一种智能无人机巡检装置及巡检方法

1.本发明属于高压输电无人机巡检技术领域，特别涉及一种智能无人机巡检装置及巡检方法。


背景技术：

2.无人机巡检技术主要是指工作人员通过对无人机进行远程操作，利用无人机中的传感设备来高效、高质地完成对电力工程中架空输电线路的自动巡检工作。与传统的人工巡检方式相比，该技术可以将巡检效率提升八至十倍，且具有成本低廉、安全高效、操作简单、机动灵活、视野良好、无须线路改造等应用优势。
3.但是，在相关巡检技术方案中，尤其是无人机巡检装置的智能化与多功能化方面，目前虽然取得了一定的进展，但是无人机功能较为单一，只能依靠摄像头进行普通的观察，对于突发故障的处理的功能仍然处于空白状态，排故工作依旧交给人工处理，这不仅影响排故的及时性，极容易增大安全隐患，扩大故障范围，而且增大了人工的工作量与检修成本，降低了输电线路的巡检效率；因此，需要设计一种智能无人机巡检装置及巡检方法来解决上述问题。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题是提供一种智能无人机巡检装置及巡检方法，该装置解决了现有技术功能单一，不能对突发故障进行处理，需要人工排故，不仅影响排故的及时性，极容易增大安全隐患，扩大故障范围，而且增大了人工的工作量与检修成本，降低了输电线路的巡检效率的问题，具有可在高空进行故障排查与处理，无需等待人工排故的特点。
5.为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种智能无人机巡检装置，包括无人机本体；无人机本体顶部连接有摄像头模块，底部连接有火焰喷射器模块；无人机本体旋翼下方通过连接有支撑控制杆，支撑控制杆端部连接有万向操作杆模块以及机械臂模块；火焰喷射器模块包括端部的喷枪散热器和针孔摄像头，火焰喷射器模块尾端连接有底盘和圆柱形转动控制器，底盘尾端连接有导气管和储气缸；机械臂模块包括第一后臂关节和第一前臂关节，机械臂模块端部连接有旋转操作装置和夹爪，机械臂模块端部尾端连接有第一减震装置。
6.优选地，机械臂模块为套筒关节结构，套筒关节结构通过气缸进行伸缩；夹爪后端为刚性结构，前端为柔性结构。
7.进一步地，其具体结构为套筒式关节结构，其关节既可以在伺服电机的操纵下做三百六十度的高自由度旋转；同时也可以对前臂进行伸缩处理，关节内部有压力传送装置，通过夹紧前臂，向后收缩，由于后臂为高强度中空结构，前臂在关节传送装置的作用下，缩回至后臂的中空部位；其驱动方式为电气驱动式，由无人机主电源直接供电，采用直流供电的模式，其中，可以通过调节电源电压的方式控制伺服电机的转速，电压越小转速越低，电压为零时，停止转动，此时机械臂将停止工作，处于承重状态，变成无人机站架。因为电源方
便，信号流传播迅速，所以响应速度较快，驱动力较大，信号检测、传动、处理方便，并可采用多种灵活的控制方案。在夹爪方面，夹爪的后端为刚性部分，用于承受被夹物体的重力，前端为柔性部分，便于控制夹持力度，能够保证尽量不损坏轻小薄弱的被夹物体，达到力度与定位的精准性。
8.进一步地，配有智能算法的高清摄像头，通过红外与超声波的综合探测，能精准定位故障目标；通过智能算法程序，对目标进行立体化呈现，并将图形传输至控制端，同时该智能算法能进行简单的故障排除分析，综合评估故障状况，并预测未来故障走势，同时提出相关建议，供操作员参考。
9.优选地，火焰喷射器模块为伸缩式转动单管结构；底盘与无人机本体底部连接；圆柱形转动装置与底盘下部连接。
