一种飞机油箱自动探测装置及方法与流程

本发明涉及一种狭小空间自动探测装置及方法，具体而言，涉及一种基于视觉引导的飞机油箱内部自动探测装置其探测方法。

背景技术：

近几年来随着国家对航空工业发展的关注和支持，我国的航空制造业得到快速发展。国产大型运输机成功研发并投入批量生产，然而生产过程也暴露出许多亟待解决的问题，如大型飞机机翼油箱内部多余物的检测。为了充分利用飞机的结构空间，大型运输机一般将机翼部分封闭盒段用做燃油存储，往往在机翼下表面留有若干油箱检查口。机翼制造工作复杂而繁琐，在装配过程中有可能由于工人的疏忽将螺栓、铆钉甚至生产工具遗留在机翼油箱内部，这些多余物对飞机的飞行安全造成极大的威胁，因此有必要在机翼装配完成后对油箱进行多余物检查。机翼内部布置有桁条、翼肋、导管等结构，空间狭小且复杂，传统的检查方法依靠工人从检查口爬入油箱内部进行目视检查，工人的工作环境恶劣、操作空间小、劳动强度大且效率低下，因此亟需一种自动化探测装置来替代工人的油箱多余物检查工作。

目前，针对飞机油箱内部检测的装置及方法的研究国内外都进行了一些尝试，如中国民航大学研究了一种线驱动的连续型机器人用于飞机油箱检查，其存在着控制困难、有效负载小、柔性材料易折损等问题，无法实际应用。此类连续型机器人往往都存在着控制复杂、成本高等问题。

技术实现要素：

针对背景技术中提到的问题，本发明提出了一种飞机油箱自动探测装置及其探测方法，用以替代人工进行飞机油箱多余物检查。

为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：

一种飞机油箱自动探测装置，其中：包括移动平台、控制机构、竖直升降机构、水平伸缩机构、障碍物检测机构以及油箱内部图像数据采集机构；

移动平台作为控制机构、竖直升降机构、水平伸缩机构、障碍物检测机构以及油箱内部图像数据采集机构的搭载平台，用于实现飞机油箱自动探测装置的移动及定位；

竖直升降机构下端安装在移动平台上，能上下伸缩；

水平伸缩机构后端固定在竖直升降机构上端，能水平伸缩；

障碍物检测机构固定在水平伸缩机构的前端和竖直升降机构上端，用于检测竖直升降机构上端和水平伸缩机构前端是否有障碍物，并将检测数据传递至控制机构；

油箱内部图像数据采集机构安装在水平伸缩机构的前端，用于采集油箱内部图像数据，并将数据传递至控制机构；

控制机构安装在移动平台上，控制机构分别与移动平台、竖直升降机构、水平伸缩机构、障碍物检测机构以及油箱内部图像数据采集机构信号连接，并能接收障碍物检测机构传来的检测数据和油箱内部图像数据采集机构传来的采集油箱内部图像数据，并能分析数据，控制控制移动平台移动、竖直升降机构升降以及水平伸缩机构伸缩。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

上述的移动平台为带有激光雷达或超声波定位系统的agv平台，该agv平台可以接收控制机构的信号，并根据信号移动到指定位置。

上述的控制机构包括直流电机控制器、直流电源、下位单片机以及上位工控机，直流电机控制器、直流电源、下位单片机以及上位工控机均安装在一个控制柜中该控制柜固定在移动平台上，直流电机控制器、直流电源、下位单片机均与上位工控机信号连接，竖直升降机构、水平伸缩机构均通过直流电机驱动，实现升降和水平伸缩，直流电机控制器与竖直升降机构、水平伸缩机构的直流电机信号连接，控制直流电机正反运作，直流电源用于为各直流电机供电，下位单片机用于实现传感器数据的采集和控制信号的转换，上位工控机用于实现图像数据的分析处理和自动化探测控制。

