CN109542116B - 用于桥梁检测的三维巡航方法及*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于桥梁检测的三维巡航方法，包括建立桥梁三维模型，根据桥梁三维模型规划检测点，根据检测点生成巡航路径，根据巡航路径上的路径点解算巡航姿态，建立路径点坐标集合与循航姿态集合的对应关系，并输入给飞爬两栖机器人，飞爬机器人执行三维自动巡航程序进行巡航。本发明还公开了一种用于桥梁检测的三维巡航***，包括搭载有桥梁检测装置的飞爬两栖机器人以及能够与飞爬两栖机器人进行无线通信的地面控制台。本发明解决了现有技术中检测效率低、容易漏检以及容易发生安全事故的技术问题，能够实现对桥梁的自动巡航检测，提高检测效率。
Description
技术领域
本发明涉及桥梁检测领域，具体涉及一种检测桥梁的巡航方法与***。
背景技术
随着无人机技术的发展，无人机广泛用于各种工程技术领域，在桥梁检测中也逐渐采用了无人机技术，特别是飞爬两栖机器人，飞爬两栖机器人具有飞行、爬行和栖息三种状态，并能够实现三种状态下的切换，如中国专利“一种飞行和爬壁两栖机器人及其控制方法(公开号CN103192987B)”、中国专利“一种能飞行的爬墙机器人(公开号CN107539054A)”。目前主要采用人工远程遥控的方式对桥梁进行检测，存在操作难度高、效率低、容易漏检的缺点。另外，桥梁结构存在如梯形、弧形等异形区域，并非完全的平整区域。如果无人机完全按照二维平面上规划出的巡航路径，容易与桥梁表面发生碰撞、无法顺利驻停，甚至坠机等安全事故，导致桥梁检测无法正常进行。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明提供一种用于桥梁检测的三维巡航方法，解决现有技术中检测效率低、容易漏检以及容易发生安全事故的技术问题，能够实现对桥梁的自动巡航检测，提高检测效率。
为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：一种用于桥梁检测的三维巡航方法，采用飞爬两栖机器人，所述飞爬两栖机器人包括飞行模块和爬行模块，所述爬行模块上设有吸附装置，飞爬两栖机器人的主控模块连接有GPS定位模块，所述飞爬两栖机器人搭载有桥梁检测装置，包括以下步骤：
步骤1：在空间3维坐标系中建立桥梁三维模型；
步骤2：在桥梁三维模型中指定待检测区域，并根据待检测区域的几何形状、检测要求和桥梁检测装置的检测范围，在待检测区域上规划出对应的检测点，检测点即为飞爬两栖机器人的驻停点；
步骤3：在空间3维坐标系中选择起点，并从起点开始依次连接相邻的检测点，从而得到覆盖全部检测点的巡航路径；
步骤4：将空间3维坐标系中的巡航路径变换到地球坐标系中，并在地球坐标系中的巡航路径上挑选若干路径点坐标，形成路径点坐标集合；其中，路径点包含全部检测点，并且对作为检测点的路径点进行驻停标识；相邻路径点坐标的距离大于GPS定位模块的精度并小于或等于相邻检测点的距离；
步骤5：遍历巡航路径，依次解算飞爬两栖机器人从上一路径点到达下一相邻路径点所需的运动姿态，从而获得巡航姿态集合；所述运动姿态包括运动角度、运动距离以及运动模式，其中运动模式包括飞行模式与爬行模式；
步骤6：建立路径点坐标集合与巡航姿态集合的对应关系，并输入给飞爬两栖机器人；然后，将飞爬两栖机器人放置到起点位置，飞爬两栖机器人启动GPS定位模块的定位功能；
