一种爬壁无人机及其控制方法 |
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申请号 | CN202410298206.0 | 申请日 | 2024-03-15 | 公开(公告)号 | CN117885829A | 公开(公告)日 | 2024-04-16 |
申请人 | 中冶建筑研究总院(深圳)有限公司; 中冶建筑研究总院有限公司; | 发明人 | 姚志东; 李禹濛; 常正非; 卢佳祁; 郝彬; | ||||
摘要 | 本 发明 提供了一种爬壁无人机及其控制方法,涉及无人机技术领域,主要包括 机身 、 车轮 、矢量旋翼装置及拍摄装置:所述机身上均布有多个多旋翼装置;多个车轮对称地设置于机身的前后两端,用于使爬壁无人机可移动地 支撑 在 建筑物 表面上;多个矢量旋翼装置对称地设置于机身的左右两端,用于使爬壁无人机沿着矢量面内的任意方向移动。本方案结构简洁、操作简便,可以抵靠并爬行于直立墙面及 水 平底面等 位置 上,可以排除高空气流的影响,近距离地、安全地拍摄到墙面画面,从而得到更清晰、更稳定、更放大的图像,有利于后序进行 缺陷 识别;本方案还可以电磁 吸附 于金属材质的墙面或 桥面 上,在提升拍摄 质量 及安全性的同时,增加了续航时间及 稳定性 。 | ||||||
权利要求 | 1.一种爬壁无人机,其特征在于,包括机身、车轮、矢量旋翼装置及拍摄装置: |
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说明书全文 | 一种爬壁无人机及其控制方法技术领域[0001] 本发明涉及无人机技术领域,尤其是涉及一种爬壁无人机及其控制方法。 背景技术[0002] 大厦、钢结构、桥梁等超高层建筑物的外表巡检作业可以及早发现诸如裂隙、破损、锈蚀、玻璃幕墙脱落及螺栓脱落等安全隐患,因此非常重要;但由于作业高度高、气流变化大等因素,其又存在非常大的危险性。 [0003] 当前,已出现将无人机技术应用于建筑物外立面巡检业务场景的工程案例,其在保护工作人员生命安全,提升作业效率及频率等方面取得了显著的成效。但是,常规四旋翼无人机平台由于其功能上的限制,始终无法规避靠近超高层建筑物时带来的作业风险,经常发生无人机误碰建筑而导致坠毁的事故。 [0004] 因此,研制出可以更贴近建筑物、观测更清晰以及安全性更高的专用无人机,已成为业内亟待解决的课题。 发明内容[0005] 本发明的目的在于提供一种爬壁无人机及其控制方法,以解决现有技术中存在的至少一种上述技术问题。 [0006] 第一方面,为解决上述技术问题,本发明提供一种爬壁无人机,包括机身、车轮、矢量旋翼装置及拍摄装置:所述机身上均布有多个多旋翼装置,用于使爬壁无人机向任意方向移动或悬停; 多个车轮对称地设置于机身的前后两端,用于使爬壁无人机可移动地支撑在建筑物表面上,这样可以保护爬壁无人机在近距离拍摄墙面的同时,不会撞到墙面上;多个矢量旋翼装置对称地设置于机身的左右两端,用于使爬壁无人机沿着矢量面内的任意方向移动或绕着竖直轴自转; 所述拍摄装置设置于所述机身上,用于拍摄建筑物表面的图像。 [0007] 通过上述结构,可以利用车轮使爬壁无人机停靠并行驶在建筑物的侧壁及屋顶等表面,以便更近距离地拍摄建筑物表面的图像,利用矢量旋翼装置补偿爬壁无人机的定位误差,辅助修正爬壁动作,实现提升建筑物表面检测质量的目的。 [0008] 在一种可行的实施方式中,所述多旋翼装置为双桨共轴结构,这样可以减少桨叶间的气流干扰,并提升单位时间内桨叶旋转时向下推动的气流量,最终实现提高爬壁无人机升力的目的;同时,还可以实现扭矩平衡,避免机身反向旋转,从而有助于保持机身在复杂气流环境中的稳定性。 [0012] 在一种可行的实施方式中,所述爬壁无人机还包括GPS模块及RTK模块,用于爬壁无人机进行室外定位。 [0014] 在一种可行的实施方式中,所述矢量旋翼装置包括第一转向机构和第二旋翼电机:所述第一转向机构用于根据指令调整第二旋翼电机的角度;所述第二旋翼电机包括第二电子速度控制器(ESC),用于根据输入的控制信号调整第二旋翼电机中转子转动的速度和方向,这样可以补偿RTK模块或激光雷达等导致的定位误差,修正爬壁无人机在爬壁方向上的移动精度。 [0016] 在一种可行的实施方式中,所述爬壁无人机还包括无线图传模块,用于通过无线传输方式,向外部设备外发图像数据并进行信息交互。 [0017] 在一种可行的实施方式中,所述外部设备包括遥控器或智能手持设备,便于向爬壁无人机发送指令信号。 [0018] 在一种可行的实施方式中,所述外部设备还包括地面控制设备,用于接收爬壁无人机拍摄的图像数据,并与爬壁无人机之间进行信息交互。 [0019] 在一种可行的实施方式中,所述爬壁无人机还包括动力锂电池,用于为爬壁无人机供电。 [0020] 在一种可行的实施方式中,所述爬壁无人机还包括系留模块,用于实现有线系留供电,提升长时间续航能力。 [0022] 在一种可行的实施方式中,所述拍摄装置还包括高光谱仪,用于采集高光谱图像数据。 [0023] 在一种可行的实施方式中,所述拍摄装置还包括红外成像仪,用于采集红外图像数据。 [0024] 在一种可行的实施方式中,所述车轮为万向轮,这样可以提升爬壁无人机在建筑物表面行驶时的换向灵活性。 [0026] 在一种可行的实施方式中,所述车轮组的连接杆可转动地连接于所述机身上,这样可以调整该车轮组与机身之间的相对角度,以使该车轮组的两个车轮能够同时接触倾斜的待爬墙面,有助于提升爬壁无人机在倾斜的待爬墙面上爬行时的稳定性,最终可以提升拍摄倾斜的待爬墙面图像时的稳定性以及图像检测效果。 [0027] 在一种可行的实施方式中,所述车轮组的连接杆与所述机身之间设置有第二转向机构,用于根据指令调整车轮组与机身之间的相对角度。 [0029] 在一种可行的实施方式中,所述爬壁无人机还包括电推杆,所述电推杆的本体设置于所述机身上安装有车轮的一端;所述电推杆的输出轴极限位置大于车轮距离机身的最远位置;所述电推杆的推力小于所述矢量旋翼装置的推进力;所述电推杆的输出轴安装有电磁铁,用于将爬壁无人机通过磁吸方式固定在金属表面。 [0030] 在一种可行的实施方式中,所述电推杆的本体与所述机身之间还设置有第三转向机构,用于根据指令调整电推杆轴向与机身之间的相对角度。 [0031] 在一种可行的实施方式中,所述电磁铁包括电磁继电器,用于开关控制电磁铁的吸附功能,并可以信号调节吸附力的大小。在一种可行的实施方式中,所述电推杆的输出轴还设置有接触传感器,用于检测 是否接触到建筑物;具体地,其在接触到建筑物时,发出吸附信号;在未接触到建筑物时,不发出信号。 [0032] 在一种可行的实施方式中,所述爬壁无人机还包括控制器,分别与多旋翼装置、矢量旋翼装置、拍摄装置、陀螺仪、六轴加速度传感器、GPS模块、RTK模块、无线图传模块、电推杆、电磁铁及接触传感器等电连接,用于程序控制爬壁无人机各部件运行。 [0033] 在一种可行的实施方式中,所述控制器还包括若干PID控制单元,分别与第一旋翼电机及第二旋翼电机电连接,用于精密调节第一旋翼电机及第二旋翼电机的输出转速,以便提升反应速度及电机转速准确性。 [0035] 第二方面,基于相同的发明构思,本申请还提供了用于上述爬壁无人机的控制方法,包括水平底面爬壁检测方法,具体包括:步骤a1、无线图传模块接收飞行路径及爬壁路径等指令信号,发送至控制器;所述 飞行路径包括飞行起点及飞行终点;所述爬壁路径平行于待爬墙面的竖向轴线,包括爬壁起点、检测点及爬壁终点;所述飞行终点与所述爬壁起点之间的欧氏距离为着壁距离;所述飞行终点与所述爬壁起点之间的连线垂直于待爬墙面; 步骤a2、控制器基于飞行路径,向各个多旋翼装置发送控制信号,用于通过PID控 制方法,实时控制飞行速度及方向;实时接收GPS模块及RTK模块的数据,用于导航;实时接收陀螺仪及六轴加速度传感器的数据,用于调整飞行姿态;使爬壁无人机由飞行起点飞行至飞行终点后悬停; 步骤a3、控制器同时向各个多旋翼装置的第一旋翼电机发送着壁控制信号直至爬 壁无人机抵达爬壁起点,用于控制爬壁无人机向待爬墙面上的爬壁起点移动并停靠在爬壁起点坐标;所述着壁控制信号具体是通过ESC调整各第一旋翼电机的转速,控制爬壁无人机的飞行方向; 步骤a4、控制器向拍摄装置发出拍摄指令,用于拍摄建筑物表面图像,这样可以近 距离、稳定地拍摄建筑物水平底面的图像,以便后序进行检测; 步骤a5、当爬壁起点处的拍摄任务完成后,控制器同时向两个矢量旋翼装置发出 爬壁控制信号,以便使爬壁无人机在矢量旋翼装置的驱动下,通过车轮水平直线移动到下一个检测点; 步骤a6、当控制器判定到达下一个检测点后,执行步骤a4,直至到达爬壁终点; 步骤a7、控制器同时向各个第一旋翼电机发送脱离控制信号直至爬壁无人机远离 待爬墙面至预设安全距离。 [0036] 通过上述步骤,可以使爬壁无人机停靠于水平底面并沿直线进行爬墙作业,有利于排除气流干扰,安全地、近距离地拍摄到水平底面的图像,从而得到更清晰、更稳定、更放大的图像数据,有利于后序进行缺陷识别。 [0037] 在一种可行的实施方式中,所述控制方法,还包括非金属立面爬壁检测方法,具体包括:步骤b1、无线图传模块接收飞行路径及爬壁路径等指令信号,发送至控制器;所述 飞行路径包括飞行起点及飞行终点;所述爬壁路径平行于待爬墙面的竖向轴线,包括爬壁起点、检测点及爬壁终点;所述飞行终点与所述爬壁起点之间的欧氏距离为着壁距离;所述飞行终点与所述爬壁起点之间的连线垂直于待爬墙面; 步骤b2、控制器基于飞行路径,向各个多旋翼装置发送控制信号,用于实时控制飞 行速度及方向;实时接收GPS模块及RTK模块的数据,用于导航;实时接收陀螺仪及六轴加速度传感器的数据,用于调整飞行姿态;使爬壁无人机由飞行起点飞行至飞行终点后悬停; 步骤b3、控制器同时向两个第二旋翼电机发送着壁控制信号直至爬壁无人机抵达 爬壁起点,用于控制爬壁无人机向待爬墙面上的爬壁起点移动并停靠在爬壁起点坐标;所述第一转向机构初始位置轴面为水平面; 步骤b4、控制器向电推杆发送伸出指令; 步骤b5、电推杆接收伸出指令后进行伸出运动,在该过程中:若接触传感器发出吸 