一种搭载气动机械臂的激光除障无人机及其除障方法与流程

1.本发明涉及激光除障无人机技术领域，尤其涉及一种搭载气动机械臂的激光除障无人机及其除障方法。


背景技术：

2.由于架空输电线路的应用场景，输电线路通道环境异常是其目前面临的重要问题之一，其中树障问题是重中之重。架空输电线路无论在城市还是野外都容易受到树障问题的困扰，影响输电线路安全运行，从而危及整个电力系统运作。
3.目前所常见的树障清除方式主要是人工除障方式和无人机除障方式，人工除障局限性大，人力成本高，并存在一定的安全风险，因此目前主流是使用无人机进行清除树障。
4.但在现有技术中，在除障时由于除障工具不能够在除障无人机上灵活地运动，无法满足各类除障场所的需求，从而导致除障无人机在对一些运行空间复杂的障碍物进行清除的过程中，无法精准的对障碍物进行清除，使得清除精度较差，清除效率较低。


技术实现要素：

5.基于此，有必要提供一种搭载气动机械臂的激光除障无人机，以使得激光除障工具在除障无人机上运动更加灵活，从而实现提高除障精度和清除效率的目的。
6.此外，还有必要提供一种除障方法。
7.为此，一种实施例中提供了一种搭载气动机械臂的激光除障无人机，包括：无人机本体、激光清除装置、气动机械臂和驱动装置；
8.所述驱动装置连接所述无人机本体和所述气动机械臂，此时所述气动机械臂具有远离所述无人机本体的自由端以及靠近所述无人机本体的连接端，所述激光清除装置设置在所述自由端上，所述驱动装置用于驱动所述气动机械臂进行运动；
9.所述驱动装置包括卷扬机构和气动机构，所述卷扬机构用于控制所述气动机械臂相对于所述无人机本体运动，所述气动机构用于控制所述自由端相对于所述连接端运动，从而使得所述激光清除装置随所述自由端一起运动。
10.作为本发明一种搭载气动机械臂的激光除障无人机的进一步可选方案，所述气动机械臂包括气囊和固定架，所述气囊的数量至少为两个，多个所述气囊通过所述固定架绑在一起，所述气囊的长短随所述气囊内气压的变化而变化。
11.作为本发明一种搭载气动机械臂的激光除障无人机的进一步可选方案，所述气动机构包括气泵，所述气泵连接所述气囊，所述气泵对多个所述气囊分别进行充气或抽气，从而调节所述气囊内部的压强使所述气囊的长度发生变化，进而使得所述自由端相对于所述连接端进行运动。
12.作为本发明一种搭载气动机械臂的激光除障无人机的进一步可选方案，所述气动机构还包括第一电机和伸缩绳索，所述伸缩绳索的一端连接在所述自由端上，所述伸缩绳索的另一端连接在所述第一电机上，所述第一电机用于驱动所述伸缩绳索伸长或缩短，从
而精确调节所述自由端相对于所述连接端的位置。
13.作为本发明一种搭载气动机械臂的激光除障无人机的进一步可选方案，所述伸缩绳索的数量为多个，所述伸缩绳索的数量与所述气囊的数量相同，多个所述伸缩绳索分别设置在多个所述气囊上，在所述气囊发生弯曲或伸缩时，所述伸缩绳索随所述气囊一同发生弯曲或伸缩，通过所述第一电机控制多个所述伸缩绳索的长度从而精确调节所述自由端相对于所述连接端的位置。
14.作为本发明一种搭载气动机械臂的激光除障无人机的进一步可选方案，所述卷扬机构包括第二电机，所述第二电机连接在所述无人机本体上，所述连接端与所述第二电机的输出轴连接，从而使得所述第二电机的输出轴转动时带动所述气动机械臂转动，进而实现所述气动机械臂相对于所述无人机本体运动。
15.作为本发明一种搭载气动机械臂的激光除障无人机的进一步可选方案，所述激光清除装置包括机架、激光发射口和第一摄像头，所述激光发射口和所述第一摄像头均设置在所述机架上，所述第一摄像头位于所述激光发射口的旁边，所述第一摄像头用于捕获所述激光发射口附近的影像。
16.作为本发明一种搭载气动机械臂的激光除障无人机的进一步可选方案，所述激光清除装置还包括测距雷达，所述测距雷达设置在所述机架上，所述测距雷达用于精确定位与需要清除的障碍物之间相隔的距离。
