水工隧洞巡检飞艇的制作方法

1.本实用新型涉及水工隧洞巡检技术领域，具体而言，涉及一种水工隧洞巡检飞艇。


背景技术：

2.目前已建的引水隧洞，多采用圆形、马蹄形或城门洞形断面，在开挖与支护施工时较为方便。然而随着引水隧洞长年运行，水下光滑的隧洞断面在检修维护阶段的弊端逐渐显露出来，传统的巡检方式均采用放空后人工巡检，存在成本高、效率低、风险大等主要难题，部分隧洞为斜井段，人工无法进行巡检。随着近年来信息与测绘技术的发展，尤其是快速发展的人工智能技术，使得机器替人进行水工隧洞巡检成为当前巡检的有效方式。目前各隧洞运营管理单位与科研单位正全力开展机器人或飞行器在水工隧洞中的应用研究，取得了较为丰硕的研究成果与示范效益。然而水下机器人或飞行器巡检技术要求高、难度大，对复杂隧洞结构与水下恶劣环境适应性低，同时机器人在长隧洞中的定位精度不高，同时需要专业人员控制，操控复杂，在常规运营管理单位推广难度大，也不利于水工隧洞的高频次巡检。


技术实现要素：

3.本实用新型的目的包括提供一种水工隧洞巡检飞艇，其能够代替人工对水工隧洞进行巡检，操作简单，成本低。
4.本实用新型的实施例可以这样实现：
5.第一方面，本实用新型提供一种水工隧洞巡检飞艇，水工隧洞巡检飞艇包括：
6.壳体；
7.储气仓，安装在壳体内，储气仓用于存储惰性气体；
8.保护轮，可转动地安装在壳体的外侧，保护轮用于与水工隧洞的壁面滚动接触；
9.控制模块，安装在壳体内；
10.检测模块，安装在壳体的外侧、且与控制模块通信连接，检测模块用于检测水工隧洞内的缺陷信息、且将缺陷信息传输至控制模块；
11.飞行模块，安装在壳体的外侧、且与控制模块电连接，控制模块用于控制飞行模块推动水工隧洞巡检飞艇飞行。
12.在可选的实施方式中，飞行模块包括第一螺旋桨、第二螺旋桨、第三螺旋桨、第四螺旋桨和第五螺旋桨，其中，第一螺旋桨、第二螺旋桨、第三螺旋桨和第四螺旋桨用于推动水工隧洞巡检飞艇沿水平方向移动，第五螺旋桨用于推动水工隧洞巡检飞艇沿竖直方向移动。
13.在可选的实施方式中，第一螺旋桨、第二螺旋桨、第三螺旋桨和第四螺旋桨围绕第五螺旋桨间隔布置。
14.在可选的实施方式中，第一螺旋桨、第二螺旋桨、第三螺旋桨和第四螺旋桨中任意相邻两个之间的夹角为90
°
。
15.在可选的实施方式中，第一螺旋桨、第二螺旋桨、第三螺旋桨和第四螺旋桨与水工隧洞巡检飞艇的前进方向所成的夹角为45
°
。
16.在可选的实施方式中，检测模块包括：
17.补光灯，用于照亮水工隧洞内的环境；
18.拍摄相机，用于采集水工隧洞内的图像数据；
19.深度相机，用于采集水工隧洞内的三维点云图像。
20.在可选的实施方式中，水工隧洞巡检飞艇还包括：
21.激光雷达，安装在壳体的外侧、且与控制模块电连接，激光雷达用于检测水工隧洞的内部结构信息，控制模块根据内部结构信息生成水工隧洞巡检飞艇的定位数据。
22.在可选的实施方式中，水工隧洞巡检飞艇还包括：
23.吊环，安装在壳体的外侧；
24.线缆，线缆的一端连接在吊环上，线缆的另一端用于伸出水工隧洞。
25.在可选的实施方式中，惰性气体为氦气，保护轮为万向轮。
26.在可选的实施方式中，水工隧洞巡检飞艇还包括：
27.电源模块，安装在壳体内、且与检测模块、控制模块、飞行模块和激光雷达电连接。
28.本实用新型实施例提供的水工隧洞巡检飞艇的有益效果包括：
29.1.在水工隧洞巡检飞艇的储气仓中存储有惰性气体，惰性气体的密度小于空气的密度，在飞艇悬浮在洞中时，惰性气体承受的浮力能够抵消飞艇上各种设备的重力，减少飞行模块所需的功率，可以极大地节省电量的损耗；
30.2.壳体的外侧安装有可转动的保护轮，当飞艇在洞内进行巡检时，保护轮可以防止飞艇直接撞击到洞壁，而是由保护轮与洞壁接触，避免飞艇受损，特别是，避免储气仓被洞内的碎石等划破；
31.3.通过飞行模块带动飞艇在洞内移动，检测模块可以实时、全面地检测到洞内的缺陷信息，操作简单，成本低。
附图说明
32.为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
33.图1为本实用新型实施例提供的水工隧洞巡检飞艇的外形示意图；
34.图2为本实用新型实施例提供的水工隧洞巡检飞艇的组成示意图；
35.图3为飞行模块的布置示意图；
36.图4a～图4f为飞行模块向各个方法飞行的示意图；
37.图5a～图5c为载体坐标系到平移坐标系的旋转示意图。
38.图标：100
‑
水工隧洞巡检飞艇；110
‑
壳体；120
‑
保护轮；130
‑
控制模块；131
‑
微型电脑；132
‑
飞控单元；140
‑
检测模块；141
‑
补光灯；142
‑
拍摄相机；143
‑
深度相机；150
‑
飞行模块；151
‑
第一螺旋桨；152
‑
第二螺旋桨；153
‑
第三螺旋桨；154
‑