附信号,则表示爬壁无人机已接触到建筑物,执行步骤b7;若接触传感器未发出吸附信号,则表示爬壁无人机未接触到建筑物,执行步骤b6; 步骤b6、控制器同时向两个第二旋翼电机继续发送预设倍率的着壁控制信号后, 迭代执行步骤b5,直至达到预设迭代结束条件;这样可以闭环校正爬壁无人机当前坐标与爬壁起点坐标之间的误差,确保爬壁无人机停靠在建筑物的墙壁上; 步骤b7、控制器向拍摄装置发出拍摄指令,用于拍摄建筑物表面图像,这样可以近 距离、稳定地拍摄建筑物墙面的图像,以便后序进行检测; 步骤b8、当爬壁起点处的拍摄任务完成后,控制器同时向各个多旋翼装置发出爬 壁控制信号,以便使爬壁无人机在多旋翼装置的驱动下,通过车轮直线移动到下一个检测点; 步骤b9、当控制器判定到达下一个检测点后,执行步骤b7,直至到达爬壁终点; 步骤b10、控制器同时向两个第二旋翼电机发送脱离控制信号直至爬壁无人机远 离待爬墙面至预设安全距离后各部位复位至初始状态。 [0038] 通过上述步骤,可以使爬壁无人机停靠于非金属直立墙面并沿直线进行爬墙作业,有利于排除气流干扰,安全地、近距离地拍摄到墙面图像,从而得到更清晰、更稳定、更放大的图像,有利于后序进行缺陷识别。 [0039] 在一种可行的实施方式中,所述控制方法,还包括金属立面爬壁检测方法,具体包括:步骤c1、无线图传模块接收飞行路径及爬壁路径等指令信号,发送至控制器;所述 飞行路径包括飞行起点及飞行终点;所述爬壁路径平行于待爬墙面的竖向轴线,包括爬壁起点、检测点及爬壁终点;所述飞行终点与所述爬壁起点之间的欧氏距离为着壁距离;所述飞行终点与所述爬壁起点之间的连线垂直于待爬墙面; 步骤c2、控制器基于飞行路径,向各个多旋翼装置发送控制信号,用于实时控制飞 行速度及方向;实时接收GPS模块及RTK模块的数据,用于导航;实时接收陀螺仪及六轴加速度传感器的数据,用于调整飞行姿态;使爬壁无人机由飞行起点飞行至飞行终点后悬停; 步骤c3、控制器同时向两个第二旋翼电机发送着壁控制信号直至爬壁无人机抵达 爬壁起点,用于控制爬壁无人机向待爬墙面上的爬壁起点移动并停靠在爬壁起点坐标;所述第一转向机构初始位置轴面为水平面; 步骤c4、控制器向电推杆发送伸出指令; 步骤c5、电推杆接收伸出指令后进行伸出运动,在该过程中:若接触传感器发出吸 附信号,则表示爬壁无人机已接触到建筑物,执行步骤c7;若接触传感器未发出吸附信号,则表示爬壁无人机未接触到建筑物,执行步骤c6; 步骤c6、控制器同时向两个第二旋翼电机继续发送预设倍率的着壁控制信号后, 迭代执行步骤c5,直至达到预设迭代结束条件;这样可以闭环校正爬壁无人机当前坐标与爬壁起点坐标之间的误差,确保爬壁无人机停靠在建筑物的墙壁上; 步骤c7、控制器向电磁铁发送通电控制信号,用于使爬壁无人机吸附于金属墙面; 控制器向第一电子速度控制器及第二电子速度控制器发送降耗控制信号,用于使爬壁无人机的各旋翼按照磁吸状态下的最低悬停功耗进行运转,以降低耗电量;控制器向拍摄装置发出拍摄指令,用于拍摄建筑物表面图像,这样可以近距离、稳定地拍摄建筑物墙面的图像,以便后序进行检测; 步骤c8、当爬壁起点处的拍摄任务完成后,控制器向第一电子速度控制器及第二 电子速度控制器发送复位控制信号,以便提供移除磁吸状态下的悬停升力;控制器向电磁铁发送断电控制信号,用于使爬壁无人机不再电磁吸附于金属墙面;控制器同时向各个多旋翼装置发出爬壁控制信号,以便使爬壁无人机在多旋翼装置的驱动下,通过车轮直线移动到下一个检测点; 步骤c9、当控制器判定到达下一个检测点后,执行步骤c7,直至到达爬壁终点; 步骤c10、控制器同时向两个第二旋翼电机发送脱离控制信号直至爬壁无人机远 离待爬墙面至预设安全距离后各部位复位至初始状态。 [0040] 通过上述步骤,可以使爬壁无人机停靠于金属直立墙面并沿直线进行爬墙作业,有利于排除气流干扰,安全地、近距离地拍摄到墙面图像,从而得到更清晰、更稳定、更放大的图像,有利于后序进行缺陷识别。 [0041] 在一种可行的实施方式中,所述控制方法,还包括非金属斜面爬壁检测方法,具体包括:步骤d1、无线图传模块接收飞行路径及爬壁路径等指令信号,发送至控制器;所述 飞行路径包括飞行起点及飞行终点;所述爬壁路径平行于待爬墙面的竖向轴线,包括爬壁起点、检测点及爬壁终点;所述飞行终点与所述爬壁起点之间的欧氏距离为着壁距离;所述飞行终点与所述爬壁起点之间的连线垂直于待爬墙面; 步骤d2、控制器基于飞行路径,向各个多旋翼装置发送飞行控制信号,用于实时控 制飞行速度及方向;实时接收GPS模块及RTK模块的数据,用于导航;实时接收陀螺仪及六轴加速度传感器的数据,用于调整飞行姿态;使爬壁无人机由飞行起点飞行至飞行终点后悬停; 步骤d3、控制器同时向两个第一转向机构、机身靠近待爬墙面一端的两个第二转 向机构以及第三转向机构发送第一转向指令,用于使第二旋翼电机的轴向垂直于待爬墙面、使两个车轮组中连接杆的轴向平行于待爬墙面并使电推杆的轴向垂直于待爬墙面;所述第一转向指令包括待爬墙面的倾斜角度U;所述第二旋翼电机的初始位置轴面为水平面; 