步骤7：飞爬两栖机器人实时获取在地球坐标系中当前位置的当前定位坐标，并遍历路径点坐标集合，判断当前定位坐标是否属于路径点坐标集合；
若当前定位坐标属于路径点坐标集合，表明飞爬两栖机器人到达了路径点上，进入步骤9：
若当前定位坐标不属于路径点坐标集合，则进入步骤8；
步骤8：飞爬两栖机器人继续保持当前运动姿态，并回到步骤7；
步骤9：继续判断当前路径点是否为检测点；若否，飞爬两栖机器人采用对应的运动姿态进行运动，以从当前路径点到达下一相邻路径点；若是，则飞爬两栖机器人进行驻停，并启动桥梁检测装置按照检测要求进行检测，当前检测点上检测完毕后，进入步骤10；
步骤10：对当前检测点标注已驻停完成的记录，并判断是否所有检测点都已驻停，若否，回到步骤7；若是，则表明三维自动巡航检测已经完成。
优选的，飞爬两栖机器人的主控模块上还连接有遥控指令接收模块与无线通信模块；还包括地面控制台，所述地面控制台包括用于发送遥控指令的遥控器以及能够与飞爬两栖机器人进行无线通信的计算机；所述计算机内配置有导航跟踪程序，所述导航跟踪程序能够将变换到地球坐标系中的巡航路径显示在桥梁三维模型上，并将飞爬两栖机器人的当前定位坐标实时显示在桥梁三维模型上；当飞爬两栖机器人的当前定位坐标偏离巡航路径时，进行遥控控制，使飞爬两栖机器人回到巡航路径上。
优选的，所述飞爬两栖机器人还设有超声波传感器，用于在飞行过程中检测飞爬两栖机器人与桥梁表面之间的距离，当检测到的距离超过安全距离时，爬两栖机器人自动退回到安全距离位置。
优选的，所述飞爬两栖机器人的爬行模块前端上还设有用于去除桥梁表面浮灰的清扫装置。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、用于桥梁检测的飞爬机器人能够实现3维自动巡航，3维自动巡航检测只需要用户设置检测起始位置和检测区域范围，用于桥梁检测的飞爬机器人自动进行坐标变换、3维巡航路径规划、检测点规划和运动姿态规划，实现检测区域信息采集的全覆盖，飞行精度高且操作简单。
2、能够实现自动巡航和自动检测，还能在自动巡航的基础上结合远程遥控，实时校正巡航路径，提高定位精度。
3、结合气压传感器、超声波传感器以及清扫装置，能够大大提高巡航过程的安全性。
附图说明
图1是本具体实施方式中飞爬两栖机器人的结构示意图；
图2是飞爬两栖机器的电路框图；
图3是飞爬两栖机器人在桥梁上的巡航路径示意图。
具体实施方式
下面结合附图和优选实施方式对本发明作进一步的详细说明。
一种用于桥梁检测的三维巡航方法，采用飞爬两栖机器人，如图1与图2所示所示，所述飞爬两栖机器人包括飞行模块和爬行模块2，所述爬行模块2上设有吸附装置，飞爬两栖机器人的主控模块连接有GPS定位模块，所述飞爬两栖机器人搭载有桥梁检测装置1，包括以下步骤：
步骤1：根据桥梁的设计图纸，在空间3维坐标系中建立桥梁三维模型；
步骤2：在桥梁三维模型中指定待检测区域，并根据待检测区域的几何形状、检测要求和桥梁检测装置的检测范围，在待检测区域上规划出对应的检测点，检测点即为飞爬两栖机器人的驻停点；
步骤3：在空间3维坐标系中选择起点，并从起点开始依次连接相邻的检测点，从而得到覆盖全部检测点的巡航路径；
步骤4：将空间3维坐标系中的巡航路径变换到地球坐标系中，并在地球坐标系中巡航路径上挑选若干路径点坐标，形成路径点坐标集合；其中，路径点包含全部检测点，并且对作为检测点的路径点进行驻停标识；相邻路径点坐标的距离大于GPS定位模块的精度并小于或等于相邻检测点的距离；