10.进一步地，火焰喷射器模块主要通过高温长距喷枪有效清除输电线路的高空悬挂的有机异物，如风筝，布料，动物尸体；其具有喷射速度快，消耗燃料少，喷射精度高的特点；具体结构为可伸缩式转动单管结构，其中底盘位于无人机机身底部，用于固定喷火装置；底盘下方为一个圆柱形转动装置，其上部连接底盘，可进行360度旋转操作，但由于无人机自身结构的限制，只能在前方一百二十度范围内旋转，可对目标物进行横向扫射；其下部连接高温喷枪枪身，设有上下旋转装置，可上下旋转五度，对目标物进行纵向清理操作；高温喷枪枪身直接连接喷枪枪管，枪身前方有伸缩装置，可调节枪管自身的长度，以适应不同距离的目标；在枪管的最前端装有散热器，在散热器的上方装有针孔摄像头，用于精准定位喷火的目标点。
11.优选地，万向操作杆模块包括套筒式关节结构，套筒式关节结构通过第二前臂关节以及第二后臂关节连接；杆状结构前端连接有圆柱工作台，杆状结构后端连接有第二减震装置。
12.优选地，圆柱工作台与万向操作杆模块前端转动连接，通过电机驱动旋转；圆柱工作台表面连接有多种转动回收操作工具。
13.进一步地，万向操作杆模块主要能对输电线路中存在的复杂故障进行排故；其配备有功能强大的工具箱，可进行多项复杂操作；同时万向杆为该排故提供强大的机动灵活性，并在5g传输技术的加持下，做到零延时，高精度，高效率排故；其具体结构为套筒式关节结构，其关节既可以在伺服电机的操纵下做三百六十度的高自由度旋转；同时也可以对前臂进行伸缩处理，关节内部有压力传送装置，通过夹紧前臂，向后收缩，由于后臂为高强度中空结构，前臂在关节传送装置的作用下，缩回至后臂的中空部位；其驱动方式为电气驱动式，由无人机主电源直接供电 ，采用直流供电的模式，其中，可以通过调节电源电压的方式控制伺服电机的转速，电压越小转速越低，电压为零时，停止转动，此时机械臂将停止工作，处于承重状态；与机械臂不同的是，操作杆前端的圆柱形工作台可通过前臂的私服电机进行三百六十度旋转操作，确保工作台的工具被精准定位至排故点。
14.优选地，操作工具包括电工钳、小型活动扳手、平口螺丝刀、十字螺丝刀、电笔和电动镊子。
15.优选地，上述一种智能无人机巡检装置的巡检方法，包括以下步骤：s1，摄像头模块通过红外与超声波的综合探测，精准定位故障目标；通过智能算法程序，对目标进行立体化呈现，并将图形传输至控制端，同时该智能算法能进行简单的故障
排除分析，综合评估故障状况，并预测未来故障走势，同时提出相关建议，供操作员参考；摄像头模块采用深度图像tof三维立体成像法，通过运用tof高清相机中的下的脉冲发射器给目标连续发送光脉冲，然后用传感器接收从物体返回的光，通过探测光脉冲的飞行时间来得到目标物距离；s2，通过机械臂模块近距离抓取输电线路中所存在的异物，并将其置于安全区域，伸展时进行抓取与修理工作，缩回时充当无人机站架；通过圆柱形转动控制器转动火焰喷射器模块，对不同距离和角度的高空悬挂异物进行喷射焚烧；s3，通过万向操作杆模块对输电线路中存在的复杂故障进行排故；电工钳，用于清理铁塔传感器上的断裂裸露线头；小型活动扳手用于固定铁塔装置的螺帽；平口螺丝刀用于装卸传感器设备；十字螺丝刀用于装卸传感器设备；电笔通过连接无人机内的微型传感器，可获取直观的电流电压信息；电动镊子用于夹取微型目标物。