步骤d4、控制器同时向两个第二旋翼电机发送着壁控制信号直至爬壁无人机抵达 爬壁起点,用于控制爬壁无人机向待爬墙面上的爬壁起点移动并停靠在爬壁起点坐标; 步骤d5、控制器向电推杆发送伸出指令; 步骤d6、电推杆接收伸出指令后进行伸出运动,在该过程中:若接触传感器发出吸 附信号,则表示爬壁无人机已接触到建筑物,执行步骤d8;若接触传感器未发出吸附信号,则表示爬壁无人机未接触到建筑物,执行步骤d7; 步骤d7、控制器同时向两个第二旋翼电机继续发送预设倍率的着壁控制信号后, 迭代执行步骤d6,直至达到预设迭代结束条件;这样可以闭环校正爬壁无人机当前坐标与爬壁起点坐标之间的误差,确保爬壁无人机停靠在建筑物的墙壁上; 步骤d8、控制器向拍摄装置发出拍摄指令,用于拍摄建筑物表面图像,这样可以近 距离、稳定地拍摄建筑物墙面的图像,以便后序进行检测; 步骤d9、当爬壁起点处的拍摄任务完成后,控制器同时向两个第一转向机构发送 第二转向指令,用于使第二旋翼电机向下一个检测点方向偏转预设角度V,以便使爬壁无人机在矢量旋翼装置的驱动下,通过车轮直线移动到下一个检测点; 步骤d10、当控制器判定到达下一个检测点后,第二旋翼电机恢复至第一转向指令 中的倾斜角度U,执行步骤d8,直至到达爬壁终点; 步骤d11、控制器同时向两个第二旋翼电机发送脱离控制信号直至爬壁无人机远 离待爬墙面至预设安全距离后各部位复位至初始状态。 [0042] 通过上述步骤,可以使爬壁无人机停靠于非金属倾斜墙面并沿直线进行爬墙作业,有利于排除气流干扰,安全地、近距离地拍摄到墙面图像,从而得到更清晰、更稳定、更放大的图像,有利于后序进行缺陷识别。 [0043] 在一种可行的实施方式中,所述控制方法,还包括金属斜面爬壁检测方法,具体包括:步骤e1、无线图传模块接收飞行路径及爬壁路径等指令信号,发送至控制器;所述 飞行路径包括飞行起点及飞行终点;所述爬壁路径平行于待爬墙面的竖向轴线,包括爬壁起点、检测点及爬壁终点;所述飞行终点与所述爬壁起点之间的欧氏距离为着壁距离;所述飞行终点与所述爬壁起点之间的连线垂直于待爬墙面; 步骤e2、控制器基于飞行路径,向各个多旋翼装置发送飞行控制信号,用于实时控 制飞行速度及方向;实时接收GPS模块及RTK模块的数据,用于导航;实时接收陀螺仪及六轴加速度传感器的数据,用于调整飞行姿态;使爬壁无人机由飞行起点飞行至飞行终点后悬停; 步骤e3、控制器同时向两个第一转向机构、机身靠近待爬墙面一端的两个第二转 向机构以及第三转向机构发送第一转向指令,用于使第二旋翼电机的轴向垂直于待爬墙面、使两个车轮组中连接杆的轴向平行于待爬墙面并使电推杆的轴向垂直于待爬墙面;所述第一转向指令包括待爬墙面的倾斜角度U;所述第二旋翼电机的初始位置轴面为水平面; 步骤e4、控制器同时向两个第二旋翼电机发送着壁控制信号直至爬壁无人机抵达 爬壁起点,用于控制爬壁无人机向待爬墙面上的爬壁起点移动并停靠在爬壁起点坐标; 步骤e5、控制器向电推杆发送伸出指令; 步骤e6、电推杆接收伸出指令后进行伸出运动,在该过程中:若接触传感器发出吸 附信号,则表示爬壁无人机已接触到建筑物,执行步骤e8;若接触传感器未发出吸附信号,则表示爬壁无人机未接触到建筑物,执行步骤e7; 步骤e7、控制器同时向两个第二旋翼电机继续发送预设倍率的着壁控制信号后, 迭代执行步骤e6,直至达到预设迭代结束条件;这样可以闭环校正爬壁无人机当前坐标与爬壁起点坐标之间的误差,确保爬壁无人机停靠在建筑物的墙壁上; 步骤e8、控制器向电磁铁发送通电控制信号,用于使爬壁无人机吸附于金属墙面; 控制器向第一电子速度控制器及第二电子速度控制器发送降耗控制信号,用于使爬壁无人机的各旋翼按照磁吸状态下的最低悬停功耗进行运转,以降低耗电量;控制器向拍摄装置发出拍摄指令,用于拍摄建筑物表面图像,这样可以近距离、稳定地拍摄建筑物墙面的图像,以便后序进行检测; 步骤e9、当爬壁起点处的拍摄任务完成后,控制器向第一电子速度控制器及第二 电子速度控制器发送复位控制信号,以便提供移除磁吸状态下的悬停升力;控制器向电磁铁发送断电控制信号,用于使爬壁无人机不再吸附于金属墙面;控制器同时向两个第一转向机构发送第二转向指令,用于使第二旋翼电机向下一个检测点方向偏转预设角度V,以便使爬壁无人机在矢量旋翼装置的驱动下,通过车轮直线移动到下一个检测点; 步骤e10、当控制器判定到达下一个检测点后,第二旋翼电机恢复至第一转向指令 中的倾斜角度U,执行步骤e8,直至到达爬壁终点; 步骤e11、控制器同时向两个第二旋翼电机发送脱离控制信号直至爬壁无人机远 离待爬墙面至预设安全距离后各部位复位至初始状态。 [0044] 通过上述步骤,可以使爬壁无人机停靠于金属倾斜墙面并沿直线进行爬墙作业,有利于排除气流干扰,安全地、近距离地拍摄到墙面图像,从而得到更清晰、更稳定、更放大的图像,有利于后序进行缺陷识别。 [0045] 采用上述技术方案,本发明具有如下有益效果:本发明提供的一种爬壁无人机及其控制方法,结构简洁、操作简便,通过车轮抵靠 并爬行于直立墙面、倾斜墙面及水平底面上,可以排除高空气流的影响,近距离地、安全地拍摄到墙面画面,从而得到更清晰、更稳定、更放大的图像,有利于后序进行缺陷识别;通过矢量旋翼装置补偿定位误差,实现精确爬壁定位;本方案还可以磁吸附于金属材质的直立墙面、倾斜墙面及水平底面上,在提升拍摄质量及安全性的同时,增加了续航时间和稳定性。 附图说明 [0046] 为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图是本发明的一些实施方式,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。 [0047] 图1为本发明实施例提供的一种爬壁无人机的立体结构图;图2为本发明实施例提供的水平底面爬壁检测方法流程图; 图3为本发明实施例提供的水平底面爬壁示意图; 图4为本发明实施例提供的非金属立面爬壁检测方法流程图; 图5为本发明实施例提供的立面爬壁示意图; 图6为本发明实施例提供的金属立面爬壁检测方法流程图; 图7为本发明实施例提供的另一种爬壁无人机的立体结构图; 图8为本发明实施例提供的非金属斜面爬壁检测方法流程图; 图9为本发明实施例提供的斜面爬壁示意图; 图10为本发明实施例提供的金属斜面爬壁检测方法流程图。 [0048] 附图标记:1‑机身;11‑多旋翼装置;12‑第二转向机构;13‑第三转向机构;2‑车轮;21‑连接杆;3‑矢量旋翼装置;4‑拍摄装置;5‑电推杆;6‑控制器。 具体实施方式[0049] 下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。 [0050] 在本发明的描述中,需要说明的是,术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。此外,术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性。 [0051] 在本发明的描述中,需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。 [0052] 下面结合具体的实施方式对本发明做进一步的解释说明。 [0053] 还需要说明的是,下述具体实施例或具体实施方式,是本发明为进一步解释具体的发明内容而列举的一系列优化的设置方式,而这些设置方式之间均是可以相互结合或者相互关联使用的。 [0054] 实施例一:如图1所示,本实施例提供的一种爬壁无人机,包括机身1、车轮2、矢量旋翼装置3 及拍摄装置4: 所述机身1上均布有四个多旋翼装置11,用于使爬壁无人机向任意方向移动或悬 停;八个车轮2对称地设置于机身1的前后两端,用于使爬壁无人机可移动地支撑在建筑物表面上,其中,两个车轮2分别固定于连接杆21的两端,构成车轮组,四个车轮组通过连接杆 21对称地连接于机身1的前后四角处,这样可以提升爬壁无人机在建筑物表面行驶的稳定性,避免翻车;两个矢量旋翼装置3对称地设置于机身1的左右两端,用于使爬壁无人机在停靠于建筑物表面后能够沿着车轮2的车辙方向行驶; 两个拍摄装置4分别对称地设置于所述机身1上下两面的中央,用于拍摄建筑物表 面的图像; 进一步地,所述多旋翼装置11为双桨共轴结构,这样可以减少桨叶间的气流干扰, 并提升单位时间内桨叶旋转时向下推动的气流量,最终实现提高爬壁无人机升力的目的; 同时,还可以实现扭矩平衡,避免机身反向旋转,从而有助于保持机身在复杂气流环境中的稳定性; 进一步地,所述双桨共轴结构中,螺旋桨的螺距为5.5英寸、长度为18英寸,两个螺 旋桨之间的相对角度为90度,这样可以显著减少气流干扰; 进一步地,所述多旋翼装置11包括行星齿轮传动系统,用于将电机的动力传导至 桨叶,这样可以平稳、准确地输出动力; 进一步地,所述多旋翼装置11包括第一旋翼电机,所述第一旋翼电机包括第一电 子速度控制器(ESC),用于根据输入的控制信号调整第一旋翼电机中转子转动的速度和方向; 进一步地,所述矢量旋翼装置3包括第一转向机构和第二旋翼电机:所述第一转向 机构用于根据指令调整第二旋翼电机的角度;所述第二旋翼电机包括第二电子速度控制器(ESC),用于根据输入的控制信号调整第二旋翼电机中转子转动的速度和方向; 进一步地,所述爬壁无人机还包括陀螺仪和六轴加速度传感器,用于实时监测和 调整爬壁无人机的飞行状态; 进一步地,所述爬壁无人机还包括GPS模块及RTK模块,用于爬壁无人机进行室外 定位; 进一步地,所述爬壁无人机还包括无线图传模块,用于与外界进行无线信息交互; 进一步地,所述爬壁无人机还包括动力锂电池,用于为爬壁无人机供电; 进一步地,所述拍摄装置4包括相机、云台及补光灯,用于扩展拍摄视野并提升拍 摄质量; 进一步地,所述爬壁无人机还包括电推杆5,所述电推杆5的本体设置于所述机身1 的前端;所述电推杆5的输出轴极限位置大于车轮距离机身的最远位置;所述电推杆5的推力小于所述矢量旋翼装置3的推进力;所述电推杆5的输出轴安装有电磁铁,用于将爬壁无人机通过磁吸方式固定在金属表面; 