步骤5：遍历巡航路径，依次解算飞爬两栖机器人从上一路径点到达下一相邻路径点所需的运动姿态，从而获得巡航姿态集合；所述运动姿态包括运动角度、运动距离以及运动模式，其中运动模式包括飞行模式与爬行模式；
步骤6：建立路径点坐标集合与巡航姿态集合的对应关系，并输入给飞爬两栖机器人；然后，将飞爬两栖机器人放置到起点位置，飞爬两栖机器人启动GPS定位模块的定位功能；
步骤7：飞爬两栖机器人实时获取在地球坐标系中当前位置的当前定位坐标，并遍历路径点坐标集合，判断当前定位坐标是否属于路径点坐标集合；
若当前定位坐标属于路径点坐标集合，表明飞爬两栖机器人到达了路径点上，进入步骤8：
若当前定位坐标不属于路径点坐标集合，则进入步骤8；
步骤8：飞爬两栖机器人继续保持当前运动姿态，并回到步骤7；
步骤9：继续判断当前路径点是否为检测点；若否，飞爬两栖机器人采用对应的运动姿态进行运动，以从当前路径点到达下一相邻路径点；若是，则飞爬两栖机器人进行驻停，并启动桥梁检测装置按照检测要求进行检测，当前检测点上检测完毕后，进入步骤10；
步骤10：对当前检测点标注已驻停完成的记录，并判断是否所有检测点都已驻停，若否，回到步骤7；若是，则表明三维自动巡航检测已经完成。
步骤10中可以通过删除当前检测点的驻停标识来实现已驻停完成的记录，还可以通过增加已驻停标识来实现已驻停完成记录，通过删除驻停标识的方式不但能够避免将驻停的检测点识别为驻停点，并且能减少运算量，不必进一步通过已驻停标识来判断是否需要驻停。
如图3所示，本具体实施方式中，飞爬两栖机器人的主控模块上还连接有遥控指令接收模块与无线通信模块；还包括地面控制台3，所述地面控制台包括用于发送遥控指令的遥控器以及能够与飞爬两栖机器人进行无线通信的计算机；所述计算机内配置有导航跟踪程序，所述导航跟踪程序能够将变换到地球坐标系中的巡航路径显示在桥梁三维模型上，并将飞爬两栖机器人的当前定位坐标实时显示在桥梁三维模型上；当飞爬两栖机器人的当前定位坐标偏离巡航路径时，进行遥控控制，使飞爬两栖机器人回到巡航路径上。在自动巡航的基础上结合远程遥控，实时校正巡航路径，提高定位精度。
本具体实施方式中，所述桥梁检测装置包括用于表面损伤检测的高清摄像机和\或内部损伤检测的雷达探伤仪。这样，能够同时检测到桥梁表面损伤和内部损伤。
本具体实施方式中，当两相邻路径点之间的桥梁表面结构平整时，该两相邻路径点之间的运动模式可采用爬行模式、飞行模式或飞爬模式。当两相邻路径点之间的桥梁表面凸出或凹陷时，该两相邻路径点之间的运动模式采用飞行模式，避免在桥梁凹凸表面上爬行导致坠机。
本具体实施方式中，所述飞爬两栖机器人还设有超声波传感器，用于在飞行过程中检测飞爬两栖机器人与桥梁表面之间的距离，当检测到的距离超过安全距离时，控制飞爬两栖机器人退回到安全距离位置。提高飞行过程的安全性，避免飞爬两栖机器人与桥梁发生碰撞而损坏。
如图1所示，本具体实施方式中，所述飞爬两栖机器人的飞行模块包括飞行支架，所述飞行支架包括4根呈十字交叉形式布置的轴，每根轴上均设有一上一下的双层旋翼，上层旋翼11与下层旋翼12的桨叶形状相同，每层旋翼均通过各自的旋翼电机进行驱动，旋翼电机与主控模块的信号输出端连接。这样，上层旋翼11不能正常工作时，能够通过启动下层旋翼12来保证正常飞行。
在飞爬两栖机器人对桥梁结构进行飞行模式快速检测时，由飞行模块四个轴上的上层旋翼提供动力；若风力过大某个轴的上层旋翼达到额定转速的90％仍然无法达到飞爬两栖机器人以稳定姿态进行检测数据采集所需的动力要求时，或某个轴的上层旋翼出现故障时，启动该轴的下层旋翼。若所有轴的上下层正常旋翼均启动达到额定转速的90％仍然无法达到以稳定姿态进行检测数据采集所需的动力要求时，则自动转换为飞爬结合模式进行检测。
