本发明涉及机器人协同控制技术领域，尤其涉及一种复杂环境中应用的地空巡检侦查机器人系统及操作方法。
背景技术：
无人机能够空中侦查，不受地面复杂环境的影响，在执行空中任务过程中，环境中的威胁通常较少，航迹规划比较容易实现，但是不能实现对地面复杂环境的有效巡检，特别是一些有遮挡的环境。
移动机器人适用于地面巡检，方便，但是在复杂环境下，需要规划最优路线才能到达目标点，然而复杂环境下实现快速且精确的路径规划比较困难，进一步的，若是环境中存在不可越过的障碍物时，由于移动路径受阻，移动机器人可能无法完成任务。
单一的无人机或移动机器人在执行任务时都存在不足，因此，无人机和智能移动机器人的协同控制逐渐受到关注。申请号为201710045572.5的中国发明专利申请中公开了一种无人机与无人车协作巡逻系统及方法，以及申请号为201710138500.5的中国发明专利申请中公开了一种复杂危险场景的监测方法及相应的监测系统，二者均提出了各自对于无人机和智能移动机器人的协同控制的解决方案，但是二者都是将智能车作为无人机的移动平台，智能车为主，无人机为辅，没能充分运用无人机的灵活性和机动性，尚存在较大的改进空间。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是提供一种以无人机为主，移动机器人为辅，无人机挂载移动机器人，能够根据任务环境迅速切换的一种复杂环境中应用的地空巡检侦查机器人系统及操作方法。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：
一种复杂环境中应用的地空巡检侦查机器人系统，包括用于空中侦查的无人机和用于地面巡检的移动机器人；其特征在于：所述移动机器人借助挂载机构能够与无人机同步移动或分离；所述挂载机构包括设于移动机器人上端面中部的挂载块以及竖直设于无人机下端面中部的夹持结构；所述夹持结构包括夹持块和控制组件，所述夹持块包括相对设置的两块，两块夹持块能够借助控制组件调节其间距，使之具有与挂载块相匹配的挂载间隙。
进一步的技术方案在于：两夹持块相对的夹持面呈折面结构，其与挂载块能够凹凸配合。
进一步的技术方案在于：所述夹持块的夹持面上设有橡胶层。
进一步的技术方案在于：控制组件，包括驱动器、导向杆、驱动臂以及连接臂；导向杆，竖直设于无人机下端面的中部；驱动臂，具有移动部和铰接部，所述移动部呈“八”字形结构，其顶部具有套入导向杆的移动套，所述铰接部包括分别设于移动部两自由端的两个，所述铰接部的上端与移动部相铰接，下端与夹持块的上端面外侧固定；连接臂，包括以导向杆为中心竖直对称设置的两根，所述连接臂的上端与无人机的下端面固定，连接臂的下端与铰接部的下端相铰接；驱动器，能够驱动移动套沿导向杆上、下移动，促使两夹持块以对应的连接臂下端的铰接处相对或相背转动。
进一步的技术方案在于：所述导向杆的下部具有螺纹，所述移动套与导向杆螺纹配合，所述驱动器呈电机结构设于无人机下端面的中部，其输出端与导向杆的上端连接用于驱动导向杆旋转。
进一步的技术方案在于：所述控制组件还包括接触开关和控制器，所述接触开关包括位于同一水平或竖直平面内的两个，所述接触开关水平设置，其一端固定于夹持块相对面的边缘处，所述控制器的信号输入端连接有接触开关，其控制输出端连接有驱动器。
进一步的技术方案在于：所述移动机器人前侧的中心位置具有摄像机。
进一步的技术方案在于：所述无人机呈四旋翼无人机结构。
进一步的技术方案在于：所述无人机和移动机器人均具有差分gps定位系统。
上述系统的操作方法，其特征在于：所述无人机和移动机器人的协同控制方法，包括：
(001)无人机和移动机器人的系统初始化；
(002)根据作业需要规划无人机和移动机器人的任务；
(003)根据任务内容，无人机执行空中侦查作业；
(004)实时判断无人机的任务完成情况，并实时判断无人机1在执行空中侦查任务过程中是否需要移动机器人配合执行地面巡检任务：
情况a，在无需移动机器人配合执行地面巡检任务时，若无人机任务完成，进行步骤(009)，否则进行步骤(003)；
