一种基于全向轮的飞机货舱机械损伤识别机器人

1.本发明涉及飞机维修性识别、机器视觉识别技术领域，具体为一种基于全向轮的飞机货舱机械损伤识别机器人。


背景技术：

2.在目前传统的飞机货舱内部的机械结构情况识别工作作业中，主要工作还是由机务人员对飞机货舱各个细节进行逐个检查且并用工卡记录，对于较为关键的机械部件需定期拆卸下来进行专用仪器的检查。
3.这种对飞机内部结构的检测的工作方式有诸多的缺点。
4.首先是工作时间较长，一个机务工人对货舱内部进行巡检时间较长，对于大机型飞机的检查成为一项耗时耗力的工作，工作人员还需借助观察工具对其逐个观察，再记录工卡。这种较长的维修时间对于航空公司来说也是一个较大的经济损失。
5.其次是因人为因素造成的漏检率较高，由于该工作耗时耗力，对于机务人员的体力和脑力是一个较高的考验，而在机务人员体力不支的时候，客舱内部的各部位漏检率将会有相应的提高，使得飞机经过维修后的安全性有一定的下降。
6.最后是检查全面性不足够高，对于一些较难观察的部位，机务人员对其的检查一般用手电筒配合相机等工具对其逐个观察并进行判断，而在一些更难观察的区域可能就需要用专用设备对其逐个检查，而这种借助专用设备对飞机的检查频率会远低于常规检查频率，其检查全面性会有一定的影响，从而会影响到飞机的安全性。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于提供一种基于全向轮的飞机货舱机械损伤识别机器人，以解决上述背景技术中提出的问题。
8.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于全向轮的飞机货舱机械损伤识别机器人，包括承重件、云台、底盘、yaw轴基座和轮组，所述云台位于底盘顶端位置，所述轮组通过承重件配合螺栓固定在底盘外侧，所述轮组设置有四个，所述承重件还包括轴承孔位和限位孔，所述轴承孔位开设在承重件两侧，所述限位孔开设在承重件上，所述yaw轴基座包括云台板固定螺纹孔和交叉滚子，所述云台板固定螺纹孔开设在yaw轴基座上，所述交叉滚子设置在yaw轴基座顶端位置。
9.优选的，所述云台包括丝杆、livox激光雷达、图像传输模块、zed深度相机、云台架前板、云台架侧板、步进电机、弹性联轴器、云台架后板、云台支撑架、平行四连杆结构、pitch轴电机、计算平台英伟达nx、滑轨、yaw电机支撑板、导电滑环、yaw轴电机和核心控制板，所述yaw轴电机支撑板设置在云台底端中心位置，方便支撑云台，所述yaw轴电机固定安装在yaw轴电机支撑板上，yaw轴电机带动云台运动，所示导电滑环嵌套在yaw轴电机中间位置，便于云台在运动的时线路不会缠绕，所述云台通过云台板固定螺纹孔与yaw轴基座连接，所述交叉滚子设置在云台最下端，所述云台支撑架外侧装有pitch轴电机和计算平台英
伟达nx，所述pitch轴电机和计算平台英伟达nx通过云台架前板和云台架侧板固定并支撑，所述平行四连杆结构一侧连接设置有zed2深度相机，所述平行四连杆结构一侧向上依次固定设置有图像传输模块和livox激光雷达，所述pitch轴电机和yaw轴电机均在zed2深度相机下部，方便zed2深度相机和livox激光雷达做俯仰和水平旋转的操作，两个所述云台架侧板外侧分布有两个供整个云台上升和下降用的丝杆，两侧所述丝杆下部为两个步进电机，两个所述步进电机安装在yaw轴电机支撑板上，所述弹性联轴器设置在步进电机输出端位置，方便向上运动抬升云台，所述滑轨设置在云台架后板的后面，方便在云台上升过程中起到固定作用，所述核心控制板固定在zed2深度相机一侧。
10.优选的，所述底盘包括电池、电池架、导轮、缓冲外框、外框支撑件、底板和铝管，所述底板连接两根所述铝管构成底盘的骨架，每一根所述铝管的两侧均和外框支撑件连接，每个所述外框支撑件通过若干导轮和缓冲外框连接，起到防护底盘的作用，两根所述铝管的上部和yaw轴电机支撑板连接，四个所述轮组在yaw轴电机支撑板和铝管之间通过承重件和增高件固定，所述电池通过电池架和外框支撑件连接。
