专利名称：基于四轴飞行器的桥梁检测机器人的制作方法
技术领域：
本发明涉及桥梁参数检测领域，特别一种基于四轴飞行器的桥梁检测机器人。
背景技术：
桥梁安全关系到国计民生，在国家经济中占有举足轻重的作用。当前的桥梁安全 检测方法，除了搭脚手架外，主要是通过桥检车等工具，将检测人员送至需要检测的区域， 查看桥梁状态。为了承载足够重量，并保证相关人员安全，桥检车通常需要安装大量的传感 器，其设备庞大，使用程序复杂，特别在载人使用时受到很多限制。该车辆本身价格昂贵，一 台需要几百万元，同时其维护和使用成本也非常高昂，另外，在使用的过程中，此外桥检车 还受到光线，环境等严重的影响。四轴飞行器是一种常见的多旋翼飞行器，它是通过支撑臂连接前后和左右两组共 四个旋翼，每组旋翼旋向相同，两组旋翼分别互为正反旋翼，两组旋翼旋向相反，以此抵消 机体的扭力矩，防止自旋，保持机体平衡，并且通过改变旋翼转速来改变升力，进而改变四 旋翼直升机的姿态和位置，由于其结构紧凑，运动灵活、抗风能力强，一般适宜在比较狭小 的空间或者复杂地形环境中使用。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于四轴飞行器的桥梁检测机器人，利用具 有超强空中稳定性的四轴飞行器作为基本设备载体，将高精度拍照设备移动至桥梁待检测 部位实现无人控制下的自动桥梁损伤检测与识别。本发明的目的是通过以下技术方案来实现的本发明的基于四轴飞行器的桥梁 检测机器人包括四轴飞行器，所述四轴飞行器包括主机体、四组电机安装罩、四组支撑臂和 多组几何形状相同且成对的几何旋翼，所属四组电机安装罩分别通过支撑臂与主机体相连 接，所述几何旋翼分别设置在电机安装罩上，所述四轴飞行器整体呈“十”字状，所述四组支 撑臂处于同一平面且相互之间的夹角为90°，其特征在于所述主机体的轴向上设置贯通 的安装通道，所述安装通道内部设置有自适应配合调整装置；所述主机体上还设置有安装平台，所述安装平台通过自适应配合调整装置与主机 体相连接，所述安装平台上设置有机载飞行控制单元和摄像单元；所述自适应调整装置包括外环体和内环体，所述外环体的左右两侧分别通过阻尼 轴承I与安装通道的内壁相连接且与四组支撑臂所处的平面相平行，所述外环体可以阻尼 轴承I的中轴线为轴实现前后转动；所述内环体设置在外环体内部且与外环体处于同一平 面上，所述内环体的上下两侧分别通过阻尼轴承II与外环体的上下两侧相连接，所述内环 体可以阻尼轴承II的中轴线为轴实现左右转动；所述阻尼轴承I和阻尼轴承II的轴线夹 角为90° ；所述安装平台的下部与内环体的上部相连接，所述内环体的下部安装有配重块；所述桥梁检测机器人还包括地面控制单元和地面图像处理单元，所述机载飞行控制单元和地面控制单元组成总控制系统，所述摄像单元和地面图像处理单元组成图像数据 处理系统。进一步，所述机载飞行控制单元包括单片机主控板、三自由度陀螺仪、飞行姿态调 整摄像头和三轴加速度器，通过三自由度陀螺仪和三轴加速度器将飞行器的飞行姿态信号 传输至单片机主控板；进一步，所述机载飞行控制单元还包括用于测量飞行高度的高度传感器；进一步，所述机载飞行控制单元还包括高精度测距仪，所述高精度测距仪设置在 安装平台上，用于测量飞行器与桥梁的各个方向的距离；进一步，所述地面控制单元包括控制微机、无线数据收发模块和遥控装置；进一步，所述摄像单元包括可调节装置和高精度摄像装置，所述高精度摄像装置 通过可调节装置与安装平台固定连接，所述可调节装置包括旋转底座、垂直高度调节支杆 和水平长度调节支杆，所述旋转底座通过步进电机I固定在安装平台上，用于实现高精度 摄像装置在水平方向上的360°转动；所述垂直高度调节支杆的一端与旋转底座相连接， 