情况b，在需要移动机器人配合执行地面巡检任务时，进行步骤(005)；
(005)无人机释放移动机器人；
(006)根据任务内容，移动机器人执行地面巡检作业；
(007)实时判断移动机器人的任务完成情况，若任务完成，进行步骤(008)，否则返回步骤(006)；
(008)无人机挂载移动机器人；
(009)任务执行完毕，无人机返航。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
该系统采用无人机和移动机器人分体设计，既可以空中侦查，又可以地面巡检，无人机和移动机器人的协同控制，将无人机的空中侦查二维作业和移动机器人的地面巡检二维作业扩展为地空巡检侦查三维作业。以无人机为主，移动机器人为辅，无人机挂载移动机器人可以实现不同任务环境的迅速切换，充分利用了无人机的灵活性和机动性，从而发挥无人机和移动机器人各自的优势，弥补各自的缺陷，适用特殊应用场合的需求，实时性更好。并且挂载机构结构简洁、控制容易，且承载能力强。
附图说明
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。
图1是本发明的结构示意图；
图2是图1中的局部示意图；
图3是本发明所述夹持结构的结构示意图；
图4是本发明所述无人机的结构示意图；
图5是本发明的无人机和移动机器人的协同控制方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的仅仅实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
如图1和图2所示，一种复杂环境中应用的地空巡检侦查机器人系统，包括用于空中侦查的无人机1和用于地面巡检的移动机器人2；所述移动机器人2借助挂载机构3能够与无人机1同步移动或分离；所述挂载机构3包括设于移动机器人2上端面中部的挂载块31以及竖直设于无人机1下端面中部的夹持结构；所述夹持结构包括夹持块321和控制组件，所述夹持块321包括相对设置的两块，两块夹持块321能够借助控制组件调节其间距，使之具有与挂载块31相匹配的挂载间隙，两夹持块321将挂载块31夹持住。
该系统采用无人机和移动机器人分体设计，既可以空中侦查，又可以地面巡检，无人机和移动机器人的协同控制，将无人机的空中侦查二维作业和移动机器人的地面巡检二维作业扩展为地空巡检侦查三维作业。以无人机为主，移动机器人为辅，无人机挂载移动机器人可以实现不同任务环境的迅速切换，充分利用了无人机的灵活性和机动性，从而发挥无人机和移动机器人各自的优势，弥补各自的缺陷，适用特殊应用场合的需求，实时性更好。并且挂载机构结构简洁、控制容易，且承载能力强。两夹持块321相对的夹持面呈折面结构，其与挂载块31能够凹凸配合。例如夹持块321的夹持面呈向内凹陷的“v”形结构，则所述挂载块31的横截面呈与夹持块321相匹配的六边形。
在夹持块321的夹持面上设有橡胶层，该橡胶层一是能够在两夹持块321收紧过程中，橡胶层与挂载块31会产生摩擦力，使得抓持更加稳定；二是橡胶层本身具有一定柔性，可以发挥一定的保护作用，防止对挂载块31造成损害。
对于控制组件的具体结构如图2和图3所示，控制组件包括驱动器322、导向杆326、驱动臂323以及连接臂324。导向杆326，竖直设于无人机1下端面的中部；驱动臂323，具有移动部3231和铰接部3232，所述移动部3231呈“八”字形结构，其顶部具有套入导向杆326的移动套，所述铰接部3232包括分别设于移动部3231两自由端的两个，所述铰接部3232的上端与移动部3231相铰接，下端与夹持块321的上端面外侧固定；连接臂324，包括以导向杆326为中心竖直对称设置的两根，所述连接臂324的上端与无人机1的下端面固定，连接臂324的下端与铰接部3232的下端相铰接；驱动器322，能够驱动移动套沿导向杆326上、下移动，促使两夹持块321以对应的连接臂324下端的铰接处相对或相背转动。