17.作为本发明一种搭载气动机械臂的激光除障无人机的进一步可选方案，所述无人机本体上设有第二摄像头，所述第二摄像头用于巡检需要清除的障碍物。
18.为此，一种实施例中提供了一种除障方法，包括使用上述搭载气动机械臂的激光除障无人机；
19.搭载气动机械臂的激光除障无人机起飞，巡检输电线路；
20.定位到需要清除的障碍物，控制搭载气动机械臂的激光除障无人机使得需要清除的障碍物在安全距离内；
21.搭载气动机械臂的激光除障无人机悬停；
22.气动机械臂和激光清除装置开始工作；
23.障碍物清除后返回。
24.实施本发明实施例，将具有如下有益效果：
25.本发明公开了一种搭载气动机械臂的激光除障无人机及其除障方法，包括：无人机本体、激光清除装置、气动机械臂和驱动装置。驱动装置包括卷扬机构和气动机构，卷扬机构用于控制气动机械臂相对于无人机本体运动，气动机构用于控制自由端相对于连接端运动，从而使得激光清除装置随自由端一起运动。通过驱动装置中的卷扬机构以及气动机构，能够使得气动机械臂实现相对于无人机本体运动以及自由端相对于连接端运动，使得位于自由端上的激光清除装置能够更加灵活的活动。与现有技术相比，本发明所公开的一种搭载气动机械臂的激光除障无人机及其除障方法能够使得激光除障工具在除障无人机上运动更加灵活，从而实现提高除障精度和清除效率的目的。
附图说明
26.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现
有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。
27.其中：
28.图1示出了根据本发明实施例所提供的一种搭载气动机械臂的激光除障无人机的结构示意图。
29.图2示出了如图1所示的一种搭载气动机械臂的激光除障无人机的剖面图。
30.图3示出了如图2所示的一种搭载气动机械臂的激光除障无人机的a区域的方法图。
31.图4示出了如图1所示的一种搭载气动机械臂的激光除障无人机的仰视图。
32.图5示出了根据本发明实施例所提供的一种除障方法的步骤流程图。
33.附图标记：
34.10-无人机本体，12-第二摄像头，14-起落架；
35.20-激光清除装置，32-机架，34-激光发射口，36-第一摄像头，38-测距雷达；
36.30-气动机械臂，32-气囊，34-固定架；
37.40-驱动装置，42-卷扬机构，421-第二电机，44-气动机构，441-气泵，445-第一电机，447-伸缩绳索，46-电源机构。
具体实施方式
38.下面将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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
39.需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各件之间的相对位置关系、运动情况等，如果所述特定姿态发生改变时，则所述方向性指示也相应地随之改变。
40.另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个所述特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
41.在本发明实施例中，请参考图1和图2，本发明公开了一种搭载气动机械臂的激光除障无人机，包括：无人机本体10、激光清除装置20、气动机械臂30和驱动装置40；
42.驱动装置40连接无人机本体10和气动机械臂30，此时气动机械臂30具有远离无人机本体10的自由端以及靠近无人机本体10的连接端，激光清除装置20设置在自由端上，驱动装置40用于驱动气动机械臂30进行运动；