16.本发明的有益效果为：本装置通过加装智能高清摄像头、智能机械臂、智能长距喷火器、多功能万向操作杆，对无人机所具备的功能进行质的提升，使得无人机在电力巡检上发挥更大的优势，增强无人机的可靠性，挖掘无人机的装备潜能，充分体现了无人机的功能多样化、集成化、智能化的发展趋势；该无人机采用可变形式的设计理念，目的在于增加其部分部件的功能，使整个装置能适应不同的复杂巡检环境，执行更多艰巨的巡检任务，使其装备潜能达到最大化。同时，该装置也采用模块化设计，将无人机的平台和机载设备进行整体设计，使无人机不满足于单一巡检功能，将装备载荷模块化组合，可以达到同一平台无人机与具体的巡检要求相适应的效果，从而大大提高巡检效率。
附图说明
17.图1为本发明的结构示意图；图2为本发明的顶视示意图；图3为本发明的底视示意图；图4为本发明的侧视示意图；图5为本发明的主视示意图；图6为本发明中机械臂模块的示意图；图7为本发明中火焰喷射器模块的示意图；图8为本发明中万向操作杆模块的示意图；图9为本发明中圆柱工作台的示意图；图中附图标记为：万向操作杆模块1，圆柱工作台11，第二前臂关节12，第二后臂关节13，第二减震装置14，支撑控制杆2，电工钳21，小型活动扳手22，平口螺丝刀23，十字螺丝刀24，电笔25，电动镊子26，摄像头模块3，火焰喷射器模块4，喷枪散热器41，针孔摄像头42，底盘43，转动控制器44，导气管45，储气缸46，机械臂模块5，第一后臂关节51，第一前臂关节52，旋转操作装置53，夹爪54，第一减震装置55，无人机本体6。
具体实施方式
18.如图1~图9中，一种智能无人机巡检装置，包括无人机本体；无人机本体顶部连接
有摄像头模块，底部连接有火焰喷射器模块；无人机本体旋翼下方通过连接有支撑控制杆，支撑控制杆端部连接有万向操作杆模块以及机械臂模块；火焰喷射器模块包括端部的喷枪散热器和针孔摄像头，火焰喷射器模块尾端连接有底盘和圆柱形转动控制器，底盘尾端连接有导气管和储气缸；机械臂模块包括第一后臂关节和第一前臂关节，机械臂模块端部连接有旋转操作装置和夹爪，机械臂模块端部尾端连接有第一减震装置。
19.优选地，机械臂模块为套筒关节结构，套筒关节结构通过气缸进行伸缩；夹爪后端为刚性结构，前端为柔性结构。
20.进一步地，其具体结构为套筒式关节结构，其关节既可以在伺服电机的操纵下做三百六十度的高自由度旋转；同时也可以对前臂进行伸缩处理，关节内部有压力传送装置，通过夹紧前臂，向后收缩，由于后臂为高强度中空结构，前臂在关节传送装置的作用下，缩回至后臂的中空部位；其驱动方式为电气驱动式，由无人机主电源直接供电，采用直流供电的模式，其中，可以通过调节电源电压的方式控制伺服电机的转速，电压越小转速越低，电压为零时，停止转动，此时机械臂将停止工作，处于承重状态，变成无人机站架。因为电源方便，信号流传播迅速，所以响应速度较快，驱动力较大，信号检测、传动、处理方便，并可采用多种灵活的控制方案。在夹爪方面，夹爪的后端为刚性部分，用于承受被夹物体的重力，前端为柔性部分，便于控制夹持力度，能够保证尽量不损坏轻小薄弱的被夹物体，达到力度与定位的精准性。
21.进一步地，配有智能算法的高清摄像头，通过红外与超声波的综合探测，能精准定位故障目标；通过智能算法程序，对目标进行立体化呈现，并将图形传输至控制端，同时该智能算法能进行简单的故障排除分析，综合评估故障状况，并预测未来故障走势，同时提出相关建议，供操作员参考。
22.优选地，火焰喷射器模块为伸缩式转动单管结构；底盘与无人机本体底部连接；圆柱形转动装置与底盘下部连接。
