一种基于无人机技术的越障管道检测机器人

1.本发明涉及管道检测领域。更具体地说，本发明涉及一种基于无人机技术的越障管道检测机器人。


背景技术：

2.当前的管道检测技术中，传统管道机器人的越障装置对管道的适应性差、自由度低，管道内遇障碍物(如块石、树枝等)难以翻越前行，无法适应复杂的地下管道环境。并且现有的管道检测机器人多数使用履带式，四轮固定式等传统车身，管道内有高于轮胎的障碍时无法实现翻越前进，同时若使用动力强行越障则容易损害管道内壁以及车身功能，对检测造成影响。


技术实现要素：

3.为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种基于无人机技术的越障管道检测机器人，其包括：
4.机器人车体，其内设有中空的腔室用于安装其内部电路结构；
5.多个可伸缩的起落架，其分散安装在所述机器人车体底部，每个所述起落架的底部均安装有车轮；
6.摄像头，其安装在所述机器人车体的前端，用于采集所述机器人车体前方的图像信息；
7.推进器，其位于所述机器人车体的尾部，用于推动所述机器人车体向前行走；
8.多个螺旋桨，其均安装在所述机器人车体上，通过螺旋桨电机带动所述螺旋桨旋转，从而使得所述机器人车体能够在竖直方向上进行升降。
9.另一种优选实施例中，对于所述的基于无人机技术的越障管道检测机器人，所述机器人车体的前端设有备用光源，以配合所述摄像头进行图像采集。
10.另一种优选实施例中，对于所述的基于无人机技术的越障管道检测机器人，所述机器人车体的两侧对称的设置有若干向外伸展的翼板，所述翼板上具有上下贯穿的螺旋桨槽，所述螺旋桨位于所述螺旋桨槽内，且两侧均无凸出。
11.另一种优选实施例中，对于所述的基于无人机技术的越障管道检测机器人，所述机器人车体的两侧各设有两块向外伸展的所述翼板，以使得所述机器人车体整体呈一工字型结构。
12.另一种优选实施例中，对于所述的基于无人机技术的越障管道检测机器人，所述翼板的外沿包覆有柔性防撞垫。
13.另一种优选实施例中，对于所述的基于无人机技术的越障管道检测机器人，所述机器人车体的顶部分散的设置有若干竖立的防撞保护杆。
14.另一种优选实施例中，对于所述的基于无人机技术的越障管道检测机器人，所述防撞保护杆的顶端安装有可自由旋转的无动力保护球。
15.另一种优选实施例中，对于所述的基于无人机技术的越障管道检测机器人，所述机器人车体的前端具有一凹陷的摄像头安装槽，所述摄像头位于所述摄像头安装槽内，且不凸出于所述摄像头安装槽的槽口所在平面。
16.另一种优选实施例中，对于所述的基于无人机技术的越障管道检测机器人，所述摄像头安装槽的开口由内向外呈逐渐扩大状态，以使得所述摄像头安装槽的槽壁不会阻碍所述摄像头对图像信息的采集。
17.另一种优选实施例中，对于所述的基于无人机技术的越障管道检测机器人，所述摄像头安装槽内设有摄像头清洗装置，所述摄像头清洗装置包括：
18.摄像头清洗出水孔，其位于所述摄像头安装槽的内壁上，朝向所述摄像头的安装位置；
19.喷水系统，其位于所述机器人车体的腔室中，由储水器具、挤压出水机构和输水管组成，用于向所述摄像头清洗出水孔输水；
20.摄像头清洗雨刷，其安装在所述摄像头的表面，在雨刷动力机构的带动下可在所述摄像头的表面做往返运动。
21.本发明至少包括以下有益效果：
22.1、本发明将无人机技术应用到管道检测机器人上，正常情况下，机器人车体在尾部推进器的推动下，靠其下方起落架底部的车轮正常行走，由机器人车体前端的摄像头采集其前方的图像信息，从而使工作人员获知管道内部状况，达到检测目的，当遇到难以翻越的障碍物时，通过螺旋桨电机带动螺旋桨旋转，使机器人车体获得升力向上飞行而能够轻松越过障碍物，越障之后降低螺旋转速使得机器人车体缓慢降落，之后可通过车轮前行继续管道检测工作。故此本发明提供的管道检测机器人能够适应复杂管道环境，从而进行稳定安全高效的管道检测。
23.2、本发明在管道检测机器人的顶部设有防撞杆，同时在翼板的外沿包覆有柔性防撞垫，从而保证机器人车体在向上飞行的过程中，不容易因为碰撞而造成管道内壁或车身的损伤。
24.3、本发明在管道检测机器人的摄像头部位设置有摄像头清洗装置，通过摄像头清洗出水孔喷水以及摄像头清洗雨刷可对摄像头表面进行清洗，避免因为摄像头被杂物遮挡或粘污而难以顺利的获得图像信息，影响管道检测的顺利进行。