第四螺旋桨；155
‑
第五螺旋桨；160
‑
激光雷达；170
‑
吊环；180
‑
电源模块。
具体实施方式
39.为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
40.因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
41.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
42.在本实用新型的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“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，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，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实用新型的限制。
43.此外，若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
44.需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型的实施例中的特征可以相互结合。
45.请参考图1和图2，本实施例提供了一种水工隧洞巡检飞艇100，水工隧洞巡检飞艇100包括壳体110、储气仓(图中未示出)、保护轮120、控制模块130、检测模块140、飞行模块150、激光雷达160、吊环170、线缆(图中未示出)和电源模块180。
46.储气仓安装在壳体110内，储气仓用于存储惰性气体，本实施例中，惰性气体选用氦气。惰性气体的密度小于空气的密度，在飞艇悬浮在洞中时，惰性气体承受的浮力能够抵消飞艇上各种设备的重力，减少飞行模块150所需的功率，可以极大地节省电量的损耗。
47.保护轮120可转动地安装在壳体110的外侧，保护轮120用于与水工隧洞的壁面滚动接触，本实施例中，保护轮120选用万向轮。这样，当飞艇在洞内进行巡检时，保护轮120可以防止飞艇直接撞击到洞壁，而是由保护轮120与洞壁接触，避免飞艇受损，特别是，避免储气仓被洞内的碎石等划破。
48.控制模块130安装在壳体110内，具体的，控制模块130可以包括微型电脑131(nuc)和飞控单元132，其中，微型电脑131可以选用up board。飞行模块150、飞控单元132和微型电脑131依次电连接，从而实现控制飞行模块150推动水工隧洞巡检飞艇100飞行。检测模块140和激光雷达160均与微型电脑131通信连接，检测模块140用于检测水工隧洞内的缺陷信息、且将缺陷信息传输至控制模块130。
49.检测模块140包括补光灯141、拍摄相机142和深度相机143，其中，补光灯141用于照亮水工隧洞内的环境，拍摄相机142用于采集水工隧洞内的图像数据，深度相机143用于采集水工隧洞内的三维点云图像，微型电脑131通过分析图像数据和三维点云图像，可以对洞内的缺陷进行定量化的测量。这样，通过飞行模块150带动飞艇在洞内移动，检测模块140可以实时、全面地检测到洞内的缺陷信息，操作简单，成本低。
50.激光雷达160安装在壳体110的外侧、且与控制模块130电连接，激光雷达160用于检测水工隧洞的内部结构信息，控制模块130根据内部结构信息生成水工隧洞巡检飞艇100的定位数据。具体的，控制模块130通过对比激光雷达160检测到的内部结构信息与水工隧洞的结构设计图，就可以判断出水工隧洞巡检飞艇100所在洞内的位置。
51.吊环170安装在壳体110的外侧，线缆的一端连接在吊环170上，线缆的另一端用于伸出水工隧洞。这样，在水工隧洞巡检飞艇100进入洞中巡检的过程中，水工隧洞巡检飞艇100的吊环170上系一根线缆，当水工隧洞巡检飞艇100出现故障时，或者电量过低无法返航时，洞外的工作人员可以通过线缆将飞艇拉出水工隧洞。
52.电源模块180安装在壳体110内、且与检测模块140、控制模块130、飞行模块150和激光雷达160电连接。电源模块180用于对检测模块140、控制模块130、飞行模块150和激光雷达160提供电能。
53.请参阅图3，飞行模块150包括第一螺旋桨151、第二螺旋桨152、第三螺旋桨153、第四螺旋桨154和第五螺旋桨155，其中，第一螺旋桨151、第二螺旋桨152、第三螺旋桨153和第四螺旋桨154围绕第五螺旋桨155间隔布置，第一螺旋桨151、第二螺旋桨152、第三螺旋桨153和第四螺旋桨154中任意相邻两个之间的夹角为90
°
。第一螺旋桨151、第二螺旋桨152、第三螺旋桨153和第四螺旋桨154用于推动水工隧洞巡检飞艇100沿水平方向移动，第五螺旋桨155用于推动水工隧洞巡检飞艇100沿竖直方向移动。