23.进一步地，，火焰喷射器模块主要通过高温长距喷枪有效清除输电线路的高空悬挂的有机异物，如风筝，布料，动物尸体；其具有喷射速度快，消耗燃料少，喷射精度高的特点；具体结构为可伸缩式转动单管结构，其中底盘位于无人机机身底部，用于固定喷火装置；底盘下方为一个圆柱形转动装置，其上部连接底盘，可进行360度旋转操作，但由于无人机自身结构的限制，只能在前方一百二十度范围内旋转，可对目标物进行横向扫射；其下部连接高温喷枪枪身，设有上下旋转装置，可上下旋转五度，对目标物进行纵向清理操作；高温喷枪枪身直接连接喷枪枪管，枪身前方有伸缩装置，可调节枪管自身的长度，以适应不同距离的目标；在枪管的最前端装有散热器，在散热器的上方装有针孔摄像头，用于精准定位喷火的目标点。
24.优选地，万向操作杆模块包括套筒式关节结构，套筒式关节结构通过第二前臂关节以及第二后臂关节连接；杆状结构前端连接有圆柱工作台，杆状结构后端连接有第二减震装置。
25.优选地，圆柱工作台与万向操作杆模块前端转动连接，通过电机驱动旋转；圆柱工作台表面连接有多种转动回收操作工具。
26.进一步地，万向操作杆模块主要能对输电线路中存在的复杂故障进行排故；其配备有功能强大的工具箱，可进行多项复杂操作；同时万向杆为该排故提供强大的机动灵活
性，并在5g传输技术的加持下，做到零延时，高精度，高效率排故；其具体结构为套筒式关节结构，其关节既可以在伺服电机的操纵下做三百六十度的高自由度旋转；同时也可以对前臂进行伸缩处理，关节内部有压力传送装置，通过夹紧前臂，向后收缩，由于后臂为高强度中空结构，前臂在关节传送装置的作用下，缩回至后臂的中空部位；其驱动方式为电气驱动式，由无人机主电源直接供电 ，采用直流供电的模式，其中，可以通过调节电源电压的方式控制伺服电机的转速，电压越小转速越低，电压为零时，停止转动，此时机械臂将停止工作，处于承重状态；与机械臂不同的是，操作杆前端的圆柱形工作台可通过前臂的私服电机进行三百六十度旋转操作，确保工作台的工具被精准定位至排故点。
27.优选地，操作工具包括电工钳、小型活动扳手、平口螺丝刀、十字螺丝刀、电笔和电动镊子。
28.优选地，上述一种智能无人机巡检装置的巡检方法，包括以下步骤：s1，摄像头模块通过红外与超声波的综合探测，精准定位故障目标；通过智能算法程序，对目标进行立体化呈现，并将图形传输至控制端，同时该智能算法能进行简单的故障排除分析，综合评估故障状况，并预测未来故障走势，同时提出相关建议，供操作员参考；摄像头模块采用深度图像tof三维立体成像法，通过运用tof高清相机中的下的脉冲发射器给目标连续发送光脉冲，然后用传感器接收从物体返回的光，通过探测光脉冲的飞行时间来得到目标物距离；s2，通过机械臂模块近距离抓取输电线路中所存在的异物，并将其置于安全区域，伸展时进行抓取与修理工作，缩回时充当无人机站架；通过圆柱形转动控制器转动火焰喷射器模块，对不同距离和角度的高空悬挂异物进行喷射焚烧；s3，通过万向操作杆模块对输电线路中存在的复杂故障进行排故；电工钳，用于清理铁塔传感器上的断裂裸露线头；小型活动扳手用于固定铁塔装置的螺帽；平口螺丝刀用于装卸传感器设备；十字螺丝刀用于装卸传感器设备；电笔通过连接无人机内的微型传感器，可获取直观的电流电压信息；电动镊子用于夹取微型目标物。
29.实施例2：所述机械臂模块包括delta并联装置、高自由度连接杆、视觉捕捉系统、可变形伸缩器，减震稳定装置。
30.进一步地，delta并联装置属于高速、轻载的并联机械臂，承载能力强、刚度大、自重负荷比小、动态性能好，由三个并联的伺服轴确定抓具中心的空间位置，实现对目标物体的定位。
31.进一步地，高自由度连接杆保证系统能够有足够的自由度来完成指定的任务，其在三维空间里一项任意定位和定向的操作中，有两个球形关节与一个环形关节，其中环形关节控制机械臂位置，球形关节负责对目标物进行精准定位。