另一端与水平长度调节支杆相连接，所述垂直高度调节支杆上设置有步进电机II，用于实 现高精度摄像装置在垂直方向上的上下移动；所述水平长度调节支杆水平设置，其一端与 垂直高度调节支杆相连接，另一端用于固定高精度摄像装置，所述水平长度调节支杆上设 置有步进电机III，用于实现高精度摄像装置在水平方向上的前后移动；所述转动步进电机I、步进电机II和步进电机III通过遥控装置进行控制；进一步，所述摄像单元还包括无线视频传输模块和图像存储模块，所述高精度摄 像装置摄得的视频和图片通过图像存储模块进行存储并通过无线视频传输模块传输至地 面图像处理单元。进一步，所述地面图像处理单元包括图像处理主机、图像采集卡和无线视频接收 模块。本发明的有益效果是1.本发明利用具有超强空中稳定性的四轴飞行器作为基本设备载体，通过无线摄 像控制、高精度测距实现桥梁检测位置的自动感知与巡线，并且能够将高精度拍照设备移 动至桥梁待检测部位，从而实现无人控制下的自动桥梁损伤检测与识别；3.四轴飞行器通过机载飞行控制单元能够实现自动控制飞行，也能够通过遥控单 元实现地面控制，控制方式灵活、高效，独特的自适应调整装置能够保证在飞行器受外界干 扰发生倾斜或者由于螺旋桨高速转动使机身发生抖动时，通过轴承与配重块的作用，有效 减小高精度摄像机的抖动和倾斜，保障摄像装置的正常工作；3.本发明采用高精度摄像装置，能够拍摄高清晰度的照片和视频，并通过无线传 输方式输送至地面图像处理单元进行处理，从而为桥梁检测提供第一手的资料和判断依 据；4.摄像单元的可调节装置能够保证摄像装置在各个角度的移动，从而大大增加了 本发明的适用范围，可以深入到一些人力难以到达的区域，为桥梁检测提供全面准确的资 料；5.本装置结构紧凑、设计合理、操作简单、整体费用低廉，具有良好的应用价值和 使用前景。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并 且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可 以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书和权利要 求书来实现和获得。
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进 一步的详细描述，其中图1为本发明的四轴飞行器结构示意图；图2为主机体第一层布置示意图；图3为主机体第二层布置示意图；图4为飞行控制单元各部件连接示意图；图5为主机体第三层布置示意图；图6为四轴飞行器的侧视图；图7为可调节装置的结构示意图；图8为图像数据处理系统的连接示意图。
具体实施例方式以下将参照附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。应当理解，优选实施例 仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。如图1所示，本发明的基于四轴飞行器的桥梁检测机器人，包括四轴飞行器，四轴 飞行器包括主机体1、四组电机安装罩2、四组支撑臂3和多组几何形状相同且成对的几何 旋翼4，四组电机安装罩2分别通过支撑臂3与主机体1相连接，几何旋翼4分别设置在电 机安装罩2上，四轴飞行器整体呈“十”字状，四组支撑臂3处于同一平面且相互之间的夹 角为90°。本实施例中，主机体按照从下向上的顺序，依次分为水平设置的三层安装架，其 中，第一、二层用来安装机载飞行控制单元，第三层的主机体纵向高度最高，在其轴向上设 置贯通的安装通道，安装通道内部设置有自适应配合调整装置，设置在主机体顶部的安装 平台16通过自适应配合调整装置与主机体相连接，在安装平台上设置有摄像单元；机载飞行控制单元包括单片机主控板7、三自由度陀螺仪8、三轴加速度器9和用 于测量飞行高度的气压高度传感器10。