25.本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
26.图1为本发明中管道检测机器人的立体结构示意图。
27.图2为本发明中管道检测机器人的主视图。
28.图3本本发明中防撞保护杆采用a方案时撞击前后示意图。
29.图4为本发明中防撞保护杆采用b方案时撞击前后示意图。
30.图5为本发明中防撞保护杆采用c方案时撞击前后示意图。
31.图6为本发明中摄像头清洗装置的工作电路示意图。
32.图7为本发明中起落架和车轮的结构示意图。
具体实施方式
33.下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
34.以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变形。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。
35.本领域技术人员应理解的是，在本发明的揭露中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，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，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。
36.可以理解的是，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个，术语“一”不能理解为对数量的限制。
37.如图1所示，本发明提供了一种基于无人机技术的越障管道检测机器人，由机器人车体1、起落架2、推进器、摄像头3和螺旋桨4几个部分组成，其中，机器人车体1的内部具有中空的腔室，用以安装其内部电路结构；起落架2设有多个，其分散的布设在机器人车体1的底部，在起落架2底部安装有车轮5，机器人车体1在管道内正常行进时，靠的是起落架2和其底部的车轮5向前行走；推进器安装在机器人车体1的尾部，其为机器人车体1向前运动提供动力，可采用螺旋叶片式或喷气式等较为成熟的推进器结构；摄像头3安装在机器人车体1的前端，机器人车体1在管道内前进的同时，通过摄像头3实时获取管道内部的图像信息，工作人员通过观看图像信息可以知道管道内部状况，从而达到管道检测的目的；螺旋桨4安装在机器人车体1上，通过螺旋桨电机驱动螺旋桨4旋转，从而带动机器人车体1能够在竖直方向上向上爬升，当遇到较大的障碍物，车轮5难以越障时，螺旋桨4开始工作，带动机器人车体1飞行越障。
38.起落架2采用可伸缩结构，遇较大障碍物需要飞行越障时，机器人车体1向上爬升的同时，起落架2向内收缩，避免起落架挂2到障碍物而致使机器人车体1失衡，越过障碍物之后，机器人车体1向下降落的同时起落架2向外伸展，使机器人车体1平稳的降落在管道底部。
39.为了与机器人车体配合工作，在工作人员手中还具有一操作端，操作端通过无线信号与机器人车体内部电路结构中的电子器件相连接，从而使得工作人员通过操作端可以对推进器和螺旋桨电机的工作电路进行控制，且摄像头3采集的图像信息可实时传输至操作端的显示屏上。
40.某些情况下，机器人车体1在管道内检测的过程中，可能会出现故障而滞留，这时机器人车体1的回收是一个比较困难的事情，可能需要人工进入管道进行回收，费时费力还有一定的安全隐患。为了解决这一问题，在机器人车体1的尾部还安装有回收线，回收线另一端连接至操作端，通过回收线不仅可以实现操作端与机器人车体之间作为备用的有线连接，而且在机器人车体1出现故障滞留的情况下，还可以通过回收线对机器人车体进行回
收。
41.目前的城市建设中，管道多是埋设在地下，因此管道内部光线条件大多不太好，导致摄像头拍摄的图像可能会不太清晰，针对这种问题，在本发明的另一种实施例中，提供了进一步改进的技术方案，如图1所示，在机器人车体1的前端设有备用光源6，备用光源6可以是探照灯或其他照明设备，在管道内部环境较为昏暗，摄像头3难以获得清晰的图像信息的情况下，可打开备用光源6照亮机器人车体1前方，使摄像头3能够获得清晰的图像信息。
