工程结构表面缺陷无人巡检仪的制作方法

本实用新型是一种工程结构表面缺陷无人巡检仪，涉及土木工程、水利工程、航空工程等领域。

背景技术：

混凝土结构在其正常使用过程中由于温度变化、承受荷载和偶然因素等原因会产生裂缝和表面剥落等缺陷，一般认为当裂缝的宽度低于0.2mm时不会对建筑物的正常使用有较大影响，当裂缝宽度较大时则会影响建筑物的正常使用，且会大大降低建筑物的耐久性。例如梁柱表面开裂使得梁柱内部的钢筋暴露于空气中，加速内部的锈蚀。

工程上常采用的方法有预留检测通道和检测楼梯等以供检测人员定期检查或利用远距离裂缝测宽仪等仪器测量。但是对于一般结构能预留检测通道的位置少，且对于高度高和建筑位置危险的结构，人工检测的危险性大，耗时耗力，不能对结构进行全表面检测。远距离裂缝测宽仪只能测量距离在50米以内的检测表明裂缝，且距离越远精度越低，只能测量点目标，要测大面积目标几乎不可能。因此，研究实用新型一种工程结构表面缺陷无人巡检仪对提高结构表面缺陷检测精度、减少检测时间、提高检测效率、保证检测人员安全等具有重要意义。

技术实现要素：

为了提高结构表面缺陷检测精度、减少检测时间、提高检测效率、保证检测人员安全，本实用新型提供了一种工程结构表面缺陷无人巡检仪。该无人巡检仪自动化程度高，系统可靠，作业效率和测量精度高，相对于传统的检测方法作业时间大幅减少，且能满足结构全表面的检测任务。

为了解决上述技术问题，本实用新型提出以下技术方案：工程结构表面缺陷无人巡检仪，它主要包括无人机机身、测量模块和智能控制模块三个部分；所述无人机机身由机身上板、机身下板和四根动力臂组成，上板和下板之间由若干铝合金连接件和螺丝相连；动力臂的外径与机身四角的铝合金连接件内径相同，拧紧机身四角的螺丝即可锁紧四根动力臂，四根动力臂上各装有一个动力电机，动力电机上根据电机的正反转向配套装有相应的正反螺旋桨；所述机身上板上装有多个定位GPS模块，以提供定位信息；机身下板下装有避障模块以避免无人机在工作中碰撞到障碍物，所述机身上板前部上下各装有一块减震台，上减震台上装有三轴稳定云台和测量相机组，稳定云台通过内置陀螺仪感应和反馈可使测量相机组在无人巡检仪飞行过程中始终保持稳定；下减震台上装有操控摄像头，它可以实时获取无人机第一视角影像以便操作人员操作无人机进行飞行作业，所述机身上板的顶部安装有电池架，所述电池架内部安装有电池。

所述机身上板和机身下板由碳纤维板制成，保证本无人巡检仪有足够的强度和较轻的自重。

所述动力臂的臂管由碳纤维管制成，动力臂外端部由一对铝合金O形扣将电机安装板和电子调速器安装板固定在臂管上，电子调速器的电源线和信号线从臂管内部通过，电源线和信号线外部包裹有轻质柔性材料，可防止电线在臂管内部晃动。

所述动力电机选用高效盘式无刷电机，且具有良好的动平衡性；电机定子绕线采用大直径铜线，降低电机运行时产生的热量。

本无人巡检仪采用双冗余度GPS定位，无人机机身上部装有两块GPS模块，当一块GPS模块出现异常时系统可自动切换到读取另一块GPS模块的定位信息，所述GPS模块采用U-blox第八代GPS模块。

所述减震台由碳纤板和多颗减震球组成，所述减震球能够消除机身的高频振动对测量相机组和操控摄像头的影响。

所述三轴稳定云台由三颗无刷步进电机控制云台的横滚、俯仰和航向轴旋转；由高精度电子陀螺仪感应机身的摆动并反馈到云台的控制器，控制器再通过一定的算法控制三颗步进电机做出反方向的转动以抵消机身的摆动。