其中，三自由度陀螺仪8和三轴加速度器9将飞行 器的飞行姿态信号传输至单片机主控板7，通过飞行器的平衡算法处理，调整四个无刷电机 的输出电压，使无刷电机的转速增加或者减少，使飞行器保持平衡，当飞行器到达指定目标 时，气压高度传感器采集高度数据，并配合三自由度陀螺仪和三轴加速度器，将使飞行器自 动悬停在指定目标；机载飞行控制单元还包括高精度测距仪6，高精度测距仪6设置在安装平台上，用 于测量飞行器与桥梁的各个方向的距离，使飞行器与桥体保持一个最佳位置，保证高精度 摄像装置能够拍摄到最佳图像。与机载飞行控制单元相配合的是地面控制单元，机载飞行控制单元和地面控制单元组成总控制系统，来控制整个飞行器的空中飞行、悬停、定位和姿态控制，地面控制单元 包括控制微机27、无线数据收发模块28和遥控装置29。机载飞行控制单元通过无线数据收 发模块28实时接收发射飞行器的各种飞行数据并显示，包括电池电压、坐标、高度、方向、 姿态、飞行时间、飞行速度、飞行路径、距起飞点的距离、环境温度、风速、电机工作状态、遥 控器信号强度、GPS状态等重要信息，同时发出相应的控制指令。本实施例中，四轴飞行器还搭载有OSD自动导航仪11和飞行姿态调整摄像头5，将 桥梁的3D模型图数据导入OSD自动导航仪11，并借助航点规划编辑器创建详细飞行航线规 划，让飞行器按照预先规划好的航线自动飞行，飞行姿态调整摄像头5通过图像处理算法 找到桥梁的特征点，在特征点进行多种拍摄计划，包括特征点360度全景拍摄、围着特征点 目标进行环绕拍摄、沿飞行航线定距、定点拍摄。规划好的飞行航线能够以3D方式显示在 控制微机的监控屏幕上。如图2和图3所示，本实施例中，飞行姿态调整摄像头5和高精度测距仪6设置在 主机体第一层上，单片机主控板7、三自由度陀螺仪8、三轴加速度器9、气压高度传感器10 和OSD自动导航仪11设置在主机体的第二层上。如图4所示，该图清楚地表示出机载飞行控制单元各部件之间的连接关系。如图5和图6所示，自适应调整装置包括外环体12和内环体13，外环体12的左 右两侧分别通过阻尼轴承I 14与安装通道的内壁相连接且与四组支撑臂所处的平面相平 行，外环体可以阻尼轴承I 14的中轴线为轴实现前后转动；内环体13设置在外环体内部且 与外环体12处于同一平面上，内环体13的上下两侧分别通过阻尼轴承II 15与外环体12 的上下两侧相连接，内环体13可以阻尼轴承II 15的中轴线为轴实现左右转动；阻尼轴承 I 14和阻尼轴承II 15的轴线夹角为90° ；该结构在整体上可以保证内环体13在任意方 向上的活动，内环体13的下方挂有配重块17使重心向下，内环体13的上方连接在安装平 台16的下部，当飞行器受外界干扰发生倾斜或者由于螺旋桨高速转动使机身发生抖动时， 由于轴承与配重块的作用，可以有效的减小高精度摄像装置的抖动和倾斜。摄像单元包括可调节装置和高精度摄像装置21，高精度摄像装置21通过可调节 装置与安装平台16固定连接，如图7所示，可调节装置包括旋转底座18、垂直高度调节支杆 19和水平长度调节支杆20，旋转底座18通过步进电机I固定在安装平台16上，用于实现 高精度摄像装置在水平方向上的360°转动；垂直高度调节支杆19的一端与旋转底座相连 接，另一端与水平长度调节支杆20相连接，垂直高度调节支杆19上设置有步进电机II，用 于实现高精度摄像装置在垂直方向上的上下移动；水平长度调节支杆20水平设置，其一端 与垂直高度调节支杆19相连接，另一端用于固定高精度摄像装置21，水平长度调节支杆上 设置有步进电机III，用于实现高精度摄像装置在水平方向上的前后移动；步进电机I、步 进电机II和步进电机III通过遥控装置进行控制，从而实现高精度摄像装置的水平旋转、 上下升降和前后移动，使高精度摄像机能够拍摄到更宽泛的面积，在需要进行近距离拍摄 时，还可以伸缩至贴近结构表面进行拍照，达到精细入微的效果。