43.驱动装置40包括卷扬机构42和气动机构44，卷扬机构42用于控制气动机械臂30相对于无人机本体10运动，气动机构44用于控制自由端相对于连接端运动，从而使得激光清
除装置20随自由端一起运动。
44.通过驱动装置40中的卷扬机构42以及气动机构44，能够使得气动机械臂30实现相对于无人机本体10运动以及自由端相对于连接端运动，使得位于自由端上的激光清除装置20能够更加灵活的活动。与现有技术相比，本发明所公开的一种搭载气动机械臂的激光除障无人机能够使得激光除障工具在除障无人机上运动更加灵活，从而实现提高除障精度和清除效率的目的。
45.此外，现有技术中的除障无人机在清除障碍物的过程中，由于反作用力存在，容易影响无人机飞行稳定性，导致无人机失控，有可能造成输电线路更大的安全隐患和事故。而本发明所公开的搭载气动机械臂的激光除障无人机由于使用的气动机械臂30，其充气抽气是一个持续的过程，不存在机械结构突然启动而导致发生窜动的情况，所产生的反作用力也较小，能够有效地增加除障无人机的稳定性。同时由于搭载气动机械臂的激光除障无人机所使用的清除装置为激光清除装置20，不是传统的通过机械截切清除障碍物，从而能够进一步提高除障无人机的稳定性。
46.具体的说，卷扬机构42和气动机构44分别用于控制气动机械臂30进行不同姿态的运动，卷扬机构42使得气动机械臂30整个部分相对于无人机本体10运动。而气动机构44用于控制自由端相对于连接端的运动，当只有气动机构44驱动气动机械臂30动作时，连接端相对于无人机本体10静止。通过卷扬机构42和气动机构44的设置，能够使得激光清除装置20的运动范围更广，更好地在复杂的运行场所中对障碍物进行清除，满足更多的应用场景需求。
47.在一个实施例中，请参考图1至图4，气动机械臂30包括气囊32和固定架34，气囊32的数量至少为两个，多个气囊32通过固定架34绑在一起，气囊32的长短随气囊32内气压的变化而变化。
48.需要说明的是，气囊32内的气压越高则气囊32的长度越长。
49.其中，气囊32的数量至少为两个，多个气囊32通过固定架34绑在一起，当需要实现伸长或者缩短气动机械臂30时，需要同时对多个气囊32进行加压或者减压；当需要实现气动机械臂30的弯曲时，需要对多个气囊32采取不同加压或者减压动作。
50.具体的说，以两个气囊32为例，当需要朝一侧弯曲(该侧称为弯曲侧)时，只需要满足靠近弯曲侧的气囊32中的气压比远离弯曲侧的气囊32中的气压更低，这样就能够实现朝弯曲侧弯曲的动作。这是由于靠近弯曲侧的气囊32中的气压更低从而使得伸长的距离更短，而远离弯曲侧的气囊32中的气压更高从而使得伸长的距离更长，并且由于两个气囊32是通过固定架34绑在一块的，因此气动机械臂30会朝着弯曲侧弯曲。
51.此外，可以选用在未加压时收缩，经过加压才能伸长的气囊32，这种气囊32在未加压时能够初始的收缩状态，从而使得搭载气动机械臂的激光除障无人机在未使用的过程中，这种气囊32处于收缩状态，有利于节省空间。同时，这种气囊32能够与起落架14搭配使用，起落架14设置在无人机本体10的下方，便于搭载气动机械臂的激光除障无人机的起飞以及降落，通过这种气囊32能够使得在起飞和降落时激光清除装置20的底部高于起落架14的底部，便于回收，且使得使用过程更加方便，在激光清除装置20的底部可以设置有弹性件，用于防止和保护起落过程中激光清除装置20所受到的冲击。
52.在一个具体的实施例中，气动机构44包括气泵441，气泵441连接气囊32，气泵441
对多个气囊32分别进行充气或抽气，从而调节气囊32内部的压强使气囊32的长度发生变化，进而使得自由端相对于连接端进行运动。