所述测量相机组能够根据需要搭载一台高清变焦摄像机与一台红外测量相机或两台高清变焦摄像机以组成双目摄像机；

所述操控摄像头能通过无线图像传输将无人巡检仪的第一视角视频实时传输到地面，以供地面操控人员操控。

所述收放脚架通过蜗杆电机控制脚架的收放，无人巡检仪起飞后脚架能自动收起以避免遮挡避障模块；降落时可放下脚架以保护机身。

所述测量相机组与操控摄像头的安装位可更换，测量相机组装在机身上部时可测量如桥梁底部和建筑立面的缺陷；装在机身下部时可测量如大坝坝面和屋面等的缺陷。

所述避障模块由前方、后方、左侧、右侧、左前方、右前方、左后方和右后方八对超声波测距模块和光流传感器模块以及处理控制模块、散热风扇组成，超声测距模块和光流传感器模块可实时监测无人巡检仪八个方向的障碍物，当距离障碍物一定距离时处理控制模块即控制巡检仪不再向有障碍物的一侧飞行。

本实用新型有如下有益效果：

利用本装置完成结构表面缺陷检测时，首先在电脑上的配套软件内的地图上选取需要检测的结构物，设定好检测时与巡检仪结构物的距离，并按结构物表面面积设定飞行航线；接着接通无人巡检仪的电源，待系统自检通过时通过无线数传将无人巡检仪与电脑链接，链接完成后点击起飞并自动飞行，无人巡检仪即可飞至待测结构物附近，与结构物保持既定距离；点击开始作业，无人巡检仪即可开始按既定航线扫描结构物表面，并同时传输扫描到的影像资料到电脑上；巡检仪按设定航线飞行完毕后可根据需要进行下一次任务或选择自动返航并降落到起飞点。本巡检仪智能化程度高，人为干预小，工作效率高，可大幅缩小检测时间，试验人员容易上手操作。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

图1是本实用新型的第一个视角立体图。

图2是本实用新型的第二个视角立体图。

图3是本实用新型的第三个视角立体图。

图4是本实用新型的第四个视角立体图。

图5是本实用新型避障模块立体图。

图6是本实用新型机身上、下板立体图。

图7是本实用新型减震台立体图。

图8是本实用新型电池板立体图。

图中：机身上板1、机身下板2、动力臂3、收放脚架4、动力电机5、螺旋桨6、定位GPS模块7、三轴稳定云台8、测量相机组9、操作摄像头10、电池架11、减震台12、避障模块13。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的实施方式做进一步的说明。

参见图1-8，它主要包括无人机机身、测量模块和智能控制模块三个部分。无人机机身由机身上板1、机身下板2和四根动力臂3组成，上板和下板之间由若干铝合金连接件和M3螺丝相连；动力臂3的外径与机身四角的铝合金连接件内径相同，拧紧机身四角的螺丝即可锁紧四根动力臂3。四根动力臂上各装有一颗动力电机5，电机上根据电机的正反转向配套装有相应的正反螺旋桨6。机身上板1上装有两颗定位GPS模块7，以提供定位信息；机身下板2下装有避障模块13以避免无人机在工作中碰撞到障碍物。机身上板1前部上下各装有一块减震台12，上减震台上装有三轴稳定云台8和测量相机组9，稳定云台8通过内置陀螺仪感应和反馈可使测量相机组在无人巡检仪飞行过程中始终保持稳定；下减震台上装有操控摄像头10，它可以实时获取无人机第一视角影像以便操作人员操作无人机进行飞行作业。使用时在电池架11内装入动力电池，接通电源，待各部分自检后通过无人机内飞行控制器的无线数传连接上电脑，在配套软件内设定飞行任务后无人巡检仪即可自动飞行同时采集影像资料；完成任务后无人巡检仪自动返航并降落，导出影像资料到配套软件内处理后即可得到所检测的结构表面缺陷的高分影像和详细信息等。