本具体实施方式中，爬行模块的吸附装置包括4个负压吸盘，每个负压吸盘包括离心风机、电流检测装置、离心风机驱动电路，每个负压吸盘内设置压力传感器，当一个负压吸盘内
时，若
即认为该负压吸盘出现漏气，将该吸盘标记为故障吸盘，其中r为离心风机转速，rmax为离心风机最大转速，p为离心风机内外的压力差，pmax为外部压力。
当D≥0.5时，若
即认为该离心风机故障，同样将该吸盘标记为故障吸盘，其中D为该离心风机控制信号的占空比，I为离心风机驱动电流，Imax为离心风机最大驱动电流。
飞爬两栖机器人对桥梁结构顶面或侧面进行吸附检测时，4个负压吸盘中的无故障吸盘均工作；当四个吸盘负压腔体内离心风机转速达到额定最大转速80％仍然无法提供飞爬两栖机器人所需的吸力时，启动飞行模块四个轴上的上层旋翼提供动力；若某个轴的上层旋翼达到额定转速的90％无法达到要求或上层旋翼出现故障，则开启该轴的下层旋翼。
本具体实施方式中，所述飞爬两栖机器人的爬行模块前端上还设有用于去除桥梁表面浮灰的清扫装置，通过清扫装置清扫浮灰后，能够提高爬行模块与桥梁之间的吸附力。
一种用于桥梁检测的三维巡航***，包括搭载有桥梁检测装置的飞爬两栖机器人以及能够与飞爬两栖机器人进行无线通信的地面控制台；
所述地面控制台包括计算机，所述计算机内配置有巡航路径生成程序以及巡航姿态解算程序；所述巡航路径生成程序用于根据桥梁的三维模型以及待检测区域在空间3维坐标系中生成巡航路径，并能将空间3维坐标系中的巡航路径变换到地球坐标系中；所述巡航姿态解算程序用于在地球坐标系中的巡航路径上生成若干路径点坐标，并在解算出飞爬两栖机器人从每个路径点到达其下一相邻路径点所需的运动姿态；
所述飞爬两栖机器人包括飞行模块和爬行模块，飞爬两栖机器人的主控模块连接有GPS定位模块，飞爬两栖机器人的主控模块中配置有三维自动巡航程序，飞爬两栖机器人存储有通过本具体实施方式中用于桥梁检测的三维巡航方法的步骤6中包括路径点坐标集合与巡航姿态集合的对应关系，三维自动巡航程序按照步骤7到步骤10进行执行。
采用飞爬动力融合控制方法，用于桥梁检测的飞爬机器人可以采用飞行、爬行或飞爬结合的方式运行到待检测位置并完成检测工作，在高速飞行、驻留检测、稳定行走各种要求下灵活切换，稳定性高且续航时间长，续航时间可达到60分钟，可抗风速15米/秒。飞行器的旋翼和爬行模块的吸盘都采用冗余设计，以确保***的可靠性。飞行精度高，操作简单用于桥梁检测的飞爬机器人能够实现3维自动巡航，3维自动巡航检测只需要用户设置检测起始位置和检测区域范围，用于桥梁检测的飞爬机器人自动进行坐标变换、3维巡航路径规划、检测点规划和检测姿态规划，实现检测区域信息采集的全覆盖，飞行精度高且操作简单。
Claims (8)
1.一种用于桥梁检测的三维巡航方法，采用飞爬两栖机器人，所述飞爬两栖机器人包括飞行模块和爬行模块，所述爬行模块上设有吸附装置，其特征在于：飞爬两栖机器人的主控模块连接有GPS定位模块，所述飞爬两栖机器人搭载有桥梁检测装置，包括以下步骤：
步骤1：在空间3维坐标系中建立桥梁三维模型；
步骤2：在桥梁三维模型中指定待检测区域，并根据待检测区域的几何形状、检测要求和桥梁检测装置的检测范围，在待检测区域上规划出对应的检测点，检测点即为飞爬两栖机器人的驻停点；
步骤3：在空间3维坐标系中选择起点，并从起点开始依次连接相邻的检测点，从而得到覆盖全部检测点的巡航路径；