53.具体的说，气动机构44包括气泵441，气泵441可以选用多出口的气泵441，也可以在每个气囊32上均安装一个气泵441，当使用一个单出气口的气泵441为不同的气囊32进行加压时，可以与单向阀、锁止阀等其他阀门连接，再与气囊32连通使用。
54.需要注意的是，气泵441的选用应该以小型和轻量化作为优先考虑的条件，重量过大会影响到搭载气动机械臂的激光除障无人机的续航里程，而体积过大则会使得结构不易于布局，在该实施例中，气泵441安装在气囊32的连接端处。此外，气泵441的增压范围应该与气囊32工作时的气压范围相匹配
55.在一个具体的实施例中，气动机构44还包括第一电机445和伸缩绳索447，伸缩绳索447的一端连接在自由端上，伸缩绳索447的另一端连接在第一电机445上，第一电机445用于驱动伸缩绳索447伸长或缩短，从而精确调节自由端相对于连接端的位置。
56.其中，气动机构44还包括第一电机445和伸缩绳索447，仅仅通过气阀驱动气囊32进行运动会存在一些误差，因此需要第一电机445以及伸缩绳索447对气囊32进行精确的调节。通过判断障碍物与连接端的距离，由程序算法确定伸缩绳索447的理论距离，通过气阀调节气压，最终使得伸缩绳索447的实际距离等于理论距离，实现精确调节自由端相对于连接端的位置。
57.在一个具体的实施例中，伸缩绳索447的数量为多个，伸缩绳索447的数量与气囊32的数量相同，多个伸缩绳索447分别设置在多个气囊32上，在气囊32发生弯曲或伸缩时，伸缩绳索447随气囊32一同发生弯曲或伸缩，通过第一电机445控制多个伸缩绳索447的长度从而精确调节自由端相对于连接端的位置。
58.具体的说，在每个气囊32上都设有一个伸缩绳索447，伸缩绳索447能够精确调节所在气囊32的运动情况，多个伸缩绳索447同时配合，使得更加精准地调节自由端相对于连接端的位置，在本实施例中，伸缩绳索447和第一电机445均设置在气囊32的内部，且伸缩绳索447能够随气囊32一同发生弯曲或伸缩。显而易见的，伸缩绳索447的数量可以仅设置一个，也可以设置在气囊32的外部。
59.在其他的实施例中，伸缩绳索447可以不随气囊32一同发生弯曲或伸缩，此时伸缩绳索447设置在气囊32的外部，通过判断障碍物与连接端的距离，此时该距离就为伸缩绳索447的理论距离，通过气阀调节气压，最终使得伸缩绳索447的实际距离等于理论距离，实现精确调节自由端相对于连接端的位置。
60.在一个实施例中，请参考图1至图4，卷扬机构42包括第二电机421，第二电机421连接在无人机本体10上，连接端与第二电机421的输出轴连接，从而使得第二电机421的输出轴转动时带动气动机械臂30转动，进而实现气动机械臂30相对于无人机本体10运动。
61.具体的说，卷扬机构42包括第二电机421，第二电机421能够驱动气动机械臂30绕着第二电机421的输出轴转动，在一些搭载气动机械臂的激光除障无人机飞行受到阻挡的狭小、复杂的空间飞行时，需要调整气动机械臂30的角度才能够对障碍物进行清除。
62.在一个实施例中，请参考图4，激光清除装置20包括机架32、激光发射口34和第一摄像头36，激光发射口34和第一摄像头36均设置在机架32上，第一摄像头36位于激光发射口34的旁边，第一摄像头36用于捕获激光发射口34附近的影像。
63.其中，第一摄像头36位于激光发射口34的旁边，第一摄像头36可以捕获激光发射口34附近的影像，从而让操作人员在地面上能够从影像设备上轻易地观察到对障碍物的清除情况。
64.在一个具体的实施例中，激光清除装置20还包括测距雷达38，测距雷达38设置在机架32上，测距雷达38用于精确定位与需要清除的障碍物之间相隔的距离。
65.其中，测距雷达38用于精确定位与需要清除的障碍物之间相隔的距离。
66.需要说明的是，测距雷达38也可以设置在搭载气动机械臂的激光除障无人机的其他位置上，比如说设置在连接端上，用于精确定位连接端与障碍物之间的距离。
