本實(shí)用新型涉及無人機(jī)領(lǐng)域，尤其涉及一種自動敲擊裝置及空中機(jī)器人。

背景技術(shù)：

工程邊坡是指線路近旁的天然斜坡或經(jīng)施工開挖形成的路塹斜坡、填筑形成的填方斜坡等。依據(jù)《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》JTGD30-2004規(guī)定：土質(zhì)挖邊坡高度大于20米、巖質(zhì)挖方邊坡高度大于30米的邊坡為高邊坡。

由于工程邊坡系統(tǒng)是一個(gè)開放的復(fù)雜系統(tǒng)，其穩(wěn)定性受地質(zhì)因素和工程因素等的綜合影響。這些因素有些是確定性的，但是大部分具有隨機(jī)性、模糊性、可變性等不確定性特點(diǎn)，它們對不同類型邊坡巖體穩(wěn)定性的影響權(quán)重是變化的，這些因子之間有復(fù)雜的非線性關(guān)系，因此在邊坡巖體穩(wěn)定性分析過程中應(yīng)依據(jù)具體情況動態(tài)地選擇參評因素。而對于邊坡工程監(jiān)測主要是了解地質(zhì)類型和變形機(jī)理，隨著不斷地發(fā)展，由原來的人工簡易皮尺工具到現(xiàn)在的儀器監(jiān)測，又正在向高精度、自動化的遠(yuǎn)程系統(tǒng)的邊坡工程監(jiān)測技術(shù)發(fā)展。根據(jù)監(jiān)測后得到的結(jié)果，找到坡體滑坡、崩塌等動態(tài)變化的規(guī)律，預(yù)測可能發(fā)生的災(zāi)害。

工程邊坡檢測是當(dāng)前公路檢測一項(xiàng)重要指標(biāo)。傳統(tǒng)的工程邊坡檢測中最常見的方法是以位移量監(jiān)控為主的檢測原則，通過獲取目標(biāo)不同時(shí)刻的位置值，得出位移量的變化，依據(jù)位移量變化的大小和現(xiàn)場的實(shí)際情況進(jìn)行災(zāi)害的判定，從而對可能出現(xiàn)的坍塌、滑坡、崩塌等災(zāi)害做好檢測和預(yù)防。

目前對邊坡災(zāi)害的檢測方法包括簡易觀測法、設(shè)站觀測法、儀表觀測法。

(1).簡易觀測法

簡易觀測法適合觀測發(fā)生災(zāi)害的坡體，通過人工觀測，對坡體產(chǎn)生的崩塌沉降、地表膨脹、裂縫等跡象都有進(jìn)一步的了解，并在有容易崩塌或已經(jīng)發(fā)生崩塌的地方，做上標(biāo)記，通過對比不同時(shí)間，不同溫度條件下，裂縫規(guī)模、開態(tài)、深度、長度、寬度以及開裂延伸的方向，根據(jù)其發(fā)展趨勢，分析是哪個(gè)時(shí)期的滑動。

(2).設(shè)站觀測法

通過了解工程區(qū)地址背景的情況后才可以用，把坡體劃分成線狀或者網(wǎng)格狀的區(qū)域，固定的觀測點(diǎn)(這個(gè)點(diǎn)不能在變形區(qū)的影響范圍內(nèi))，用多種測量方法和精密的儀器，在不同的時(shí)間進(jìn)行觀測。其中常見的方法包括：大地測量法、GPS測量法、近景攝影法。

(3).儀表觀測法

儀表觀測法主要是運(yùn)用精密的儀器進(jìn)行邊坡工程監(jiān)測，對于不用的檢測類型，使用的儀器也有所不同，對于變形量較小的邊坡檢測應(yīng)該用精度高的短程儀表，而對于滑坡、劇變等應(yīng)該用量測范圍可調(diào)的儀器。

