[發明專利]一種用于煤礦采空區無人探測的微小型飛行器及其方法

在審

• 申請號: 202110238961.6
• 申請日: 2021-03-04
• 公開（公告）號: CN112965531A
• 公開（公告）日: 2021-06-15
• 發明（設計）人: 屠世浩;趙宏斌;郝定溢;劉迅;苗凱軍;李文龍
• 申請（專利權）人: 中國礦業大學
• 主分類號: G05D1/12
• 分類號: G05D1/12;B64C33/02;B64D47/00;B64D47/08
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙) 32249
• 代理人: 張聯群

1.一種用于煤礦采空區無人探測的微小型飛行器，包括機體、設在機體中部的驅動機構(1)、氣體監測系統(4)、慣性導航系統(5)、視覺導航系統(6)和尾翼，其特征在于：所述的驅動機構(1)的前部設有曲柄搖桿機構(2)，側部連接有柔性翼機構(3)，后部連接有主控機盒(7)，所述的曲柄搖桿機構(2)通過齒輪嚙合與驅動機構(1)相連接，所述的柔性翼機構(3)通過轉動副與曲柄搖桿機構(2)相連接，驅動機構(1)提供動力驅動曲柄搖桿機構(2)，利用齒輪傳動驅動柔性翼機構(3)進行上下撲動，實現飛行以及懸停一系列動作；所述的慣性導航系統(5)設在主控機盒(7)的內部，實現對飛行器飛行姿態的實時感知，所述的視覺導航系統(6)設在主控機盒(7)的正前方，通過獲取深度視覺數據配合慣性導航系統(5)實現飛行器自主飛行，所述的氣體監測系統(4)設在主控機盒(7)的后部，實現對環境中甲烷、一氧化碳濃度進行監測；所有系統中的各部件均設有達到礦井防爆要求的防爆外殼。

2.根據權利要求1所述的一種用于煤礦采空區無人探測的微小型飛行器，其特征在于：所述驅動機構(1)包括驅動電機(101)、電機軸(102)、電機齒輪(103)和傳動齒輪(104)；驅動電機(101)固定安裝在主控機盒(7)中，為飛行器提供驅動力；電機齒輪(103)安裝在驅動電機電機軸(102)上，傳遞驅動電機產生的驅動力；傳動齒輪(104)由同軸的大小兩個齒輪組成，其中大齒輪與電機齒輪(103)嚙合，小齒輪與曲柄搖桿機構的輸出齒輪(201)嚙合。

3.根據權利要求1所述的一種用于煤礦采空區無人探測的微小型飛行器，其特征在于：所述曲柄搖桿機構(2)包括對稱設置的兩個曲柄搖桿機構輸出齒輪(201)、翼連桿(202)和翼搖桿(203)；兩個輸出齒輪(201)大小相等相互嚙合、左右對稱分布且與上述傳動齒輪(104)中的小齒輪嚙合；所述翼連桿(202)包括左翼連桿和右翼連桿，左翼連桿和右翼連桿的內端分別與兩個輸出齒輪(201)鉸接，輸出齒輪(201)的轉動帶動左右翼連桿(202)作往復運動；翼搖桿(203)包括左翼搖桿和右翼搖桿內端與機架鉸接形成轉動副，外端與翼連桿通過連接桿相連接形成轉動副。

4.根據權利要求1所述的一種用于煤礦采空區無人探測的微小型飛行器，其特征在于：所述柔性翼機構(3)包括柔性翼(301)和柔性翼連接桿(302)；柔性翼(301)通過連接桿(302)與翼搖桿(203)外端相連接，翼搖桿(203)的上下擺動帶動柔性翼上下撲動，實現飛行器的撲翼飛行動作。

5.根據權利要求1所述的一種用于煤礦采空區無人探測的微小型飛行器，其特征在于：所述的慣性導航系統(5)包括安裝在主控機盒(7)中的MEMS微慣性測量單元(501)和與MEMS微慣性測量單元(501)相連的機載處理器(502)；所述的MEMS微慣性測量單元(501)包括集成的MEMS陀螺儀、MEMS加速度計和MEMS磁傳感器，以實時獲取飛行器運動過程中俯仰角、偏航角、橫滾角三維姿態變化信息以及飛行器飛行的速度、加速度信息，實現飛行器自主導航。

6.根據權利要求1所述的一種用于煤礦采空區無人探測的微小型飛行器，其特征在于：所述的氣體監測系統(4)包括甲烷傳感器(401)和一氧化碳傳感器(402)，均安裝在主控機盒(7)的后方，并與慣性導航系統(5)中的機載處理器(502)連接，實現采空區甲烷、一氧化碳濃度的無人監測，也為采空區遺煤自燃傾向判斷提供依據。

7.根據權利要求1所述的一種用于煤礦采空區無人探測的微小型飛行器，其特征在于：所述的視覺導航系統(6)包括集成在一起的RGB-D深度相機(601)、圖像處理單元(602)，圖像處理單元(602)與慣性導航系統(5)中的機載處理器(502)相連接；所述的RGB-D深度相機(601)包括集成在RGB-D深度相機(601)中的調制光源、彩色相機和紅外相機，利用彩色相機獲取場景二維彩色圖像，通過調制光源對目標主動發射連續光脈沖，與目標物接觸后反射并由紅外相機接收反射回來的光信號，再通過光脈沖的飛行時間計算得到場景的深度視覺數據。