步骤4：将空间3维坐标系中的巡航路径变换到地球坐标系中，并在地球坐标系中巡航路径上挑选若干路径点坐标，形成路径点坐标集合；其中，路径点包含全部检测点，并且对作为检测点的路径点进行驻停标识；相邻路径点坐标的距离大于GPS定位模块的精度并小于或等于相邻检测点的距离；
步骤5：遍历巡航路径，依次解算飞爬两栖机器人从每个路径点到达其下一相邻路径点所需的运动姿态，从而获得巡航姿态集合；所述运动姿态包括运动角度、运动距离以及运动模式，其中运动模式包括飞行模式与爬行模式；
步骤6：建立路径点坐标集合与巡航姿态集合的对应关系，并输入给飞爬两栖机器人；然后，将飞爬两栖机器人放置到起点位置，飞爬两栖机器人启动GPS定位模块的定位功能；
步骤7：飞爬两栖机器人实时获取在地球坐标系中当前位置的当前定位坐标，并遍历路径点坐标集合，判断当前定位坐标是否属于路径点坐标集合；
若当前定位坐标属于路径点坐标集合，表明飞爬两栖机器人到达了路径点上，进入步骤9：
若当前定位坐标不属于路径点坐标集合，则进入步骤8；
步骤8：飞爬两栖机器人继续保持当前运动姿态，并回到步骤7；
步骤9：继续判断当前路径点是否为检测点；若否，飞爬两栖机器人采用对应的运动姿态进行运动，以从当前路径点到达下一相邻路径点；若是，则飞爬两栖机器人进行驻停，并启动桥梁检测装置按照检测要求进行检测，当前检测点上检测完毕后，进入步骤10；
步骤10：对当前检测点标注已驻停完成的记录，并判断是否所有检测点都已驻停，若否，回到步骤7；若是，则表明三维自动巡航检测已经完成。
2.根据权利要求1所述的用于桥梁检测的三维巡航方法，其特征在于：步骤9中通过删除当前检测点的驻停标识来实现已驻停完成的记录。
3.根据权利要求1所述的用于桥梁检测的三维巡航方法，其特征在于：飞爬两栖机器人的主控模块上还连接有遥控指令接收模块与无线通信模块；还包括地面控制台，所述地面控制台包括用于发送遥控指令的遥控器以及能够与飞爬两栖机器人进行无线通信的计算机；所述计算机内配置有导航跟踪程序，所述导航跟踪程序能够将变换到地球坐标系中的巡航路径显示在桥梁三维模型上，并将飞爬两栖机器人的当前定位坐标实时显示在桥梁三维模型上；当飞爬两栖机器人的当前定位坐标偏离巡航路径时，进行遥控控制，使飞爬两栖机器人回到巡航路径上。
4.根据权利要求1所述的用于桥梁检测的三维巡航方法，其特征在于：所述桥梁检测装置包括用于表面损伤检测的高清摄像机和\或内部损伤检测的雷达探伤仪。
5.根据权利要求1所述的用于桥梁检测的三维巡航方法，其特征在于：当两相邻路径点之间的桥梁表面凸出或凹陷时，该两相邻路径点之间的运动模式采用飞行模式。
6.根据权利要求1所述的用于桥梁检测的三维巡航方法，其特征在于：所述飞爬两栖机器人还设有超声波传感器，用于在飞行过程中检测飞爬两栖机器人与桥梁表面之间的距离，当检测到的距离超过安全距离时，控制飞爬两栖机器人退回到安全距离位置。
7.根据权利要求1所述的用于桥梁检测的三维巡航方法，其特征在于：所述飞爬两栖机器人的飞行模块包括飞行支架，所述飞行支架包括4根呈十字交叉形式布置的轴，每根轴上均设有一上一下的双层旋翼，每层旋翼均通过各自的旋翼电机进行驱动，旋翼电机与主控模块的信号输出端连接。
8.根据权利要求1所述的用于桥梁检测的三维巡航方法，其特征在于：所述飞爬两栖机器人的爬行模块前端上还设有用于去除桥梁表面浮灰的清扫装置。
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