上述的竖直升降机构由一个升降机构直流电机、一个竖直电动推杆和一个中间连接件组成，升降机构直流电机固定在移动平台上，升降机构直流电机通过滚珠丝杠结构与竖直电动推杆下端传动连接，实现将升降机构直流电机的转动转化为竖直电动推杆的直线运动，中间连接件下端与竖直电动推杆上端连接，中间连接件朝竖直电动推杆轴线向水平伸缩机构伸出方向的反方向偏置一定距离，用于减小水平伸缩机构自身重量在竖直电动推杆上产生的弯矩，中间连接件上端与水平伸缩机构的后端固定连接。

上述的水平伸缩机构由前水平电动推杆、后水平电动推杆以及连接器，前水平电动推杆、后水平电动推杆各带有一水平直流电机，水平直流电机能推动相应的水平电动推杆前后移动，前水平电动推杆通过连接器与后水平电动推杆串联，后水平电动推杆固定在中间连接件上端。

上述的障碍物检测机构包括前端障碍检测机构和上端检测机构，前端障碍检测机构包括前红外距离传感器和前摄像头，前红外距离传感器和前摄像头固定在前水平电动推杆的前端，前红外距离传感器用于感应前水平电动推杆的前端与水平电动推杆前部的障碍物之间的距离，前摄像头与用于对障碍物图像采集，上端检测机构包括上红外距离传感器和上摄像头，上红外距离传感器和上摄像头固定在前水平电动推杆的后端，上红外距离传感器用于感应前水平电动推杆的上部与障碍物之间的距离，上摄像头与用于对水平电动推杆上部的障碍物图像采集，前红外距离传感器、前摄像头、上红外距离传感器和上摄像头均与控制机构信号连接。

上述的油箱内部图像数据采集机构包括三个采集机构红外摄像头，这三个采集机构红外摄像头呈扇形分布在前水平电动推杆的前部，三个采集机构红外摄像头能将图像进行拼接以获得超过180°的视场角。

上述的油箱内部图像数据采集机构的视场角朝下。

一种飞机油箱自动探测方法，包括以下步骤：

步骤一、预先对上红外距离传感器和上摄像头进行标定，得到所识别目标检查口与飞机油箱自动探测装置之间正确的相对位置；

步骤二、预先对用于图像信息采集的三个呈扇形分布的采集机构红外摄像头进行标定，将图像进行拼接以获得超过180°的视场角；

步骤三、预先利用移动平台的激光雷达或超声波定位系统构建环境地图，并在检查口处标注工作站位，记录坐标；

步骤四、移动平台根据预先绘制的环境地图自主规划路线到达目标检查口位置附近，由上摄像头识别出检查口，控制机构根据预先标定的相对位置关系驱动移动平台进行位置微调，以实现精确定位；

步骤五、定位完成后，控制机构控制竖直升降机构开始上升，将水平伸缩机构从检查口送入油箱内部，同时上红外距离传感器实时监测水平伸缩机构与油箱顶部的距离，防止发生碰撞。当检测到距离小于安全距离时，控制机构控制竖直升降机构停止上升；

步骤六、利用前红外距离传感器和前摄像头获取油箱内部信息；

步骤七、控制机构控制水平伸缩机构开始伸出，同时位于水平伸缩机构前端的三个采集机构红外摄像头对油箱底部进行图像数据采集，前红外距离传感器和前摄像头实时进行障碍检测，保证水平伸缩机构伸出过程中水平伸缩机构前端不会碰撞油箱；

步骤八、数据采集完毕，水平伸缩机构缩回，竖直升降机构下降，移动平台自动规划路线移动至下一个任务点；

步骤九、重复步骤四至步骤八直至采集结束；

步骤十、对采集到的图像数据进行分析处理，实现对飞机油箱自动探测。

本发明基于视觉引导的飞机油箱自动探测装置及方法，探测装置体积小，空间可达性好；控制策略简单，自动化程度高；模块化设计，机构可靠性高，可维护性好，成本低。可以替代人工目视检查，实现飞机机翼油箱内部多余物自动探测，大大降低了工人的劳动强度，提高了检测效率。