54.优选地，第一螺旋桨151、第二螺旋桨152、第三螺旋桨153和第四螺旋桨154与水工隧洞巡检飞艇100的前进方向所成的夹角为45
°
。这里水工隧洞巡检飞艇100的前进方向为图3中箭头所示的方向。每个螺旋桨只能正转和反转，当螺旋桨正转时，螺旋桨的推力f朝外，这个推力f将沿x方向和y方向进行分解，五个螺旋桨的推力组合将构成飞艇所有的运行模式。
55.飞控单元132根据飞艇的姿态将总控制量分配给各个螺旋桨，从而推动水工隧洞巡检飞艇100沿水平方向移动、沿竖直方向移动以及旋转移动。其中，沿水平方向移动包括前进、后退、左移和右移，沿竖直方向移动包括下降和上升。
56.在图4a～图4f中，建立水工隧洞巡检飞艇100的重心导航坐标系，其中，坐标(x，y，z)表示水工隧洞巡检飞艇100的重心的坐标。
57.请参阅图4a，第一螺旋桨151和第二螺旋桨152的推力朝外(正转)，第三螺旋桨153和第四螺旋桨154的推力朝内(反转)，第五螺旋桨155不启动，水工隧洞巡检飞艇100实现前进，如箭头所示。
58.请参阅图4b，第一螺旋桨151和第二螺旋桨152的推力朝内(反转)，第三螺旋桨153和第四螺旋桨154的推力朝外(正转)，第五螺旋桨155不启动，水工隧洞巡检飞艇100实现后退，如箭头所示。
59.请参阅图4c，第一螺旋桨151和第四螺旋桨154的推力朝外(正转)，第二螺旋桨152和第三螺旋桨153的推力朝内(反转)，第五螺旋桨155不启动，水工隧洞巡检飞艇100实现左移，如箭头所示。
60.请参阅图4d，第一螺旋桨151和第四螺旋桨154的推力朝内(反转)，第二螺旋桨152和第三螺旋桨153的推力朝外(正转)，第五螺旋桨155不启动，水工隧洞巡检飞艇100实现右移，如箭头所示。
61.请参阅图4e，第一螺旋桨151至第四螺旋桨154不启动，第五螺旋桨155沿顺时针转动，水工隧洞巡检飞艇100实现下降。
62.请参阅图4f，第一螺旋桨151至第四螺旋桨154不启动，第五螺旋桨155沿逆时针转动，水工隧洞巡检飞艇100实现上升。
63.此外，还可以采用地理坐标系来表示水工隧洞巡检飞艇100的重心的坐标，例如坐标(λ，α，z)，其中，λ表示飞艇所在位置的经度，α表示飞艇所在位置的纬度，z表示飞艇所在位置的高度。
64.还可以采用姿态变量(θ，γ)描述飞艇的旋转运动，具体的，为偏航角，表示飞艇的纵轴在水平面的投影与参考航向之间的夹角，该航角的偏航范围为(
‑
180
°
，+180
°
)；θ为俯仰角，表示飞艇纵轴与水平面的夹角，规定偏离水平面向上为正方向，该航角的俯仰范围为(
‑
90
°
，+90
°
)；γ为翻滚角，表示飞艇的直立轴与铅垂面之间的夹角，从飞艇的尾部向前看，顺时针方向为正，该航角的翻滚范围为(
‑
180
°
，+180
°
)。通过以上描述可以看出，飞艇的姿态变量描述了自身坐标对平移坐标之间的相对旋转。
65.请参阅图5a～图5c，将平移坐标系按照下列顺序旋转即可与载体坐标系重合：先绕o
p
z
p
轴转动角度即绕z轴转动角度如图5a所示，再绕旋转后的o
p
z`
p
轴转动角度θ，即绕y轴转动角度θ，如图5b所示，最后绕两次旋转后的o
p
z``
p
轴转动角度γ，即绕x轴转动角度γ，如图5c所示。
66.平移坐标系到载体坐标系的坐标转换矩阵如下所示：
[0067][0068]
坐标转换矩阵的元素为飞艇姿态角φ、ψ的函数，因此矩阵又叫做姿态转移矩阵。载体坐标系到平移坐标系的坐标转换矩阵为：
[0069][0070]
由上述的坐标系的定义可知，平移坐标系(p系)规定为动坐标，导航坐标系(n系)规定为静止坐标系，并且p系可以有n系经过平移而得到。如果p系的原点在n系中的坐标为p
o
＝[o
px o
py o
pz
]
t
，则p系中的质心a(x
p
，y
p
，z
p
)在n系下的坐标计算公式为：
[0071][0072]
本实施例提供的水工隧洞巡检飞艇100的有益效果包括：
[0073]
1.在水工隧洞巡检飞艇100的储气仓中存储有惰性气体，惰性气体的密度小于空气的密度，在飞艇悬浮在洞中时，惰性气体承受的浮力能够抵消飞艇上各种设备的重力，减少飞行模块150所需的功率，可以极大地节省电量的损耗；
[0074]
2.壳体110的外侧安装有可转动的保护轮120，当飞艇在洞内进行巡检时，保护轮120可以防止飞艇直接撞击到洞壁，而是由保护轮120与洞壁接触，避免飞艇受损，特别是，
避免储气仓被洞内的碎石等划破；
[0075]
3.通过飞行模块150带动飞艇在洞内移动，检测模块140可以实时、全面地检测到洞内的缺陷信息，操作简单，成本低。
[0076]
以上，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以权利要求的保护范围为准。