67.在一个实施例中，请参考图4，驱动装置40还包括用于供电的电源机构46，电源机构46设置在无人机本体10上且位于无人机本体10的下方。
68.其中，供电电源用于为搭载气动机械臂的激光除障无人机提供电力，在无人机本体10的下方留有充足的空间可以用于放置大容量的电源机构46。
69.需要说明的是，在机架32内部还设有电池专门为激光清除装置20进行供电的备用电池。
70.在一个实施例中，请参考图1，无人机本体10上设有第二摄像头12，第二摄像头12用于巡检需要清除的障碍物。
71.其中，第二摄像头12用于巡检需要清除的障碍物。
72.在本发明实施例中，请参考图5，本发明公开了一种除障方法，包括使用上述搭载气动机械臂的激光除障无人机；
73.s10、搭载气动机械臂的激光除障无人机起飞，巡检输电线路；
74.s20、定位到需要清除的障碍物，控制搭载气动机械臂的激光除障无人机使得需要清除的障碍物在安全距离内；
75.s30、搭载气动机械臂的激光除障无人机悬停；
76.s40、气动机械臂30和激光清除装置20开始工作；
77.s50、障碍物清除后返回。
78.需要说明的是，本发明所公开的一种除障方法首先定位到需要清除的障碍物，其次判断障碍物是否在安全距离内，通过这一步骤可以判断激光清除装置20是否能够清除到障碍物，当在安全距离内时，搭载气动机械臂的激光除障无人机悬停，仅仅通过气动机械臂30和激光清除装置20对障碍物进行清除，清除过程不需要控制无人机本体10的运动，使得效率更高。
79.步骤s10中无人机起飞前需要进行准备工作以及地面测试步骤；
80.准备工作：检查电源机构46、地面控制器和激光清除装置20烦的备用电源电量是否充足，并将电源机构46安装于无人机底部卡槽。检查无人机各部件是否完好和连接正常；
81.地面测试：首先将地面控制器开机，然后检查无人机本体10、驱动装置40和激光清除装置20分别与地面遥控器的无线连接功能是否正常，第二摄像头12与第一摄像头36画面传输是否正常，最后检查激光清除装置20的激光发射口34发射激光功能是否正常；
82.巡检输电线路：待达到起飞条件后地面控制器控制无人机本体10巡检输电线路。
83.步骤s20具体操作为将第二摄像头12所拍摄画面传输至地面控制器，由图像识别算法判断树木到输电线路的间距是否满足安全距离，对没有树木安全隐患的位置进行标
记，判断障碍物是否在气动机械臂30的工作范围内。
84.步骤s30具体操作为控制无人机本体10飞行到需要清除树木障碍附近安全位置后悬停。
85.步骤s40具体操作为气动机械臂30通电并开始工作，通过驱动装置40控制气动机械臂30进行伸缩和弯曲调整激光清除装置20的激光发射角度，通过激光清除装置20搭载的第一摄像头36进行画面传输到地面控制器，自动锁定需要激光清除目标位置，使其激光发射口34对准需要清除位置；
86.判断需要清除位置是否在激光清除范围内，如果在为范围内，则根据距离和树木粗细程度自动调整激光清除装置20功率大小，激光清除装置20开始作业：如果不在，气动机械臂30通过智能算法自动调整位置，直至满足作业条件；
87.满足清除条件后，激光清除装置20开始工作，工作过程中，气动机械臂30自动调节由于风力及机械振动等引起的无人机悬停过程中引发的位置偏移，依靠第一摄像头36对清除目标的锁定，使激光清除装置20的激光发射口34始终保持稳定。
88.步骤s40具体操作为，待树障清除完后关闭激光清除装置20电源，并收起气动机械臂30，继续巡检。
89.巡检完成或电源不足等其他情况需要返航时，标记当下飞行位置，便于进行记录或者下次继续巡检，返回起飞点。
90.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。