42.为了改善机器人车体飞行越障时升降过程的平稳性，在本发明的另一种实施例中，提供了进一步优化的技术方案，如图1所示，在机器人车体1的两侧设置向外伸展的翼板7，翼板7上开设螺旋桨槽，螺旋桨4安装在螺旋桨槽内，机器人车体1两侧的翼板7对称设置，以保证两侧平衡，翼板7的存在增大了机器人车体1的横向覆盖面，在螺旋桨4转动时可以获得稳定的升力，不容易发生侧倾，从而提高了机器人车体1升降过程的稳定行，螺旋桨4完全收缩在螺旋桨槽内，在螺旋桨槽的两侧均不凸出，从而对螺旋桨4形成了较为有效的保护，避免螺旋桨旋转时触碰到障碍物而损毁。
43.在本发明的另一种实施例中，作为对机器人车体的车身结构的优化，给出了其具体造型，如图1所示，即在机器人车体1的两侧各设有两块向外伸展的翼板7，使得机器人车体1整体呈一工字型结构，这种结构在机器人车体1的车身重量和翼板7覆盖面积之间较为均衡，进一步的提升了机器人车体1飞行时升降过程的稳定性。
44.由于管道内部空间有限，机器人车体在飞行越障的过程中，有时会与管道侧壁之间产生一定程度上的接触，可能会造成管道侧壁的损伤或机器人车体自身(尤其是位于两侧的翼板)的损伤，为了解决这一问题，在本发明的另一实施例中，提出了进一步改进的技术方案，如图1所示，在翼板7的外沿包覆柔性防撞垫8，在机器人车体1与管道内壁发生碰撞时，柔性防撞垫8可起到有效的缓冲作用，避免翼板7或管道侧壁损伤。柔性防撞垫8可采用硅胶或软质橡胶等材料制成。
45.在机器人车体向上爬升实现飞行越障的过程中，有时候会因为飞行高度控制不当而导致机器人车体顶部与管道顶部之间产生碰撞，容易造成机器人车顶部或管道顶壁的损伤，为了解决这一问题，在本发明的另一种实施例中，提出了一种优化的技术方案，如图1所示，在机器人车体的顶部分散的设置有若干竖立的防撞保护杆9，防撞保护杆9具体可采用如下几种结构：
46.a、如图3所示，防撞保护杆9采用弹性部件一体制成，其可拆卸的安装在机器人车体顶部，左侧为防撞保护杆9受到撞击之前的状态，当机器人车体与管道顶部发生碰撞时，防撞保护杆9受力侧弹，变为右侧所示的撞击之后的状态，在防撞保护杆9侧弹的过程中，可起到一定程度的卸力和缓冲作用，从而减小机器人车体与管道顶壁之间的直接作用力，使机器人车体和管道顶壁不易受到损伤；
47.b、如图4所示，防撞保护杆采用多节短杆91拼接而成，其可拆卸的安装在机器人车体的顶部，相邻两节短杆91之间的拼接部位的厚度小于短杆91自身厚度，左侧为防撞保护杆受到撞击之前的状态，当机器人车体与管道顶部发生碰撞时，防撞保护杆受力沿着拼接部位断去一节，变为右侧所示的撞击之后的状态，断去的一节短杆91卸去了一部分撞击的力道，从而减小了机器人车体与管道顶壁之间的直接作用力，使机器人车体和管道顶壁不易受到损伤；
48.c、如图5所示，防撞保护杆由上杆体93和下杆体92组成，下杆体92的顶部具有一球状凹槽，上杆体93的底部具有一球状体，通过球状体和球状凹槽的配合使上杆体93和下杆体92实现活动连接，球状体的外围分布有多个复位弹簧94，复位弹簧94的一段连接于下杆体92的顶部，另一端连接于上杆体93的底部，图5中左侧为防撞保护杆撞击之前的状态，在机器人车体与管道顶部发生碰撞时，上杆体93发生侧弹，变为中间所示状态，在上杆体93侧弹的过程中卸去了一部分撞击的力道，从而使机器人车体与管道顶壁之间的直接作用力减小，使机器人车体和管道顶壁不易受到损伤，撞击过后，在复位弹簧94的作用下，上杆体93可迅速回正位置，变为右侧所示状态，在这种结构中，防撞保护杆不仅能在撞击之后迅速复位，使机器人车体保持良好的平衡性，并且其不易折损，降低了材料损耗。
49.在另一种实施例中，本发明提出了一种进一步优化的技术方案，如图1所示，在防撞保护杆9的顶端安装可自由旋转的无动力保护球10，在防撞保护杆9与管道顶壁发生接触时，无动力保护球10的旋转可以起到一定程度的卸力作用，从而降低管道顶壁与防撞保护杆9之间的直接作用力，对管道顶壁起到更好的保护作用的同时，也能降低防撞保护杆9的折损率。
50.由于摄像头安装在机器人车体的前端，在管道检测的过程中，经常会出现摄像头与前方障碍物发生碰撞而造成摄像头损坏的情况，不仅造成设备使用成本的升高，还会影响管道检测工作的顺利进行，为了解决这一问题，在本实施例中，本发明提出了一种进一步改进的技术方案，如图1所示，在机器人车体的前端开设一凹陷的摄像头安装槽11，摄像头3安装在摄像头安装槽11内，且摄像头3的前端不凸出于摄像头安装槽11的槽口所在平面，采用这种设计结构，机器人车体1在与前方障碍物发生碰撞时，障碍物会优先与机器人车体1的前端车身发生碰撞，难以直接接触到摄像头3，从而对摄像头形成了一定程度的保护。