进一步地,所述电磁铁包括电磁继电器,用于开关控制电磁铁的吸附功能; 进一步地,所述电推杆5的输出轴还设置有滚轮式接触传感器,用于在接触到建筑 物时,发出吸附信号;在未接触到建筑物时,不发出信号; 进一步地,所述爬壁无人机还包括控制器6,设置于机身1的后端底部,分别与多旋 翼装置11、矢量旋翼装置3、拍摄装置4、陀螺仪、六轴加速度传感器、GPS模块、RTK模块、无线图传模块、电推杆5、电磁铁及接触传感器等电连接,用于程序控制爬壁无人机各部件运行; 进一步地,所述控制器6还包括若干PID控制单元,分别与第一旋翼电机及第二旋 翼电机电连接,用于精密调节第一旋翼电机及第二旋翼电机的输出转速,以便提升反应速度及电机转速准确性; 进一步地,所述机身1的材料为碳纤维和/或航空铝合金,这样即可以使机身轻便, 又可以提供足够的强度,从而提升使用耐久性。 [0055] 实施例二:如图2所示,本实施例提供了一种用于实施例一所述爬壁无人机的水平底面爬壁 检测方法,具体包括: 步骤a1、无线图传模块接收飞行路径及爬壁路径,发送至控制器6;所述飞行路径 包括飞行起点及飞行终点;所述爬壁路径平行于待爬墙面的竖向轴线,包括爬壁起点、检测点及爬壁终点;所述飞行终点与所述爬壁起点之间的欧氏距离为着壁距离;所述飞行终点与所述爬壁起点之间的连线垂直于待爬墙面; 步骤a2、控制器6基于飞行路径,向各个多旋翼装置11发送控制信号,用于通过PID 控制方法,实时控制飞行速度及方向;实时接收GPS模块及RTK模块的数据,用于导航;实时接收陀螺仪及六轴加速度传感器的数据,用于调整飞行姿态;使爬壁无人机由飞行起点飞行至飞行终点后悬停; 步骤a3、控制器6同时向各个多旋翼装置11的第一旋翼电机发送着壁控制信号直 至爬壁无人机抵达爬壁起点,用于控制爬壁无人机向待爬墙面上的爬壁起点移动并停靠在爬壁起点坐标,如图3所示; 步骤a4、控制器6向机身1上部的拍摄装置4发出拍摄指令,拍摄装置4通过云台调 整镜头方向,用于拍摄建筑物表面图像,这样可以近距离、稳定地拍摄建筑物水平底面的图像,以便后序进行检测; 步骤a5、当爬壁起点处的拍摄任务完成后,控制器6同时向两个矢量旋翼装置3发 出爬壁控制信号,以便使爬壁无人机在矢量旋翼装置3的驱动下,通过车轮2水平直线移动到下一个检测点; 步骤a6、当控制器6基于GPS模块及RTK模块的数据,判定到达下一个检测点后,执 行步骤a4,直至到达爬壁终点; 步骤a7、控制器6同时向各个第一旋翼电机发送脱离控制信号直至爬壁无人机远 离待爬墙面至预设安全距离。 [0056] 实施例三:如图4所示,本实施例提供了一种用于实施例一所述爬壁无人机的非金属立面爬 壁检测方法,具体包括: 步骤b1、无线图传模块接收飞行路径及爬壁路径,发送至控制器6;所述飞行路径 包括飞行起点及飞行终点;所述爬壁路径平行于待爬墙面的竖向轴线,包括爬壁起点、检测点及爬壁终点;所述飞行终点与所述爬壁起点之间的欧氏距离为着壁距离;所述飞行终点与所述爬壁起点之间的连线垂直于待爬墙面; 步骤b2、控制器6基于飞行路径,向各个多旋翼装置11发送控制信号,用于实时控 制飞行速度及方向;实时接收GPS模块及RTK模块的数据,用于导航;实时接收陀螺仪及六轴加速度传感器的数据,用于调整飞行姿态;使爬壁无人机由飞行起点飞行至飞行终点后悬停; 步骤b3、控制器6同时向两个第二旋翼电机发送着壁控制信号直至爬壁无人机抵 达爬壁起点,用于控制爬壁无人机向待爬墙面上的爬壁起点移动并停靠在爬壁起点坐标,如图5所示;所述第一转向机构初始位置轴面为水平面; 步骤b4、控制器6向电推杆5发送伸出指令; 步骤b5、电推杆5接收伸出指令后进行伸出运动,在该过程中:若接触传感器发出 吸附信号,则表示爬壁无人机已接触到建筑物,执行步骤b7;若接触传感器未发出吸附信号,则表示爬壁无人机未接触到建筑物,执行步骤b6; 步骤b6、控制器6同时向两个第二旋翼电机继续发送预设倍率的着壁控制信号后, 迭代执行步骤b5,直至达到预设迭代结束条件;这样可以闭环校正爬壁无人机当前坐标与爬壁起点坐标之间的误差,确保爬壁无人机停靠在建筑物的墙壁上; 步骤b7、控制器6向两个拍摄装置4中更接近下一个检测点的拍摄装置4发出拍摄 指令,用于拍摄建筑物表面图像,这样可以近距离、稳定地拍摄建筑物墙面的图像,以便后序进行检测; 步骤b8、当爬壁起点处的拍摄任务完成后,控制器6同时向各个多旋翼装置11发出 爬壁控制信号,以便使爬壁无人机在多旋翼装置11的驱动下,通过车轮2直线移动到下一个检测点; 步骤b9、当控制器6基于GPS模块及RTK模块的数据,判定到达下一个检测点后,执 行步骤b7,直至到达爬壁终点; 步骤b10、控制器6同时向两个第二旋翼电机发送脱离控制信号直至爬壁无人机远 离待爬墙面至预设安全距离后各部位复位至初始状态。 [0057] 实施例四:如图6所示,本实施例提供了一种用于实施例一所述爬壁无人机的金属立面爬壁 检测方法,具体包括: 步骤c1、无线图传模块接收飞行路径及爬壁路径,发送至控制器6;所述飞行路径 包括飞行起点及飞行终点;所述爬壁路径平行于待爬墙面的竖向轴线,包括爬壁起点、检测点及爬壁终点;所述飞行终点与所述爬壁起点之间的欧氏距离为着壁距离;所述飞行终点与所述爬壁起点之间的连线垂直于待爬墙面; 步骤c2、控制器6基于飞行路径,向各个多旋翼装置11发送控制信号,用于实时控 制飞行速度及方向;实时接收GPS模块及RTK模块的数据,用于导航;实时接收陀螺仪及六轴加速度传感器的数据,用于调整飞行姿态;使爬壁无人机由飞行起点飞行至飞行终点后悬停; 步骤c3、控制器6同时向两个第二旋翼电机发送着壁控制信号直至爬壁无人机抵 达爬壁起点,用于控制爬壁无人机向待爬墙面上的爬壁起点移动并停靠在爬壁起点坐标; 所述第一转向机构初始位置轴面为水平面; 步骤c4、控制器6向电推杆5发送伸出指令; 步骤c5、电推杆5接收伸出指令后进行伸出运动,在该过程中:若接触传感器发出 吸附信号,则表示爬壁无人机已接触到建筑物,执行步骤c7;若接触传感器未发出吸附信号,则表示爬壁无人机未接触到建筑物,执行步骤c6; 步骤c6、控制器6同时向两个第二旋翼电机继续发送预设倍率的着壁控制信号后, 迭代执行步骤c5,直至达到预设迭代结束条件;这样可以闭环校正爬壁无人机当前坐标与爬壁起点坐标之间的误差,确保爬壁无人机停靠在建筑物的墙壁上; 步骤c7、控制器6向电磁铁发送通电控制信号,用于使爬壁无人机吸附于金属墙 面;控制器6向第一电子速度控制器及第二电子速度控制器发送降耗控制信号,用于使爬壁无人机的各旋翼按照磁吸状态下的最低悬停功耗进行运转,以降低耗电量;控制器6向更接近下一个检测点的拍摄装置4发出拍摄指令,用于拍摄建筑物表面图像,这样可以近距离、稳定地拍摄建筑物墙面的图像,以便后序进行检测; 步骤c8、当爬壁起点处的拍摄任务完成后,控制器6向第一电子速度控制器及第二 电子速度控制器发送复位控制信号,以便提供移除磁吸状态下的悬停升力;控制器6向电磁铁发送断电控制信号,用于使爬壁无人机不再电磁吸附于金属墙面;控制器6同时向各个多旋翼装置11发出爬壁控制信号,以便使爬壁无人机在多旋翼装置11的驱动下,通过车轮2直线移动到下一个检测点; 步骤c9、当控制器6基于GPS模块及RTK模块的数据,判定到达下一个检测点后,执 行步骤c7,直至到达爬壁终点; 步骤c10、控制器6同时向两个第二旋翼电机发送脱离控制信号直至爬壁无人机远 离待爬墙面至预设安全距离后各部位复位至初始状态。 [0058] 实施例五:如图7所示,本实施例提供了另一种爬壁无人机,其在实施例一的基础上,增加了 如下技术特征: 所述车轮组的连接杆21可转动地连接于所述机身1上,这样可以调整该车轮组与 机身1之间的相对角度,以使该车轮组的两个车轮2能够同时接触倾斜的待爬墙面,有助于提升爬壁无人机在倾斜的待爬墙面上爬行时的稳定性,最终可以提升拍摄倾斜的待爬墙面图像时的稳定性以及图像检测效果; 进一步地,所述车轮组的连接杆21与所述机身1之间设置有第二转向机构12,用于 根据指令调整车轮组与机身1之间的相对角度; 进一步地,所述电推杆5的本体与所述机身1之间还设置有第三转向机构13,用于 根据指令调整电推杆5轴向与机身1之间的相对角度; 所述第二转向机构12及所述第三转向机构13的驱动装置分别与所述控制器6电连 接。 [0059] 在其他实施例中,还可以优化机身1与连接杆21及电推杆5之间的连接结构,以便通过一个转向机构,统一调节连接杆21及电推杆5与机身1之间的相对角度,这样可以减少机构数量,减轻爬壁无人机的整体重量。 [0060] 实施例六:如图8所示,本实施例提供了一种用于实施例五所述爬壁无人机的非金属斜面爬 壁检测方法,具体包括: 步骤d1、无线图传模块接收飞行路径及爬壁路径,发送至控制器6;所述飞行路径 包括飞行起点及飞行终点;所述爬壁路径平行于待爬墙面的竖向轴线,包括爬壁起点、检测点及爬壁终点;所述飞行终点与所述爬壁起点之间的欧氏距离为着壁距离;所述飞行终点与所述爬壁起点之间的连线垂直于待爬墙面; 步骤d2、控制器6基于飞行路径,向各个多旋翼装置11发送飞行控制信号,用于实 时控制飞行速度及方向;实时接收GPS模块及RTK模块的数据,用于导航;实时接收陀螺仪及六轴加速度传感器的数据,用于调整飞行姿态;使爬壁无人机由飞行起点飞行至飞行终点后悬停; 步骤d3、控制器6同时向两个第一转向机构、两个第二转向机构12以及第三转向机 构13发送第一转向指令,用于使第二旋翼电机的轴向垂直于待爬墙面、使两个车轮组中连接杆21的轴向平行于待爬墙面并使电推杆5的轴向垂直于待爬墙面;所述第一转向指令包括转向角度U’,等于待爬墙面的倾斜角度U,如图9中的(a)图所示;所述第二旋翼电机的初始位置轴面为水平面; 步骤d4、控制器6同时向两个第二旋翼电机发送着壁控制信号直至爬壁无人机抵 达爬壁起点,用于控制爬壁无人机向待爬墙面上的爬壁起点移动并停靠在爬壁起点坐标; 步骤d5、控制器6向电推杆5发送伸出指令; 步骤d6、电推杆5接收伸出指令后进行伸出运动,在该过程中:若接触传感器发出 吸附信号,则表示爬壁无人机已接触到建筑物,执行步骤d8;若接触传感器未发出吸附信号,则表示爬壁无人机未接触到建筑物,执行步骤d7; 