为了进一步减小相机抖动，高精度摄像机采用了光学防抖和软件防抖，“光学防 抖”是一种是依靠相机内置的精密陀螺仪和一组可移动镜片，来计算并修正抖动造成的光 线偏移，避免模糊；而软件防抖就是通过增加感光度ISO值来提高快门速度，同样能达到防 抖效果。
与摄像单元配合的是地面图像处理单元，摄像单元和地面图像处理单元组成图像 数据处理系统，实现对桥梁相关部位的拍摄、数据传递和分析。如图8所示，摄像单元还包括无线视频传输模块22，高精度摄像装置21摄得的视 频和图片通过无线视频传输模块22传输至至地面图像处理单元；地面图像处理单元包括 图像处理主机26、图像采集卡25和无线视频接收模块24。无线视频传输模块22可以及时 的将飞行姿态调整摄像头5和高精度摄像装置21采集到的损伤视频和图片传输到图像处 理主机26上。服务器将摄像机采集到的损伤图像进行拼接，包括以下步骤a)图像预处理包括数字图像处理的基本操作(去噪、边缘提取、直方图处理等)、 建立图像的匹配模板以及对图像进行某种变换(如傅里叶变换、小波变换等)等操作；b)图像配准就是采用一定的匹配策略，找出待拼接图像中的模板或特征点在参 考图像中对应的位置，进而确定两幅图像之间的变换关系；c)建立变换模型根据模板或者图像特征之间的对应关系，计算出数学模型中的 各参数值，从而建立两幅图像的数学变换模型；d)统一坐标变换根据建立的数学转换模型，将待拼接图像转换到参考图像的坐 标系中，完成统一坐标变换；e)融合重构将带拼接图像的重合区域进行融合得到拼接重构的平滑无缝全景 图像。四轴飞行器可以采用聚合物锂电池供电，由于聚合物锂电池安全性能好不容易爆 炸，重量轻，容量大，内阻小，放电特性佳，有利于飞行器的大电流供应；在条件许可的情况 下，四轴飞行器也可以采用有线供电的方式，通过一定长度的电源线连接飞行器和地面电 源，使用时，从桥的上方将飞行器飞下去，从而可以有效增加测量时间。最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较 佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技 术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明 的权利要求范围当中。
8
权利要求
基于四轴飞行器的桥梁检测机器人，包括四轴飞行器，所述四轴飞行器包括主机体、四组电机安装罩、四组支撑臂和多组几何形状相同且成对的几何旋翼，四组电机安装罩分别通过支撑臂与主机体相连接，所述几何旋翼分别设置在电机安装罩上，所述四轴飞行器整体呈“十”字状，所述四组支撑臂处于同一平面且相互之间的夹角为90°，其特征在于所述主机体的轴向上设置贯通的安装通道，所述安装通道内部设置有自适应配合调整装置；所述主机体上还设置有机载飞行控制单元和安装平台，所述安装平台通过自适应配合调整装置与主机体相连接，所述安装平台上设置有摄像单元；所述自适应调整装置包括外环体和内环体，所述外环体的左右两侧分别通过阻尼轴承I与安装通道的内壁相连接且与四组支撑臂所处的平面相平行，所述外环体可以通过阻尼轴承I的中轴线为轴实现前后转动；所述内环体设置在外环体内部且与外环体处于同一平面上，所述内环体的上下两侧分别通过阻尼轴承II与外环体的上下两侧相连接，所述内环体可以通过阻尼轴承II的中轴线为轴实现左右转动；所述阻尼轴承I和阻尼轴承II的轴线夹角为90°；所述安装平台的下部与内环体的上部相连接，所述内环体的下部安装有配重块；所述桥梁检测机器人还包括地面控制单元和地面图像处理单元，所述机载飞行控制单元和地面控制单元组成总控制系统，所述摄像单元和地面图像处理单元组成图像数据处理系统。