51.将摄像头安装在机器人车体前端向内凹陷的摄像头安装槽内，虽然能够对摄像头起到一定的保护作用，但是可能会造成摄像头的拍摄视野被遮挡，导致获取的图像信息不完整，针对这种情况，在本实施里中还提出了一种优化的技术方案，如图1所示，即将摄像头安装槽11的开口设计为由内向外呈逐渐扩大的状态，这样即保证了摄像头3前端不凸出于摄像头安装槽11的槽口所在平面，保护了摄像头3，同时又不会对摄像头3产生遮挡，使其能够顺利的采集图像信息。
52.地下管道内部环境复杂，管道检测机器人在持续的进行管道检测的过程中，摄像头很容易被杂物遮挡或粘污，进而会影响摄像头对管道内图像信息的采集，使管道检测不能顺利进行，为了解决这一问题，本实施例提出了进一步优化的技术方案，如图1所示，在摄像头安装槽11内设有摄像头清洗装置，摄像头清洗装置包括摄像头清洗出水孔12、喷水系统和摄像头清洗雨刷13，摄像头清洗出水孔12位于摄像头安装槽11的内壁上，朝向摄像头3的安装位置，作用是向摄像头3上喷水，喷水系统位于机器人车体1内部的腔室中，由储水器具、挤压出水机构和输水管组成，摄像头清洗雨刷13安装在摄像头的表面，在雨刷动力机构的带动下可在摄像头3的表面做往返运动。当工作人员在操作端观察到摄像头3被遮挡或污染时，即可通过操作端发送信号，接通摄像头清洗装置的工作电路，摄像头清洗装置的工作电路可采用如图6所示设计，由电源、开关、第一电磁阀14和第二电磁阀15组成，开关接通时，第一电磁阀14和第二电磁阀15分别驱动挤压出水机构(挤压出水机构可采用微型泵结构或活塞式结构)和雨刷动力机构工作，挤压出水机构将储水器具中的水压入输水管，通过
输水管将水送至摄像头清洗出水孔12，摄像头清洗出水孔12将水喷到摄像头3上，同时，摄像头清洗雨刷13在雨刷动力机构的带动下在摄像头3的表面做往返摆动，从而实现对摄像头3的清洗，除去摄像头3上遮挡或粘污的杂物，使摄像头3恢复完整的图像采集功能。
53.机器人车体在飞行越过障碍物之后需要重新降落至管道底部，降落时机器人车体具有一定的冲击力，可能会造成车身歪斜，为了解决这一问题，本实施里提供了一种优化的技术方案，如图7所示，车轮5采用蜂巢轮，在车轮5中心处设有安装板51，安装板51上具有多个安装孔52，起落架2的下端设有轮轴21，轮轴21的一端具有与安装孔52对应的安装螺杆22，通过安装孔52和安装螺杆22的配合将车轮5可拆卸的安装在起落架2底部。蜂巢轮胎是新式轮胎，其内部是同蜂巢式的镂空，使其具备较好的柔韧性，在越障功能上比其他形式轮胎更具备优势，采用如图7所示的结构完成蜂巢轮的稳固安装，还可方便的进行拆卸更换不同直径的蜂巢轮，以适应不同管道内部的环境。另外，在起落架2上设置有减震弹簧23，减震弹簧23可以减小机器人车体1在越障过程中产生的颠簸，以保障机器人在行进过程中的平稳性，还可以在机器人车体1降落到管道底部时起到有效的缓冲作用，避免车身因冲击力过大而歪斜。
54.本发明中前述的技术方案中，机器人车体在管道内行进，进行管道检测的过程中，遇到靠车轮难以翻越的障碍物时，依靠螺旋桨带动机器人车体飞行越障，若障碍物为砖石等体积大且坚硬的物体时，机器人车体只能飞行越障，而若障碍物是树枝、塑料等体积小而脆弱的物体时，本实施例还提供了另一种优化的方案，如图1所示，在机器人车体1的前端设置有破障器，破障器由切削轮16和用于带动切削轮转动的破障动力源组成，破障动力源可以是与切削轮16安装在一起的防水马达，也可以是微型防水电机等，切削轮16自机器人车体的前端凸出，以便在其转动时能够对位于机器人车体1前方的障碍物进行切割，当工作人员在操作端观察到机器人车体1前方的障碍是树枝或塑料制品等体积小且脆弱的物体时，可通过操作端发送信号启动破障动力源的工作电路，使切削轮16旋转对其前方的障碍物进行破除，以便机器人车体1能够继续前进。在本实施例中，机器人车体在遇到部分靠车轮难以翻越的障碍物时，无需进行飞行越障，只需破障前行即可，不仅可以提高管道检测的效率，降低能耗，而且可以降低管道检测过程的故障率。
55.尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。