以上傳統(tǒng)的三個(gè)檢測方法有一個(gè)共同的特點(diǎn)就是需要人工參與，需要施工人員對巖體進(jìn)行全面的監(jiān)控和定期檢測，特別是在大雨之后或地震過后的檢測顯得尤為重要。但是，我國地質(zhì)特殊，巖石種類頗多，邊坡內(nèi)部巖土也具有一定的復(fù)雜性，傳統(tǒng)的人工檢測方法具有勞動強(qiáng)度大、工作效率低、檢測的精度不高的缺點(diǎn)，尤其是在高邊坡檢測時(shí)往往伴隨著一定的危險(xiǎn)性，容易造成人員的傷亡。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本實(shí)用新型的目的在于提供一種基于空中機(jī)器人的工程邊坡質(zhì)量檢測及其系統(tǒng)，旨在解決現(xiàn)有技術(shù)中人工檢測的精度不高、檢測效率較低且檢測的安全性較差的問題。

本實(shí)用新型提出一種自動敲擊裝置，包括電機(jī)、聯(lián)軸器、凸輪、敲擊棒和套筒，所述電機(jī)與所述聯(lián)軸器緊密連接，并通過所述聯(lián)軸器控制所述凸輪，通過所述電機(jī)帶動所述凸輪的轉(zhuǎn)動，且所述凸輪與所述敲擊棒的一端連接，所述凸輪控制所述敲擊棒進(jìn)行直線運(yùn)動，并在做直線運(yùn)動時(shí)利用所述敲擊棒的另一端對目的物進(jìn)行敲擊，所述套筒固定約束所述敲擊棒使得所述敲擊棒只能沿著套筒的方向進(jìn)行直線運(yùn)動。

進(jìn)一步地，所述自動敲擊裝置還包括固定在所述套筒上的振動傳感器，以收集所述敲擊棒在做直線運(yùn)動時(shí)對目的物進(jìn)行敲擊所產(chǎn)出的振動信號。

進(jìn)一步地，所述自動敲擊裝置還包括靠近所述敲擊棒的另一端設(shè)置的固定板，所述固定板的底部包括至少一個(gè)圓形通孔且通孔的直徑與所述套筒的外徑相吻合，以使固定板夾持在所述套筒上。

進(jìn)一步地，所述固定板的頂部包括半封閉的收容匣，且在所述收容匣內(nèi)設(shè)置有泡沫，所述振動傳感器的一部分伸入所述收容匣內(nèi)并與所述泡沫接觸。

進(jìn)一步地，所述電機(jī)包括凸字形的前端，所述聯(lián)軸器的頂部包括第一凹槽，且所述電機(jī)的前端與所述聯(lián)軸器的第一凹槽相吻合并緊密連接。

進(jìn)一步地，所述聯(lián)軸器的底部包括第二凹槽，且所述凸輪與所述聯(lián)軸器的第二凹槽相吻合并緊密連接，所述聯(lián)軸器的縱截面呈現(xiàn)H形。

進(jìn)一步地，所述自動敲擊裝置還包括彈簧，設(shè)置在所述套筒的一端。

另一方面，本實(shí)用新型還提供一種空中機(jī)器人，所述空中機(jī)器人包括上述任一項(xiàng)所述的自動敲擊裝置。

進(jìn)一步地，所述空中機(jī)器人的底端對稱的設(shè)置有一對支撐部，且每一支撐部均呈T形并都包括水平桿和垂直桿，所述一對支撐部各自的水平桿相互平行且在同一水平面上，所述一對支撐部各自的垂直桿以八字形相互支撐著所述空中機(jī)器人的主體部分。

進(jìn)一步地，所述空中機(jī)器人的頂端包括旋轉(zhuǎn)部，所述旋轉(zhuǎn)部包括水平設(shè)置的六個(gè)旋轉(zhuǎn)翼，所述六個(gè)旋轉(zhuǎn)翼均勻的分布在所述旋轉(zhuǎn)部的中心圓周上，且每一個(gè)旋轉(zhuǎn)翼呈T形。