2.根据权利要求1所述的基于四轴飞行器的桥梁检测机器人，其特征在于所述机载 飞行控制单元包括单片机主控板、三自由度陀螺仪、飞行姿态调整摄像头和三轴加速度器， 通过三自由度陀螺仪和三轴加速度器将飞行器的飞行姿态信号传输至单片机主控板，单片 机主控板自动控制机器人的飞行姿态。
3.根据权利要求2所述的基于四轴飞行器的桥梁检测机器人，其特征在于所述机载 飞行控制单元还包括OSD自动导航仪。
4.根据权利要求3所述的基于四轴飞行器的桥梁检测机器人，其特征在于所述机载 飞行控制单元还包括用于测量飞行高度的高度传感器。
5.根据权利要求4所述的基于四轴飞行器的桥梁检测机器人，其特征在于所述机载 飞行控制单元还包括高精度测距仪，所述高精度测距仪设置在安装平台上，用于测量飞行 器与桥梁的各个方向的距离。
6.根据权利要求1所述的基于四轴飞行器的桥梁检测机器人，其特征在于所述地面 控制单元包括控制微机、无线数据收发模块和遥控装置。
7.根据权利要求1所述的基于四轴飞行器的桥梁检测机器人，其特征在于所述摄像 单元包括可调节装置和高精度摄像装置，所述高精度摄像装置通过可调节装置与安装平台 固定连接，所述可调节装置包括旋转底座、垂直高度调节支杆和水平长度调节支杆，所述 旋转底座通过步进电机I固定在安装平台上，用于实现高精度摄像装置在水平方向上的 360°转动；所述垂直高度调节支杆的一端与旋转底座相连接，另一端与水平长度调节支杆 相连接，所述垂直高度调节支杆上设置有步进电机II，用于实现高精度摄像装置在垂直方 向上的上下移动；所述水平长度调节支杆水平设置，其一端与垂直高度调节支杆相连接，另 一端用于固定高精度摄像装置，所述水平长度调节支杆上设置有步进电机III，用于实现高精度摄像装置在水平方向上的前后移动；所述步进电机I、步进电机II和步进电机III通过遥控装置进行控制。
8.根据权利要求7所述的基于四轴飞行器的桥梁检测机器人，其特征在于所述摄像 单元还包括无线视频传输模块和图像存储模块，所述高精度摄像装置摄得的视频和图片通 过图像存储模块进行存储并通过无线视频传输模块传输至地面图像处理单元。
9.根据权利要求8所述的基于四轴飞行器的桥梁检测机器人，其特征在于所述地面 图像处理单元包括图像处理主机、图像采集卡和无线视频接收模块。全文摘要
本发明公开了一种基于四轴飞行器的桥梁检测机器人，包括四轴飞行器，四轴飞行器的主机体的轴向上设置贯通的安装通道，所述安装通道内部设置有自适应配合调整装置；主机体上还设置有机载飞行控制单元和安装平台，安装平台通过自适应配合调整装置与主机体相连接，安装平台上设置有摄像单元，机载飞行控制单元和地面控制单元组成总控制系统，摄像单元和地面图像处理单元组成图像数据处理系统，本发明利用具有超强空中稳定性的四轴飞行器作为基本设备载体，通过无线摄像控制、高精度测距仪实现桥梁检测位置的自动感知与巡线，并且能够将高精度拍照设备移动至桥梁待检测部位，从而实现无人控制下的自动桥梁损伤检测与识别。
文档编号G01C11/00GK101914893SQ20101022316
公开日2010年12月15日 申请日期2010年7月9日 优先权日2010年7月9日
发明者刘玉龙, 周志祥, 张奔牛, 曹建秋, 许登元 申请人:重庆交通大学