11.优选的，所述轮组包括全向轮、拉簧、增高件、法兰轴承、塞打螺栓、电机、止推轴承、d孔法兰盘、卧轴承电机座、电子调速器和轮组碳板，每个所述轮组通过承重件由若干螺栓与底盘固定，所述塞打螺栓通过轴承孔位、限位孔、法兰轴承和止推轴承将轮组碳板与卧轴承电机座固定，所述卧轴承电机座上方装有电子调速器，所述电机嵌入在卧轴承电机座中，所述全向轮设置在轮组内部，所述d孔法兰盘外嵌于电机，每个轮组的所述轮组碳板均通过一组拉簧与底板连接，来达到减震的效果。
12.优选的，所述全向轮包括滚轮、固定螺栓、外夹板、中层板、法兰盘连接孔和双层间隔件，在每个所述轮组中的所述全向轮通过法兰盘连接孔与d孔法兰盘连接，每个所述全向轮都是由两侧所述外夹板通过若干固定螺栓夹着所述中层板，所述中层板夹着所述双层间隔件构成，每个所述外夹板上等距分布着大小相等方向不同的滚轮。
13.优选的，所述yaw轴电机内嵌于在交叉滚子内部，方便yaw轴电机运动。
14.优选的，所述外框支撑件外侧设置有三角镂空，方便在有效达到了在保证结构强度的同时保证了整车的轻量化。
15.优选的，所述电机型号为3508电机，所述电子调速器型号为c620。
16.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
17.本发明对飞机货舱内部的机械损伤识别工作做机器替代；发明了一种专门用来进行飞机货舱机械损伤识别的机器人，该机器人主要用全向轮底盘，保证机器人可在狭小空间内可自由转动；同时机器人顶部的摄像头可垂直升降，同时有4个自由度的转动，使其可观察到货舱内部绝大部分部件的如机械裂缝、生锈、断裂等机械损伤情况，并对其拍照和记录，发送给数据终端。
18.本机器人能减少机务人员的工作量，提高机械损伤识别效率，减小机械损伤识别的漏检率，增加机械损伤识别的全面性；对降低航空公司的维修成本、提升检测效率和精度有较大的经济效益。
附图说明
19.图1为本发明结构示意图；
20.图2为本发明承重件结构示意图；
21.图3为本发明yaw轴基座结构示意图；
22.图4为本发明云台结构示意图；
23.图5为本发明计算平台英伟达nx安装示意图；
24.图6为本发明底盘示意图；
25.图7为本发明轮组碳板结构示意图；
26.图8为本发明全向轮结构示意图；
27.图9为本发明yaw轴电机结构示意图；
28.图10为本发明核心控制板安装示意图；
29.图11为本发明系统图；
30.图12为本发明视觉程序总框架示意图；
31.图13为本发明第一流程图；
32.图14为本发明第二流程图。
33.图中：1、承重件；1-1、轴承孔位；1-2、限位孔；2、yaw轴基座；2-1、云台板固定螺纹孔；2-2、交叉滚子；3、丝杆；4、livox激光雷达；5、图像传输模块；6、zed2深度相机；7、云台架前板；8、云台架侧板；9、步进电机；10、弹性联轴器；11、云台架后板；12、云台支撑架；13、平行四连杆结构；14、pitch轴电机；15、计算平台英伟达nx；16、滑轨；17、电池；18、电池架；19、导轮；20、全向轮；20-1、滚轮；20-2、固定螺栓；20-3、外夹板；20-4、中层板；20-5、法兰盘连接孔；20-6、双层间隔件；21、缓冲外框；22、外框支撑件；23、底板；24、拉簧；25、yaw电机支撑板；26、导电滑环；27、增高件；28、法兰轴承；29、塞打螺栓；30、电机；31、止推轴承；32、d孔法兰盘；33、卧轴承电机座；34、电子调速器；35、yaw轴电机；36、核心控制板；37、铝管；38、轮组碳板。
具体实施方式
34.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做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。
35.请参阅图1-14，本发明提供一种技术方案：一种基于全向轮的飞机货舱机械损伤识别机器人，包括承重件1、云台、底盘、yaw轴基座2和轮组，所述云台位于底盘顶端位置，所述轮组通过承重件1配合螺栓固定在底盘外侧，所述轮组设置有四个，所述承重件1还包括轴承孔位1-1和限位孔1-2，所述轴承孔位1-1开设在承重件1两侧，所述限位孔1-2开设在承重件1上，所述yaw轴基座2包括云台板固定螺纹孔2-1和交叉滚子2-2，所述云台板固定螺纹孔2-1开设在yaw轴基座2上，所述交叉滚子2-2设置在yaw轴基座2顶端位置。