本實(shí)用新型提供的技術(shù)方案，可一次性快速執(zhí)行對整個(gè)工程邊坡的全面檢測，極大節(jié)省了人力和時(shí)間成本，并大大提高了檢測效率；對于高邊坡檢測，利用空中機(jī)器人替代人工有效避免了高空作業(yè)的危險(xiǎn)，對于陡邊坡檢測，利用空中機(jī)器人替代人工有效避免了邊坡突然垮塌帶來的危險(xiǎn)，進(jìn)而極大提高了檢測的安全性；同時(shí)，使用敲擊測振的方式對得到的振動信號進(jìn)行傅里葉變換和歐幾里德算法匹配，得到的檢測數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確明朗，進(jìn)而極大的提高了檢測的精度。

附圖說明

圖1為本實(shí)用新型一實(shí)施方式中自動敲擊裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本實(shí)用新型一實(shí)施方式中圖1自動敲擊裝置的結(jié)構(gòu)的局部放大圖；

圖3為本實(shí)用新型一實(shí)施方式中空中機(jī)器人的立體示意圖；

圖4為本實(shí)用新型一實(shí)施方式中圖3所示空中機(jī)器人的AA線剖面示意圖；

圖5為本實(shí)用新型一實(shí)施方式中圖3所示空中機(jī)器人的BB線剖面示意圖；

圖6為本實(shí)用新型一實(shí)施方式中圖3所示空中機(jī)器人的俯視圖。

具體實(shí)施方式

為了使本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對本實(shí)用新型進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本實(shí)用新型，并不用于限定本實(shí)用新型。

以下將對本實(shí)用新型所提供的一種自動敲擊裝置進(jìn)行詳細(xì)說明。

請參閱圖1，為本實(shí)用新型一實(shí)施方式中自動敲擊裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

一種自動敲擊裝置，包括電機(jī)1、聯(lián)軸器2、凸輪3、敲擊棒4和套筒5，所述電機(jī)1與所述聯(lián)軸器2緊密連接，并通過所述聯(lián)軸器2控制所述凸輪3，通過所述電機(jī)1帶動所述凸輪3的轉(zhuǎn)動，且所述凸輪3與所述敲擊棒4的一端連接，所述凸輪3控制所述敲擊棒4進(jìn)行直線運(yùn)動，并在做直線運(yùn)動時(shí)利用所述敲擊棒4的另一端對目的物進(jìn)行敲擊，所述套筒5固定約束所述敲擊棒4使得所述敲擊棒4只能沿著套筒5的方向進(jìn)行直線運(yùn)動。

請參閱圖2，為本實(shí)用新型一實(shí)施方式中圖1自動敲擊裝置的結(jié)構(gòu)的局部放大圖。

在本實(shí)施方式中，所述自動敲擊裝置還包括固定在所述套筒5上的振動傳感器6，以收集所述敲擊棒4在做直線運(yùn)動時(shí)對目的物進(jìn)行敲擊所產(chǎn)出的振動信號。

在本實(shí)施方式中，所述自動敲擊裝置還包括靠近所述敲擊棒4的另一端設(shè)置的固定板8，所述固定板8的底部包括至少一個(gè)圓形通孔且通孔的直徑與所述套筒5的外徑相吻合，以使固定板8夾持在所述套筒5上。

在本實(shí)施方式中，所述固定板8的頂部包括半封閉的收容匣，且在所述收容匣內(nèi)設(shè)置有泡沫7，所述振動傳感器6的一部分伸入所述收容匣內(nèi)并與所述泡沫7接觸。所述振動傳感器6的另一部分伸出所述收容匣外。

請繼續(xù)參閱圖1，在本實(shí)施方式中，所述電機(jī)1包括凸字形的前端，所述聯(lián)軸器2的頂部包括第一凹槽，且所述電機(jī)1的前端與所述聯(lián)軸器2的第一凹槽相吻合并緊密連接。