32.进一步地，视觉捕捉系统主要针对动态的目标物进行抓取；该系统主要包括一台针孔摄像机，一套算法处理系统。
33.进一步地，可变形伸缩器，主要辅助机械臂进行适应飞行状态的调整，在降落于平地时可变形为平直支架，在降落于较为崎岖表面时，机械臂可进行适应性支撑。
34.进一步地，减震稳定装置，安装于机械臂的臂杆与臂端，在降落时能预判落地点，进行速度警示，同时无人机失速坠地时起到缓冲作用，减轻对设备的损伤。
35.进一步地，在本技术方案的一种可行的实施例中，所述配有智能算法的高清摄像头包括360度全方位球面高清高速摄像头，一套算法系统；所述360度全方位球面高清高速摄像头，置于无人机底部，其分辨率可达1080p（1920*1080），可在20米之外准确捕捉直径小于20厘米的5个目标物；同时对于高速移动的物体进行动态捕捉，并预测其行径轨迹；所述算法系统，主要采用粒子群与动态规划法；其将无人机摄像头的绝对坐标定义为相对坐标原点摄像头正对方向定义为x轴正方向，通过定义多个状态量与偏移量，计算目标物移动轨迹，并确定目标物始末位置，同时对飞行路线进行动态规划，确保障碍物的有效规避。
36.进一步地，高精度高强度喷火装置包括小型高自由度高温喷枪，小型储气罐，并连接高清摄像头捕捉系统，确保对目标物的精确清除；所述小型高自由度高温喷枪，采用耐高温钨钢制成，可承受2000摄氏度高温；该喷枪以伸缩式的设计，可控制火焰长度，对近、中、远不同距离的目标物进行精确燃烧，尽可能少的影响输电线路本身；对于高自由度，该喷枪设计有球形关节，外置导气管，满足喷枪前置120度可自由转动。
37.进一步地，所述小型储气罐为高强度合金所制，保证喷枪连续喷射20秒。
38.可更换工具并进行精密操作的万向杆，高自由度旋转轴，可伸缩式连杆，多功能高精度操作头，并连接高清摄像头捕捉系统，确保对目标物的精确定位，同时在操作与排故过程中进行实时动态追踪；进一步地所述高自由度旋转轴能实现万向杆在三维立体中的全方位自由旋转，用于扩大万向杆的活动范围；所述可伸缩式连杆，用于调整操作距离。
39.进一步地，多功能高精度操作头，配备有6种不同的排故工具，通过连轴进行伸缩，满足不同故障的处理需求。
40.进一步地，所述视觉捕捉算法系统采用深度图像tof三维立体成像法；其通过运用tof高清相机中的下的脉冲发射器给目标连续发送光脉冲，然后用传感器接收从物体返回的光，通过探测光脉冲的飞行（往返）时间来得到目标物距离。这种技术跟3d激光传感器原理基本类似，只不过3d激光传感器是逐点扫描，而tof相机则是同时得到整幅图像的深度信息。tof相机与普通机器视觉成像过程也有类似之处，都是由光源、光学部件、传感器、控制电路以及处理电路等几部单元组成。与同属于非侵入式三维探测、适用领域非常类似的双目测量系统相比，tof相机具有根本不同3d成像机理。双目立体测量通过左右立体像对匹配后，再经过三角测量法来进行立体探测，而tof相机是通过入、反射光探测来获取的目标距离获取。

技术特征：