附图说明

图1是根据本发明实施例的飞机油箱自动探测装置的立体结构示意图；

图2是根据本发明实施例的飞机油箱自动探测装置中的水平伸缩结构的立体结构示意图；

图3是根据本发明实施例的飞机油箱自动探测装置的基本工作流程图示意图。

附图标记为：移动平台1、控制机构2、竖直升降机构3、竖直电动推杆31、中间连接件32、水平伸缩机构4、前水平电动推杆41、后水平电动推杆42、连接器43、障碍物检测机构5、前端障碍检测机构51、上端检测机构52、油箱内部图像数据采集机构6。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。

本发明的目的是提供一种狭小空间多余物自动化探测装置，用以取代传统的人工目视检查，可以有效降低工人的劳动强度，提高检查效率及检查质量。

为清晰易懂地阐述本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1-2所示，一种飞机油箱自动探测装置，其中：包括移动平台1、控制机构2、竖直升降机构3、水平伸缩机构4、障碍物检测机构5以及油箱内部图像数据采集机构6；

移动平台1作为控制机构2、竖直升降机构3、水平伸缩机构4、障碍物检测机构5以及油箱内部图像数据采集机构6的搭载平台，用于实现飞机油箱自动探测装置的移动及定位；移动平台1为带有激光雷达或超声波定位系统的agv平台，该agv平台可以接收控制机构2的信号，并根据信号移动到指定位置。

竖直升降机构3下端安装在移动平台1上，能上下伸缩；竖直升降机构3由一个升降机构直流电机、一个竖直电动推杆31和一个中间连接件32组成，升降机构直流电机固定在移动平台1上，升降机构直流电机通过滚珠丝杠结构与竖直电动推杆31下端传动连接，实现将升降机构直流电机的转动转化为竖直电动推杆31的直线运动，最大行程可达400mm；中间连接件32下端与竖直电动推杆31上端连接，中间连接件32朝竖直电动推杆31轴线向水平伸缩机构4伸出方向的反方向偏置一定距离，用于减小水平伸缩机构自身重量在竖直电动推杆31上产生的弯矩，降低竖直电动推杆31工作过程的磨损。中间连接件32的高度可以根据实际油箱检查口离地高度的高低进行调整。中间连接件32上端与水平伸缩机构4的后端固定连接。

水平伸缩机构4后端固定在竖直升降机构3上端，能水平伸缩；用于搭载油箱内部图像数据采集机构6到达油箱深处。水平伸缩机构4由前水平电动推杆41、后水平电动推杆42以及连接器43，前水平电动推杆41、后水平电动推杆42各带有一水平直流电机，最大行程为250mm，水平直流电机能推动相应的水平电动推杆前后移动，前水平电动推杆41通过连接器43与后水平电动推杆42串联，后水平电动推杆42固定在中间连接件32上端。实现了缩回总长度400mm，伸长总长度900mm，行程与缩回长度的比值达到了1.2，而一般的单个电动推杆受限于结构特性，其行程与缩回长度的比值最高为0.8左右。由于串联电动推杆的设计，使得在机翼油箱这样狭小的空间内实现多余物的自动探测成为可能。

障碍物检测机构5固定在水平伸缩机构4的前端和竖直升降机构3上端，用于检测竖直升降机构3上端和水平伸缩机构4前端是否有障碍物，并将检测数据传递至控制机构2；障碍物检测机构5包括前端障碍检测机构51和上端检测机构52，前端障碍检测机构51包括前红外距离传感器和前摄像头，前红外距离传感器和前摄像头固定在前水平电动推杆41的前端，前红外距离传感器用于感应前水平电动推杆41的前端与水平电动推杆41前部的障碍物之间的距离，前摄像头与用于对障碍物图像采集，上端检测机构52包括上红外距离传感器和上摄像头，上红外距离传感器和上摄像头固定在前水平电动推杆41的后端，上红外距离传感器用于感应前水平电动推杆41的上部与障碍物之间的距离，上摄像头与用于对水平电动推杆41上部的障碍物图像采集，前红外距离传感器、前摄像头、上红外距离传感器和上摄像头均与控制机构2信号连接。