在本實(shí)施方式中，所述聯(lián)軸器2的底部包括第二凹槽，且所述凸輪3與所述聯(lián)軸器2的第二凹槽相吻合并緊密連接，所述聯(lián)軸器2的縱截面呈現(xiàn)H形。

在本實(shí)施方式中，所述自動敲擊裝置還包括彈簧10，設(shè)置在所述套筒5的一端。自動敲擊裝置內(nèi)裝有彈簧10給敲擊棒4往回運(yùn)動的作用力，使得敲擊棒4緊貼凸輪3表面，配合凸輪3做往復(fù)運(yùn)動。

請參閱圖3，為本實(shí)用新型一實(shí)施方式中空中機(jī)器人的立體示意圖。

在本實(shí)施方式中，空中機(jī)器人包括上述的自動敲擊裝置。

在本實(shí)施方式中，所述空中機(jī)器人的底端對稱的設(shè)置有一對支撐部，且每一支撐部均呈T形并都包括水平桿和垂直桿，所述一對支撐部各自的水平桿相互平行且在同一水平面上，所述一對支撐部各自的垂直桿以八字形相互支撐著所述空中機(jī)器人的主體部分。

在本實(shí)施方式中，所述空中機(jī)器人的頂端包括旋轉(zhuǎn)部，所述旋轉(zhuǎn)部包括水平設(shè)置的六個(gè)旋轉(zhuǎn)翼，所述六個(gè)旋轉(zhuǎn)翼均勻的分布在所述旋轉(zhuǎn)部的中心圓周上，且每一個(gè)旋轉(zhuǎn)翼呈T形。

請參閱圖4，為本實(shí)用新型一實(shí)施方式中圖3所示空中機(jī)器人的AA線剖面示意圖。

請參閱圖5，為本實(shí)用新型一實(shí)施方式中圖3所示空中機(jī)器人的BB線剖面示意圖。

在本實(shí)施方式中，電機(jī)1、聯(lián)軸器2、凸輪3均收容在同一個(gè)固定匣9內(nèi)。

請參閱圖6，為本實(shí)用新型一實(shí)施方式中圖3所示空中機(jī)器人的俯視圖。

在本實(shí)施方式中，利用所述空中機(jī)器人對工程邊坡預(yù)先劃分的多個(gè)作業(yè)面中的起始作業(yè)面進(jìn)行敲擊，以獲取對所述起始作業(yè)面敲擊的振動信息。然后，將采集到所述振動信息中所包括的振動信號進(jìn)行采樣，并利用傅里葉變換得到所述振動信號的頻譜圖；最后，將所述振動信號的頻譜圖與已存儲在數(shù)據(jù)庫中的頻譜圖進(jìn)行對比，并利用歐幾里德距離算法進(jìn)行匹配，其中，已存儲在數(shù)據(jù)庫中的頻譜圖包括工程邊坡確認(rèn)完好的振動頻譜圖和工程邊坡確認(rèn)有缺陷的振動頻譜圖。

在本實(shí)施方式中，利用空中機(jī)器人能實(shí)現(xiàn)其在飛行過程中的準(zhǔn)確三維定位，即包括縱向定位(Z軸)、軸向定位(Y軸)以及橫向定位(X軸)。

