直方向，按键启动飞行器自主飞行，此时控制器STM32F407通过串口发送指令到激光测距仪 LRF26-1000L开始测距，飞行器匀速下降，待激光测距仪LRF26-1000L测得飞行器离立井井底距离为(H-h/2)米时，进行第一次悬停，控制器STM32F407通过串口发送指令使激光雷达APLIDAR A3测得飞行器水平方向离井壁的距离，再与立井半径R比较，来输出PWM信号来控制电调电机的转速以保证每次悬停时飞行器都可以在立井圆心垂直方向。定点悬停后控制器STM32F407通过串口发送指令启动光敏传感器MAX44009，并通过串口把光照强度的数据反馈到控制器STM32F407中进行处理，处理后控制器STM32F407通过串口发送指令调节可调投光灯亮度以达到适应工作环境光照强度的目的。然后控制器STM32F407 通过串口发送指令控制摄像头IMX274进行一次拍照，拍下的图片通过SPI通信传输到飞行器主控制器中的TF卡中保存，保存完成后控制器STM32F407输出 PWM信号控制四旋翼顺时针自转，惯性传感器ICM20602测量飞行器旋转角度到90度时，通过SPI通信反馈数据到控制器STM32F407，控制器STM32F407输出PWM信号控制飞行器停止旋转，再控制图像采集系统进行调光和拍照。飞行器一次悬停分别进行三次自转和四次拍照，同一高度立井图像采集完成之后，控制器STM32F407控制飞行器下降并记录下降次数n，激光测距仪LRF26-1000L 测量垂直测距并通过串口实时反馈数据到控制器STM32F407，当测距高度为(H-nh)米时，控制器STM32F407控制飞行器进行悬停、自转和拍照，然后进行下一次下降悬停和图像采集，当激光测距仪LRF26-1000L测量高度(H-nh) 小于h米时，控制器STM32F407控制飞行器垂直上升H米进行回收，整个可自主飞行的煤矿立井井壁裂痕巡检飞行器系统工作流程结束，可自主飞行的煤矿立井井壁裂痕巡检飞行器系统工作方式简单，明显提高井壁裂缝巡检效率，降低运行成本，增加巡检安全性。

Claims (1)

1.一种可自主飞行的煤矿立井井壁裂痕巡检飞行器系统，其特征在于：包括四旋翼飞行系统，定位测距系统，图像采集系统；所述四旋翼飞行器自身飞行系统包括控制器STM32F407，惯性传感器ICM20602，6S航模电池，电调，工业电机，碳纤维机架组件；所述定位测距系统包括激光测距仪LRF26-1000L，激光雷达RPLIDAR A3；所述图像采集系统包括摄像头IMX274，光敏传感器MAX44009，可调投光灯；所述四旋翼飞行系统中的惯性传感器ICM20602与控制器STM32F407之间通过SPI通信，所述四旋翼飞行系统和定位测距系统通过控制器STM32F407分别与激光测距仪LRF26-1000L和激光雷达RPLIDAR A3之间通过串口通信；所述四旋翼飞行系统和图像采集系统通过控制器STM32F407与摄像头IMX274之间进行串口通信和SPI通信，控制器STM32F407分别与光敏传感器MAX44009和可调投光灯之间进行串口通信。

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