油箱内部图像数据采集机构6安装在水平伸缩机构4的前端，用于采集油箱内部图像数据，并将数据传递至控制机构2；油箱内部图像数据采集机构6包括三个采集机构红外摄像头，这三个采集机构红外摄像头采用工业高清红外摄像头，考虑油箱内部光线较弱，使用自带红外光源的主动式红外摄像头，在低光照环境下有较好成像表现；主动式红外摄像头呈扇形分布在前水平电动推杆41的前部，三个采集机构红外摄像头能将图像进行拼接以获得超过180°的视场角。油箱内部图像数据采集机构6的视场角朝下。考虑油箱内部多余物大概率可能存在油箱底部，因此仅对油箱底部进行多余物探测。使用图像拼接技术对所获图像进行合成，经过标定可以基本消除图像畸变，油箱内部信息直观呈现。

控制机构2安装在移动平台1上，控制机构2分别与移动平台1、竖直升降机构3、水平伸缩机构4、障碍物检测机构5以及油箱内部图像数据采集机构6信号连接，并能接收障碍物检测机构5传来的检测数据和油箱内部图像数据采集机构6传来的采集油箱内部图像数据，并能分析数据，控制控制移动平台1移动、竖直升降机构3升降以及水平伸缩机构4伸缩。控制机构2包括直流电机控制器、直流电源、下位单片机以及上位工控机，直流电机控制器、直流电源、下位单片机以及上位工控机均安装在一个控制柜中该控制柜固定在移动平台1上，直流电机控制器、直流电源、下位单片机均与上位工控机信号连接，竖直升降机构3、水平伸缩机构4均通过直流电机驱动，实现升降和水平伸缩，直流电机控制器与竖直升降机构3、水平伸缩机构4的直流电机信号连接，控制直流电机正反运作，直流电源用于为各直流电机供电，下位单片机用于实现传感器数据的采集和控制信号的转换，上位工控机用于实现图像数据的分析处理和自动化探测控制。三个电动推杆分别依靠三个12v直流电机驱动，负载状态下瞬时最大总电流不超过5a，使用一块2200mah的大倍率航模锂电池统一供电。使用继电器和三极管搭建h桥电路，实现直流电机的正反转控制，即实现了电动推杆的伸缩控制。使用一块stm32单片机作为下位机，获取顶部和前部红外测距传感器采集的数据，并通过串口通信将数据传输给作为上位机的工控机，同时工控机还获取了顶部和前视相机的图像数据，将数据融合处理后，将指令通过串口发送给单片机和移动平台，再由单片机直接控制电推杆的伸缩，由此实现了整个装置的控制。

一种飞机油箱自动探测方法，包括以下步骤：

步骤一、预先对上红外距离传感器和上摄像头进行标定，得到所识别目标检查口与飞机油箱自动探测装置之间正确的相对位置；

步骤二、预先对用于图像信息采集的三个呈扇形分布的采集机构红外摄像头进行标定，将图像进行拼接以获得超过180°的视场角；

步骤三、预先利用移动平台1的激光雷达或超声波定位系统构建环境地图，并在检查口处标注工作站位，记录坐标；

步骤四、移动平台1根据预先绘制的环境地图自主规划路线到达目标检查口位置附近，由上摄像头识别出检查口，控制机构2根据预先标定的相对位置关系驱动移动平台1进行位置微调，以实现精确定位；

步骤五、定位完成后，控制机构2控制竖直升降机构3开始上升，将水平伸缩机构4从检查口送入油箱内部，同时上红外距离传感器实时监测水平伸缩机构4与油箱顶部的距离，防止发生碰撞。当检测到距离小于安全距离时，控制机构2控制竖直升降机构3停止上升；

步骤六、利用前红外距离传感器和前摄像头获取油箱内部信息；根据预先设定程序微调装置朝向，

步骤七、控制机构2控制水平伸缩机构4开始伸出，同时位于水平伸缩机构4前端的三个采集机构红外摄像头对油箱底部进行图像数据采集，前红外距离传感器和前摄像头实时进行障碍检测，保证水平伸缩机构4伸出过程中水平伸缩机构4前端不会碰撞油箱；

步骤八、数据采集完毕，水平伸缩机构4缩回，竖直升降机构3下降，移动平台1自动规划路线移动至下一个任务点；

步骤九、重复步骤四至步骤八直至采集结束；

步骤十、对采集到的图像数据进行分析处理，实现对飞机油箱自动探测。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。