空中機(jī)器人在對工程坡面進(jìn)行檢測時(shí)離建筑物是維持在一個(gè)比較近的距離，其GPS信號極易受到建筑物干擾，如何確?？罩袡C(jī)器人的縱向垂直定位是個(gè)重要不容忽視的問題。本實(shí)用新型提供的技術(shù)方案中，空中機(jī)器人使用Pixhawk飛控板，該P(yáng)ixhawk飛控板能夠采用先進(jìn)的定高算法，僅憑氣壓高度計(jì)變將其自身高度限定在1m以內(nèi)。本實(shí)用新型提供的技術(shù)方案中，還在Pixhawk飛控板上還開發(fā)了光流模塊，采用光流傳感器用于獲取空中機(jī)器人的速度等飛行參數(shù)，利用Pixhawk飛控板上的GPS模塊判斷空中機(jī)器人位置信息的可靠性，最終采取互補(bǔ)濾波器將光流傳感器信息與GPS信息進(jìn)行融合，實(shí)現(xiàn)光流/GPS的自切換，特別是在靠近外墻，其GPS信號收到干擾，本實(shí)用新型能夠有效結(jié)合光流定位與GPS定位來實(shí)現(xiàn)精確定位。除此之外，本實(shí)用新型還在空中機(jī)器人底部裝設(shè)了一對超聲波傳感器，用于輔助定位，針對空中機(jī)器人起飛過程中容易出現(xiàn)墜毀的現(xiàn)象，安設(shè)一個(gè)超聲波傳感器具有很好輔助效果，然而超聲波傳感器一般在低空7m以內(nèi)的一個(gè)范圍才能夠發(fā)揮作用，高度過高則失去作用了。當(dāng)空中機(jī)器人回到起點(diǎn)時(shí)，預(yù)先在Pixhawk飛控板設(shè)置的程序則會自動關(guān)閉超聲波傳感器或者還可以人為地通過地面控制站對安裝在空中機(jī)器人上的超聲波傳感器進(jìn)行即時(shí)控制。

橫向水平定位主要采取GPS裝置和一對超聲波傳感器(用于輔助定位，防止碰撞)，主要使空中機(jī)器人與外墻面保持一定距離。距離太近，空中機(jī)器人容易與外坡面相撞，從而導(dǎo)致飛行器墜毀。在空中機(jī)器人起飛前，已經(jīng)通過地面控制站對Pixhawk飛控板寫入程序，使其與外墻面保持一定距離。設(shè)空中機(jī)器人與外墻面之間的距離控制在2.5m±1m的一個(gè)范圍，當(dāng)空中機(jī)器人與外墻面距離大于2.5m時(shí)，在Pixhawk飛控板上預(yù)先輸入的程序則會使空中機(jī)器人朝里飛行一段距離，使得距離達(dá)到2.5m；當(dāng)空中機(jī)器人與外墻面距離小于2.5m時(shí)，則會使空中機(jī)器人朝外飛行一段距離，使得距離達(dá)到2.5m。實(shí)際應(yīng)用中，空中機(jī)器人總會因各種因素在空中略微漂移，特別是在其GPS信號收到周圍建筑物干擾的時(shí)候。除此之外，本實(shí)用新型的橫向水平定位還采用了紅外掃描雷達(dá)，其測量距離范圍為10米以內(nèi)，與超聲波傳感器相似。不同的是，紅外掃描雷達(dá)能夠在空中機(jī)器人頂部對其周圍環(huán)境進(jìn)行全方位360度的掃描，而超聲波傳感器只能定向測距。特別是在建筑物外形不是標(biāo)準(zhǔn)平面時(shí)，僅僅使用超聲波傳感器不能實(shí)現(xiàn)空中機(jī)器人有效避障，容易顧此失彼。

空中機(jī)器人在空中飛行時(shí)，其沿X軸方向的定位主要通過GPS裝置，GPS裝置的水平定位精度為1到2m。與軸向定位(Y軸)相類似，在空中機(jī)器人起飛前，通過地面控制站對Pixhawk飛控板寫入程序。飛行過程中飛控板能夠讀取GPS裝置的數(shù)據(jù)，并根據(jù)預(yù)先輸入的程序調(diào)整電機(jī)1輸出，從而控制自身飛行狀態(tài)?？罩袡C(jī)器人偏離預(yù)設(shè)方向，預(yù)先寫入的程序則會使空中機(jī)器人回歸飛行路線。