1.一种智能无人机巡检装置，包括无人机本体（6）；其特征在于：无人机本体（6）顶部连接有摄像头模块（3），底部连接有火焰喷射器模块（4）；无人机本体（6）旋翼下方通过连接有支撑控制杆（2），支撑控制杆（2）端部连接有万向操作杆模块（1）以及机械臂模块（5）；火焰喷射器模块（4）包括端部的喷枪散热器（41）和针孔摄像头（42），火焰喷射器模块（4）尾端连接有底盘（43）和圆柱形转动控制器（44），底盘（43）尾端连接有导气管（45）和储气缸（46）；机械臂模块（5）包括第一后臂关节（51）和第一前臂关节（52），机械臂模块（5）端部连接有旋转操作装置（53）和夹爪（54），机械臂模块（5）端部尾端连接有第一减震装置（55）。2.根据权利要求1所述的一种智能无人机巡检装置，其特征在于：所述机械臂模块（5）为套筒关节结构，套筒关节结构通过气缸进行伸缩；夹爪（54）后端为刚性结构，前端为柔性结构。3.根据权利要求1所述的一种智能无人机巡检装置，其特征在于：所述火焰喷射器模块（4）为伸缩式转动单管结构；底盘（43）与无人机本体（6）底部连接；圆柱形转动装置与底盘（43）下部连接。4.根据权利要求3所述的一种智能无人机巡检装置，其特征在于：所述万向操作杆模块（1）包括套筒式关节结构，套筒式关节结构通过第二前臂关节（12）以及第二后臂关节（13）连接；杆状结构前端连接有圆柱工作台（11），杆状结构后端连接有第二减震装置（14）。5.根据权利要求4所述的一种智能无人机巡检装置，其特征在于：所述圆柱工作台（11）与万向操作杆模块（1）前端转动连接，通过电机驱动旋转；圆柱工作台11）表面连接有多种转动回收操作工具。6.根据权利要求5所述的一种智能无人机巡检装置，其特征在于：所述操作工具包括电工钳（21）、小型活动扳手（22）、平口螺丝刀（23）、十字螺丝刀（24）、电笔（25）和电动镊子（26）。7.根据权利要求1~6任意一项所述的一种智能无人机巡检装置的巡检方法，其特征在于：包括以下步骤：s1，摄像头模块（3）通过红外与超声波的综合探测，精准定位故障目标；通过智能算法程序，对目标进行立体化呈现，并将图形传输至控制端，同时该智能算法能进行简单的故障排除分析，综合评估故障状况，并预测未来故障走势，同时提出相关建议，供操作员参考；摄像头模块（3）采用深度图像tof三维立体成像法，通过运用tof高清相机中的下的脉冲发射器给目标连续发送光脉冲，然后用传感器接收从物体返回的光，通过探测光脉冲的飞行时间来得到目标物距离；s2，通过机械臂模块（5）近距离抓取输电线路中所存在的异物，并将其置于安全区域，伸展时进行抓取与修理工作，缩回时充当无人机站架；通过圆柱形转动控制器（44）转动火焰喷射器模块（4），对不同距离和角度的高空悬挂异物进行喷射焚烧；s3，通过万向操作杆模块（1）对输电线路中存在的复杂故障进行排故；电工钳用于清理铁塔传感器上的断裂裸露线头；小型活动扳手用于固定铁塔装置的螺帽；平口螺丝刀用于装卸传感器设备；十字螺丝刀用于装卸传感器设备；电笔通过连接无人机内的微型传感器，可获取直观的电流电压信息；电动镊子用于夹取微型目标物。

技术总结
本发明公开了一种智能无人机巡检装置及巡检方法，无人机本体顶部连接有摄像头模块，底部连接有火焰喷射器模块；无人机本体旋翼下方通过连接有支撑控制杆，支撑控制杆端部连接有万向操作杆模块以及机械臂模块；火焰喷射器模块包括端部的喷枪散热器和针孔摄像头，火焰喷射器模块尾端连接有底盘和圆柱形转动控制器，底盘尾端连接有导气管和储气缸。该装置解决了现有技术功能单一，不能对突发故障进行处理，需要人工排故，不仅影响排故的及时性，极容易增大安全隐患，扩大故障范围，而且增大了人工的工作量与检修成本，降低了输电线路的巡检效率的问题，具有可在高空进行故障排查与处理，无需等待人工排故的特点。无需等待人工排故的特点。无需等待人工排故的特点。


技术研发人员：彭高昱
受保护的技术使用者：三峡大学
技术研发日：2022.10.24
技术公布日：2023/4/28