1.本实用新型涉及水电工程行业隧洞缺陷检测领域，主要是一种用于水工隧洞检测的多旋翼无人机。
背景技术：
2.1、无人机技术
3.无人驾驶飞机简称“无人机”，英文缩写为“uav(unmanned aerial vehicle)”，是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机，除军用领域外，还广泛应用于农业、运输、工程(测量、检测)等领域。随着无人机技术的发展和无人机性能的提高，已经可以预见在工程安全运营等领域无人机将发挥极大作用。
4.水工隧洞尤其是斜井、竖井环境恶劣，长度较长且倾角较大，人员几乎无法到达，给隧洞缺陷检测工作带来极大困难。鉴于无人机的安全性和灵活性，将其搭载数据采集设备对水工隧洞进行缺陷检查成为可能。
5.目前，无人机的飞行需要gnss信号的定位和指引才能实现，而gnss信号只能在室外接收，水工隧洞属于室内空间，无法接收到gnss信号，要实现无人机在室内的自主、安全飞行，必须解决无人机的定位和飞控问题。
6.2、数据采集技术
7.1)影像数据采集通常分为静态记录的摄影及连续动态记录的摄像，前者通过物体所反射的光线使感光介质曝光，后者使用摄像机(视频拍摄设备)把光学图像信号转变为电信号，以便于存储或者传输。但在地下有限空间内无自然光源，需要采用合适的照明设备，设备选用需权衡光照强度、光照角度及重量。
8.2)机载lidar设备集成激光扫描仪、惯性测量装置等设备。其中主动传感系统(激光扫描仪)利用返回的脉冲可获取探测目标高分辨率的数字信息，惯性测量装置可对自身三轴姿态角、当前加速度、行进里程进行测量，通过积分算法对这些姿态量进行分析计算后获得飞行轨迹，进而计算得到逐个采样点的三维坐标，最后综合处理得到隧洞内壁三维点云模型。
技术实现要素：
9.本实用新型的目的是克服上述背景技术中的不足，提供一种搭载数据采集装置的水工隧洞检测自主飞行无人机，该无人机应能在无gps信号情况下实现定位与惯性导航以及隧洞内壁影像、点云数据采集，并具有结构简单、便于拆装的特点。
10.本实用新型的技术方案是：
11.搭载数据采集装置的水工隧洞检测自主飞行无人机，包括无人飞行器；其特征在于：所述无人飞行器的顶部设有上层结构，无人飞行器的中部设有中层结构，无人飞行器的底部设有下层结构；所述上层结构包括相机以及围绕相机布置的若干光源；所述中层结构包括设置在无人飞行器内部的控制器以及设置在无人飞行器各机臂上的防撞杆；所述下层
结构包括云台以及设置在云台上的气压高度计、惯性导航单元与激光传感器；所述控制器分别连接相机、光源、气压高度计、惯性导航单元、激光传感器。
12.所述无人飞行器的顶面固定安装板，相机通过相机支架固定在安装板上，光源通过光源支架固定在安装板，相机设置在安装板顶面的中心，光源均匀设置在相机周围。
13.所述防撞杆与无人飞行器机臂平行布置并且防撞杆通过连接环固定在无人飞行器机臂的底面。
14.所述气压高度计与惯性导航单元固定在云台的顶面，激光传感器固定在云台的底面。
15.所述相机为全景双镜头相机；所述光源为探照灯板；所述防撞杆为碳纤维杆。
16.本实用新型的有益效果是：
17.1、本实用新型中的各仪器设备(相机、光源、气压高度计、惯性导航单元、激光传感器)通过螺丝与无人飞行器稳固连接，具有操作简单、便于拆装的特点，适合推广应用；
18.2、本实用新型中的无人飞行器机臂上设有以防撞杆为主的机械防撞措施，在飞行过程中因发生意外情况导致无人飞行器偏离隧洞中心的情况下，可有效防止无人飞行器桨叶与洞壁发生碰撞，从而继续为无人飞行器位置姿态的调整提供动力，同时避免造成隧洞内壁损坏；
19.3、本实用新型中设有由4个探照灯板组成的光源，可根据实际需要进行角度调整，保证照明面完整覆盖无人飞行器顶部四周隧洞范围，用于飞行过程中提供覆盖范围全面且亮度充足的光源，保证影像采集装置(相机)进行有效的影像采集；
20.4、本实用新型中设有由气压高度计、惯性导航单元(imu)及激光传感器组成的数据采集装置，其中气压高度计用于获取无人飞行器飞行高度，惯性导航单元用于获取无人飞行器的飞行姿态，激光传感器用于获取隧洞三维点云信息，所采集的数据、高度及惯导信息回馈给控制器，通过程序的一系列计算，控制无人飞行器的飞行状态，使其沿隧洞轴线飞行。
附图说明
21.图1为本实用新型的立体结构示意图之一(正面)。