在本實(shí)施方式中，空中機(jī)器人根據(jù)所述振動信息判斷所述起始作業(yè)面是否有缺陷。判斷具體包括：如果利用歐幾里德距離算法得出所述振動信號的頻譜圖與已存儲在數(shù)據(jù)庫中的工程邊坡確認(rèn)完好的振動頻譜圖是匹配的話，則判斷當(dāng)前檢測的作業(yè)面對應(yīng)的工程邊坡是完好的；如果利用歐幾里德距離算法得出所述振動信號的頻譜圖與已存儲在數(shù)據(jù)庫中的工程邊坡確認(rèn)有缺陷的振動頻譜圖是匹配的話，則判斷當(dāng)前檢測的作業(yè)面對應(yīng)的工程邊坡是有缺陷的。

在本實(shí)施方式中，實(shí)際應(yīng)用中事先會在數(shù)據(jù)庫里存儲多個(gè)工程邊坡確認(rèn)完好的振動頻譜圖以及多個(gè)工程邊坡確認(rèn)有缺陷的振動頻譜圖，作為后續(xù)匹配的參考標(biāo)準(zhǔn)。

在本實(shí)施方式中，所述通過所述自動敲擊裝置對工程邊坡預(yù)先劃分的多個(gè)作業(yè)面中的起始作業(yè)面進(jìn)行敲擊，并利用所述振動傳感器6采集對所述起始作業(yè)面敲擊的振動信息的步驟具體包括：

規(guī)劃所述空中機(jī)器人的飛行路徑，確定所述起始作業(yè)面的檢測點(diǎn)；

確定所述空中機(jī)器人與待測的工程邊坡的坡面橫向距離；

根據(jù)規(guī)劃的飛行路徑以及確定的檢測點(diǎn)開啟飛行敲擊檢測；

利用所述振動傳感器6采集對所述起始作業(yè)面敲擊的振動信息。

在本實(shí)施方式中，搭載光學(xué)相機(jī)的空中機(jī)器人定點(diǎn)飛行拍攝整個(gè)工程坡面區(qū)域清晰的照片若干張。然后通過Matlab軟件對圖像進(jìn)行處理(即柵格化)，規(guī)劃設(shè)計(jì)空中機(jī)器人的飛行路徑，同時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測空中機(jī)器人的飛行狀態(tài)，并根據(jù)任務(wù)需求實(shí)時(shí)對其航路進(jìn)行路徑規(guī)劃。在規(guī)劃所述空中機(jī)器人的飛行路徑之后，確定所述起始作業(yè)面的檢測點(diǎn)，使得空中機(jī)器人得以在空中找到定位懸停。

在本實(shí)施方式中，確定所述空中機(jī)器人與待測的工程邊坡的坡面橫向距離，用于確保在空中機(jī)器人不撞擊作業(yè)面的情況下敲擊棒4能接觸到作業(yè)面并且振動傳感器6貼緊作業(yè)面。

所述空中機(jī)器人利用上述方法依次對剩下的多個(gè)作業(yè)面一一進(jìn)行檢測。

本實(shí)用新型提供的一種自動敲擊裝置及空中機(jī)器人，通過對整個(gè)區(qū)域進(jìn)行拍攝，制定空中機(jī)器人的飛行路徑，可一次性快速執(zhí)行對整個(gè)工程邊坡的全面檢測，極大節(jié)省了人力和時(shí)間成本，并大大提高了檢測效率；對于高邊坡檢測，利用空中機(jī)器人替代人工有效避免了高空作業(yè)的危險(xiǎn)，對于陡邊坡檢測，利用空中機(jī)器人替代人工有效避免了邊坡突然垮塌帶來的危險(xiǎn)，進(jìn)而極大提高了檢測的安全性；同時(shí)，使用敲擊測振的方式對得到的振動信號進(jìn)行傅里葉變換和歐幾里德算法匹配，得到的檢測數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確明朗，進(jìn)而極大的提高了檢測的精度。

值得注意的是，以上所述僅為本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本實(shí)用新型，凡在本實(shí)用新型的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。