进一步的，所述机身上板1和机身下板2由2mm厚碳纤维板制成，以保证本无人巡检仪有足够的强度和较轻的自重。

进一步的，所述动力臂3的臂管由外径20mm内径18mm的碳纤维管制成，动力臂3外端部由一对铝合金O形扣将电机安装板和电子调速器安装板固定在臂管上，电子调速器的电源线和信号线从臂管内部通过，电源线和信号线外部包裹有轻质柔性材料，可防止电线在臂管内部晃动。

进一步的，所述动力电机5选用高效盘式无刷电机，且具有良好的动平衡性，工作时振动小、效率高；电机定子绕线采用大直径铜线，可降低电机运行时产生的热量。

进一步的，本无人巡检仪采用双冗余度GPS定位，无人机机身上部装有两块GPS模块7，当一块GPS模块出现异常时系统可自动切换到读取另一块GPS模块的定位信息，以免定位出错。GPS模块采用U-blox第八代GPS模块，搜星时间短、定位精度和稳定性高。

进一步的，所述减震台12由一块1.2mm厚碳纤板和6颗减震球组成，减震球可有效消除机身的高频振动对测量相机组9和操控摄像头10的影响。

进一步的，所述三轴稳定云台由三颗无刷步进电机控制云台的横滚、俯仰和航向轴旋转；由高精度电子陀螺仪感应机身的摆动并反馈到云台的控制器，控制器再通过一定的算法控制三颗步进电机做出反方向的转动以抵消机身的摆动。

进一步的，所述测量相机组9可根据需要搭载一台高清变焦摄像机与一台红外测量相机或两台高清变焦摄像机以组成双目摄像机等。

进一步的，所述收放脚架4通过蜗杆电机控制脚架的收放，无人巡检仪起飞后脚架能自动收起以避免遮挡避障模块；降落时可放下脚架以保护机身。存放和运输本巡检仪时也可收起以减小空间占用。

进一步的，所述操控摄像头10能通过无线图像传输将无人巡检仪的第一视角视频实时传输到地面，以供地面操控人员操控。

进一步的，所述测量相机组9与操控摄像头10的安装位可更换，测量相机组9装在机身上部时可测量如桥梁底部和建筑立面的缺陷；装在机身下部时可测量如大坝坝面和屋面等的缺陷。

进一步的，所述避障模块13由前方、后方、左侧、右侧、左前方、右前方、左后方和右后方八对超声波测距模块和光流传感器模块以及处理控制模块、散热风扇组成，超声测距模块和光流传感器模块可实时监测无人巡检仪八个方向的障碍物，当距离障碍物一定距离时处理控制模块即控制巡检仪不再向有障碍物的一侧飞行。

本实用新型装置具体工作原理和工作过程为：

首先，在电脑上的配套软件内的地图上选取需要检测的结构物，设定好检测时与巡检仪结构物的距离，并按结构物表面面积设定飞行航线；接着接通无人巡检仪的电源，待系统自检通过时通过无线数传将无人巡检仪与电脑链接，链接完成后点击起飞收起起落架并自动飞行，无人巡检仪即可飞至待测结构物附近，与结构物保持既定距离；点击开始作业，无人巡检仪即可开始按既定航线扫描结构物表面，并同时传输扫描到的影像资料到电脑上；巡检仪按设定航线飞行完毕后可根据需要进行下一次任务或选择自动返航并降落到起飞点。本巡检仪智能化程度高，人为干预小，工作效率高，可大幅缩小检测时间，试验人员容易上手操作。

结合附图对本实用新型的实施方式作了详细说明，但是本实用新型并不限于上述实施方式。技术人员均可在不违背本实用新型的创新点及操作步骤，在权利要求保护范围内，对上述实施例进行修改。本实用新型的保护范围，应如本实用新型的权利要求书覆盖。