步骤d7、控制器6同时向两个第二旋翼电机继续发送预设倍率的着壁控制信号后, 迭代执行步骤d6,直至达到预设迭代结束条件;这样可以闭环校正爬壁无人机当前坐标与爬壁起点坐标之间的误差,确保爬壁无人机停靠在建筑物的墙壁上; 步骤d8、控制器6向更靠近下一个检测点的拍摄装置4发出拍摄指令,用于拍摄建 筑物表面图像,这样可以近距离、稳定地拍摄建筑物墙面的图像,以便后序进行检测; 步骤d9、当爬壁起点处的拍摄任务完成后,控制器6同时向两个第一转向机构发送 第二转向指令,用于使第二旋翼电机向下一个检测点方向偏转预设角度V,以便使爬壁无人机在矢量旋翼装置3的驱动下,通过车轮2直线移动到下一个检测点; 其中,预设角度V可基于爬壁无人机需求的爬壁压紧力FN及爬行驱动力FT进行计 算,具体公式可以为: V=arctan(FT/FN); 并由爬壁压紧力FN与爬行驱动力FT可以计算得到第二旋翼电机的推进力F,具体 公式可以为: 2 2 2 F=FN+FT; 图9里的(b)图为沿着墙面向下移动爬壁无人机时预设角度V的方位示意图;图9里 的(c)图为沿着墙面向上移动爬壁无人机时预设角度V的方位示意图; 步骤d10、当控制器6基于GPS模块及RTK模块的数据,判定到达下一个检测点后,第 二旋翼电机恢复至第一转向指令中的转向角度U’,执行步骤d8,直至到达爬壁终点; 步骤d11、控制器6同时向两个第二旋翼电机发送脱离控制信号直至爬壁无人机远 离待爬墙面至预设安全距离后各部位复位至初始状态。 [0061] 实施例七:如图10所示,本实施例提供了一种用于实施例五所述爬壁无人机的金属斜面爬壁 检测方法,具体包括: 步骤e1、无线图传模块接收飞行路径及爬壁路径,发送至控制器6;所述飞行路径 包括飞行起点及飞行终点;所述爬壁路径平行于待爬墙面的竖向轴线,包括爬壁起点、检测点及爬壁终点;所述飞行终点与所述爬壁起点之间的欧氏距离为着壁距离;所述飞行终点与所述爬壁起点之间的连线垂直于待爬墙面; 步骤e2、控制器6基于飞行路径,向各个多旋翼装置11发送飞行控制信号,用于实 时控制飞行速度及方向;实时接收GPS模块及RTK模块的数据,用于导航;实时接收陀螺仪及六轴加速度传感器的数据,用于调整飞行姿态;使爬壁无人机由飞行起点飞行至飞行终点后悬停; 步骤e3、控制器6同时向两个第一转向机构、两个第二转向机构12以及第三转向机 构13发送第一转向指令,用于使第二旋翼电机的轴向垂直于待爬墙面、使两个车轮组中连接杆21的轴向平行于待爬墙面并使电推杆5的轴向垂直于待爬墙面;所述第一转向指令包括转向角度U’,等于待爬墙面的倾斜角度U;所述第二旋翼电机的初始位置轴面为水平面; 步骤e4、控制器6同时向两个第二旋翼电机发送着壁控制信号直至爬壁无人机抵 达爬壁起点,用于控制爬壁无人机向待爬墙面上的爬壁起点移动并停靠在爬壁起点坐标; 步骤e5、控制器6向电推杆5发送伸出指令; 步骤e6、电推杆5接收伸出指令后进行伸出运动,在该过程中:若接触传感器发出 吸附信号,则表示爬壁无人机已接触到建筑物,执行步骤e8;若接触传感器未发出吸附信号,则表示爬壁无人机未接触到建筑物,执行步骤e7; 步骤e7、控制器6同时向两个第二旋翼电机继续发送预设倍率的着壁控制信号后, 迭代执行步骤e6,直至达到预设迭代结束条件;这样可以闭环校正爬壁无人机当前坐标与爬壁起点坐标之间的误差,确保爬壁无人机停靠在建筑物的墙壁上; 步骤e8、控制器6向电磁铁发送通电控制信号,用于使爬壁无人机吸附于金属墙 面;控制器6向第一电子速度控制器及第二电子速度控制器发送降耗控制信号,用于使爬壁无人机的各旋翼按照磁吸状态下的最低悬停功耗进行运转,以降低耗电量;控制器6向更靠近下一检测点的拍摄装置4发出拍摄指令,用于拍摄建筑物表面图像,这样可以近距离、稳定地拍摄建筑物墙面的图像,以便后序进行检测; 步骤e9、当爬壁起点处的拍摄任务完成后,控制器6向第一电子速度控制器及第二 电子速度控制器发送复位控制信号,以便提供移除磁吸状态下的悬停升力;控制器6向电磁铁发送断电控制信号,用于使爬壁无人机不再吸附于金属墙面;控制器6同时向两个第一转向机构发送第二转向指令,用于使第二旋翼电机向下一个检测点方向偏转预设角度V,以便使爬壁无人机在矢量旋翼装置3的驱动下,通过车轮2直线移动到下一个检测点; 其中,预设角度V可基于爬壁无人机需求的爬壁压紧力FN及爬行驱动力FT进行计 算,具体公式可以为: V=arctan(FT/FN); 并由爬壁压紧力FN与爬行驱动力FT可以计算得到第二旋翼电机的推进力F,具体 公式可以为: 2 2 2 F=FN+FT; 步骤e10、当控制器6基于GPS模块及RTK模块的数据,判定到达下一个检测点后,第 二旋翼电机恢复至第一转向指令中的转向角度U’,执行步骤e8,直至到达爬壁终点; 步骤e11、控制器6同时向两个第二旋翼电机发送脱离控制信号直至爬壁无人机远 离待爬墙面至预设安全距离后各部位复位至初始状态。 [0062] 最后应说明的是:以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。 |