[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

本發明公開了一種用于煤礦采空區無人探測的微小型飛行器及其方法，飛行器包括機體、設在機體中部的驅動機構、氣體監測系統、慣性導航系統、視覺導航系統和尾翼，驅動機構的前部設有曲柄搖桿機構，側部連接有柔性翼機構，后部連接有主控機盒，曲柄搖桿機構通過齒輪嚙合與驅動機構相連接，柔性翼機構通過轉動副與曲柄搖桿機構相連接，驅動機構提供動力驅動曲柄搖桿機構，利用典型機械結構，結合仿生學、機器視覺、慣性導航、傳感器技術以及三維重構技術實現飛行器的自主定位與導航，在無人干預條件下完成充分垮落采空區的掃描探測，并實現對采空區甲烷、一氧化碳氣體濃度的測定。能夠真實反映煤礦采空區的實際情況，為煤礦安全高效生產提供保障。

技術領域

本發明涉及一種微小型飛行器及其方法，尤其是一種適用于對煤礦智能監測的煤礦采空區無人探測的微小型飛行器及其方法。

背景技術

隨著我國采礦和支護技術的高速發展，工作面的長度逐漸增大，采出率大幅提升，開采深度逐漸增加，但由于過去采礦技術的不發達等多種原因，中淺部煤層開采后形成了大量的非充分垮落采空區，而隨著深部煤層的開采，這類采空區逐步充分垮落，對煤礦的安全生產構成極大威脅，常見的災害有廢棄老采空區透水、采空區自燃、采空區瓦斯爆炸、采空區瓦斯超限涌出、采空區誘發的不良地質異常災害等等，其中瓦斯爆炸造成的傷亡損失最大，因此，對煤礦采空區復雜環境進行預見探測就顯得十分重要。

現有的監測裝置多為固定式，且功能單一無法實現對采空區的全局探測；傳感設備精度較高，易發生精度減低或故障等事故；無法回收監測裝置，增加人力、物力成本；無法實現對老舊采空區的探測，使得此類采空區成為煤礦“黑箱”。

發明內容

技術問題：本發明的目的是要克服現有技術中的不足，提供一種用于煤礦采空區無人探測的微小型飛行器及其方法，能夠實現對采空區復雜環境的全面精確探測，為煤礦安全生產提供重要保障。

技術方案：本發明的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、氣體監測系統、慣性導航系統、視覺導航系統和尾翼，所述的驅動機構的前部設有曲柄搖桿機構，側部連接有柔性翼機構，后部連接有主控機盒，所述的曲柄搖桿機構通過齒輪嚙合與驅動機構相連接，所述的柔性翼機構通過轉動副與曲柄搖桿機構相連接，驅動機構提供動力驅動曲柄搖桿機構，利用齒輪傳動驅動柔性翼機構進行上下撲動，實現飛行以及懸停一系列動作；所述的慣性導航系統設在主控機盒的內部，實現對飛行器飛行姿態的實時感知，所述的視覺導航系統設在主控機盒的正前方，通過獲取深度視覺數據配合慣性導航系統實現飛行器自主飛行，所述的氣體監測系統設在主控機盒的后部，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。

所述驅動機構包括驅動電機、電機軸、電機齒輪和傳動齒輪；驅動電機固定安裝在主控機盒中，為飛行器提供驅動力；電機齒輪)安裝在驅動電機電機軸上，傳遞驅動電機產生的驅動力；傳動齒輪由同軸的大小兩個齒輪組成，其中大齒輪與電機齒輪嚙合，小齒輪與曲柄搖桿機構的輸出齒輪嚙合。

所述曲柄搖桿機構包括對稱設置的兩個曲柄搖桿機構輸出齒輪、翼連桿和翼搖桿；兩個輸出齒輪大小相等相互嚙合、左右對稱分布且與上述傳動齒輪中的小齒輪嚙合；所述翼連桿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鉸接，輸出齒輪的轉動帶動左右翼連桿作往復運動；翼搖桿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。

所述柔性翼機構包括柔性翼和柔性翼連接桿；柔性翼通過連接桿與翼搖桿外端相連接，翼搖桿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。

所述的慣性導航系統包括安裝在主控機盒中的MEMS微慣性測量單元和與MEMS微慣性測量單元相連的機載處理器；所述的MEMS微慣性測量單元包括集成的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。