22.图2为本实用新型的立体结构示意图之二(反面)。
23.图3为本实用新型的主视结构示意图。
24.图4为本实用新型的俯视结构示意图。
25.图5为本实用新型的仰视结构示意图。
26.图6为本实用新型的上层结构的立体结构示意图。
27.图7为本实用新型中防撞杆的安装位置示意图。
28.图8为本实用新型的下层结构的立体结构示意图。
具体实施方式
29.以下结合说明书附图，对本实用新型作进一步说明，但本实用新型并不局限于以下实施例。
30.如图1所示，搭载数据采集装置的水工隧洞检测自主飞行无人机，包括无人飞行器
以及设置在无人飞行器上的上层结构、中层结构与下层结构。
31.所述无人飞行器为电动四旋翼无人机，可在小范围平整区域内垂直起降，同时可在隧洞任意位置悬停。
32.所述上层结构设置在无人飞行器的顶面，包括相机2以及若干光源4。所述无人飞行器的顶部固定有安装板1，相机通过相机支架11固定在安装板顶面的中心，光源通过光源支架3也固定在安装板顶面，并且光源均匀布置在相机周围。所述相机为全景双镜头相机。所述安装板为亚克力材料制成。所述光源为探照灯板。
33.所述中层结构设置在无人飞行器的中部，包括控制器6以及若干防撞杆5。所述控制器设置在无人飞行器内部，防撞杆分别与无人飞行器的各机臂固定。所述防撞杆与无人飞行器的机臂平行布置并且防撞杆固定在无人飞行器机臂的底面，防撞杆与机臂之间通过连接环12进行固定，连接环为8字形并且配有固定用的螺丝。所述防撞杆为碳纤维杆，防撞杆以无人飞行器为中心呈“十”字排列，防撞杆水平伸出机臂的长度为40-60cm，并且防撞杆的伸出部位上包裹有弹性硅胶套。
34.所述下层结构设置在无人飞行器的底部，包括云台7、气压高度计8、惯性导航单元9(imu)与激光传感器10。所述云台固定在无人飞行器底面，气压高度计与惯性导航单元固定在云台的顶面，激光传感器固定在云台的底面。
35.所述控制器分别连接相机、光源、气压高度计、惯性导航单元与激光传感器。考虑到水工隧洞内存在滴水、渗水等现象，对气压高度计、惯性导航单元、激光传感器做适当防水措施，保障系统正常运行。
36.所述安装板通过螺丝与无人飞行器固定，相机支架与光源支架通过螺丝与安装板固定，相机通过螺丝与相机支架固定，光源通过螺丝与光源支架固定。所述云台由碳纤维材料制成并通过螺丝与无人飞行器固定，气压高度计、惯性导航单元与激光传感器通过螺丝与云台固定。
37.本实用新型的工作原理是：
38.1、无人机飞行过程中，各设备实时采集隧洞内相关信息，其中全景双镜头相机记录洞内照片及视频信息，气压高度计记录无人机高度信息，惯性导航单元记录无人机姿态信息，激光传感器记录洞内激光点云信息；
39.2、控制器利用气压高度计记录的高度信息、惯性导航单元记录的姿态信息及激光传感器记录的洞壁激光点云信息，实时计算飞机所处隧洞内位置，依据当前飞机位置及状态，控制并调整无人机的升降及平移量，使之沿洞轴线飞行，实现无gps下定位与惯性导航；
40.3、全景双镜头相机用于获取隧洞的照片及视频数据，用以对缺陷情况进行定性统计分析，确定缺陷类型、位置、分布情况等。
41.本实用新型的安装方式如下：
42.1、上层结构组装；先将相机支架用螺丝固定在安装板中心，再将4个光源支架用螺丝分别固定在安装板中心的周围，然后将全景双镜头相机用螺丝与相机支架固定以及将4块探照灯板用螺丝分别与4个光源支架固定(用到16颗螺丝)，调整好探照灯板的角度，最后将安装板通过4颗螺丝固定在无人飞行器的顶面；
43.2、中层组装：将4根碳纤维防撞杆通过8个连接环及16颗螺丝固定在无人飞行器的4条机臂上；
44.3、下层组装：先将气压高度计通过4颗螺丝固定在云台顶面，再将惯性导航单元通过4颗螺丝固定在云台顶面，然后将激光传感器通过4颗螺丝固定在云台底面，最后将云台通过4颗螺丝与无人飞行器的底面固定，整个无人机的组装工作就已完成；
45.4、无人机拆卸的步骤与安装步骤相反。
46.最后，需要注意的是，以上列举的仅是本实用新型的具体实施例。显然，本实用新型不限于以上实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从本实用新型公开的内容中直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本实用新型的保护范围。