控制组件控制无人机1挂载移动机器人2时，驱动器322驱动移动套沿导向杆326向上移动，通过移动部3231的侧翼与铰接部3232的耦合作用，使得铰接部3232绕其下端的铰接轴向内转动，挂载间隙缩小，从而将挂载块31夹持牢固，实现移动机器人2与无人机1在空中的同步移动。而当移动机器人2与无人机1分离需要在陆地进行侦查作业时，驱动器322驱动移动套沿导向杆326向下移动，通过移动部3231的侧翼与铰接部3232的耦合作用，使得铰接部3232绕其下端的铰接轴向外转动，挂载间隙变大，当间距足够大时即可实现对挂载块31的释放，从而与挂载块31分离，实现移动机器人2在陆地上的自由侦查行走。
对于驱动器322的驱动形式可以采用齿轮齿条配合和卷扬驱动等形式，其中采用螺杆驱动的形式较为简单，且稳定性强，具体的导向杆326的下部具有螺纹，所述移动套与导向杆326螺纹配合，所述驱动器322呈电机结构设于无人机1下端面的中部，其输出端通过联轴器与导向杆326的上端连接用于驱动导向杆326旋转。通过电机的正转和反转，从而实现移动套的上升和下降。
为了在挂载移动机器人2时，无人机1能够精准的定位，使挂载块31进入挂载间隙内，夹持块321能够自动夹紧挂载块31，所以控制组件还包括接触开关325和控制器，所述接触开关325包括位于同一水平或竖直平面内的两个，所述接触开关325水平设置，其一端固定于夹持块321相对面的边缘处，所述控制器的信号输入端连接有接触开关325，其控制输出端连接有驱动器322。当挂载块31进入抓持区域(挂载间隙)且触碰到接触开关325后，接触开关325将该信号传输给控制器，控制器控制驱动器322工作，使移动套沿导向杆326向上移动。当接触开关325位于挂载间隙上方的水平面内时，无人机1由上方降落在移动机器人2上，直至接触开关325与挂载块31接触后停止下降。而当触开关325位于挂载间隙前(或后)方向的竖直平面内时，无人机1由后(或前)方移至移动机器人2，直至接触开关325与挂载块31接触后停止移动。
移动机器人2为四轮独立驱动的轮式移动机器人，包括机器人主体22、支撑立柱23、车轮24以及用于驱动车轮24旋转的电机25，机器人主体22内部包含移动机器人的控制系统和gps定位模块。移动机器人2的车轮24采用全向轮，使得该移动机器人2具有更好的灵活性和机动性。
并且，在移动机器人2前侧的中心位置具有摄像机21，摄像机21为双目摄像机，并采用内缩式安装。摄像机21除了能够识别挂载入口，还具有两方面的功能，一方面可以实现对作业区域的环境检测，另一方面可以实现对目标物体的跟踪。
如图4所示，无人机1呈四旋翼无人机结构，包括机体平台11、飞行控制器12、机载gps13、机臂14、电机及螺旋桨15、电池盒16、起落支架17，其中无人机1的主体采用碳纤维材质制作，重量轻，强度大，体现了无人机1的轻量化设计理念。
无人机1和移动机器人2均具有差分gps定位系统，具有高精度定位功能。其中，无人机1的机载gps13采用外置天线，移动机器人2的内置gps采用内置天线。
如图5所示，无人机1和移动机器人2的协同控制方法，包括：
(001)无人机1和移动机器人2的系统初始化；
(002)根据作业需要规划无人机1和移动机器人2的任务；
(003)根据任务内容，无人机1执行空中侦查作业；
(004)实时判断无人机1的任务完成情况，并实时判断无人机1在执行空中侦查任务过程中是否需要移动机器人2配合执行地面巡检任务：
情况a，在无需移动机器人2配合执行地面巡检任务时，若无人机1任务完成，进行步骤(009)，否则进行步骤(003)；
情况b，在需要移动机器人2配合执行地面巡检任务时，进行步骤(005)；
(005)无人机1释放移动机器人2；
(006)根据任务内容，移动机器人2执行地面巡检作业；
(007)实时判断移动机器人2的任务完成情况，若任务完成，进行步骤(008)，否则返回步骤(006)；
(008)无人机1挂载移动机器人2；
(009)任务执行完毕，无人机1返航。
以上仅是本发明的较佳实施例，任何人根据本发明的内容对本发明作出的些许的简单修改、变形及等同替换均落入本发明的保护范围。