36.所述云台包括丝杆3、livox激光雷达4、图像传输模块5、zed2深度相机6、云台架前板7、云台架侧板8、步进电机9、弹性联轴器10、云台架后板11、云台支撑架12、平行四连杆结构13、pitch轴电机14、计算平台英伟达nx15、滑轨16、yaw电机支撑板25、导电滑环26、yaw轴电机35和核心控制板36，所述yaw轴电机支撑板25设置在云台底端中心位置，方便支撑云台，所述yaw轴电机35固定安装在yaw轴电机支撑板25上，yaw轴电机35带动云台运动，所示
导电滑环26嵌套在yaw轴电机35中间位置，便于云台在运动的时线路不会缠绕，所述云台通过云台板固定螺纹孔2-1与yaw轴基座2连接，所述交叉滚子2-2设置在云台最下端，所述yaw轴电机35内嵌于在交叉滚子2-2内部，方便yaw轴电机35运动，所述云台支撑架12外侧装有pitch轴电机14和计算平台英伟达nx15，所述pitch轴电机14和计算平台英伟达nx15通过云台架前板7和云台架侧板8固定并支撑，所述平行四连杆结构13一侧连接设置有zed2深度相机6，所述平行四连杆结构13一侧向上依次固定设置有图像传输模块5和livox激光雷达4，所述pitch轴电机14和yaw轴电机35均在zed2深度相机6下部，方便zed2深度相机6和livox激光雷达4做俯仰和水平旋转的操作，两个所述云台架侧板8外侧分布有两个供整个云台上升和下降用的丝杆3，两侧所述丝杆3下部为两个步进电机9，两个所述步进电机9安装在yaw轴电机支撑板25上，所述弹性联轴器10设置在步进电机9输出端位置，方便向上运动抬升云台，所述滑轨16设置在云台架后板11的后面，方便在云台上升过程中起到固定作用，所述核心控制板36固定在zed2深度相机6一侧。
37.所述底盘包括电池17、电池架18、导轮19、缓冲外框21、外框支撑件22、底板23和铝管37，所述底板23连接两根所述铝管37构成底盘的骨架，每一根所述铝管37的两侧均和外框支撑件22连接，所述外框支撑件22外侧设置有三角镂空，方便在有效达到了在保证结构强度的同时保证了整车的轻量化，每个所述外框支撑件22通过若干导轮19和缓冲外框21连接，起到防护底盘的作用，两根所述铝管37的上部和yaw轴电机支撑板25连接，四个所述轮组在yaw轴电机支撑板25和铝管37之间通过承重件和增高件27固定，所述电池17通过电池架18和外框支撑件22连接。
38.所述轮组包括全向轮20、拉簧24、增高件27、法兰轴承28、塞打螺栓29、电机30、止推轴承31、d孔法兰盘32、卧轴承电机座33、电子调速器34和轮组碳板38，每个所述轮组通过承重件1由若干螺栓与底盘固定，所述塞打螺栓29通过轴承孔位1-1、限位孔1-2、法兰轴承28和止推轴承31将轮组碳板38与卧轴承电机座33固定，所述卧轴承电机座33上方装有电子调速器34，所述电机30嵌入在卧轴承电机座33中，所述全向轮20设置在轮组内部，所述d孔法兰盘32外嵌于电机30，每个轮组的所述轮组碳板38均通过一组拉簧24与底板23连接，来达到减震的效果。
39.所述全向轮20包括滚轮20-1、固定螺栓20-2、外夹板20-3、中层板20-4、法兰盘连接孔20-5和双层间隔件20-6，在每个所述轮组中的所述全向轮20通过法兰盘连接孔20-5与d孔法兰盘32连接，每个所述全向轮20都是由两侧所述外夹板20-3通过若干固定螺栓20-2夹着所述中层板20-4，所述中层板20-4夹着所述双层间隔件20-6构成，每个所述外夹板20-3上等距分布着大小相等方向不同的滚轮20-1。
40.工作原理：(1)自动识别巡检模式
41.在探测准备阶段，由机务人员打开tb48s电源17开关，将本机器人放在飞机货舱的一端，计算平台英伟达nx15利用看门狗自启自动巡逻识别的进程；在核心控制板36的控制下，利用多线livox激光雷达4和zed2深度相机6获取周围的环境信息完成视觉里程计的功能，将三维数据传送给计算平台英伟达nx15进每帧图像特征点提取，利用相邻帧图像，进行特征点匹配，然后利用ransac算法去除大噪声，然后进行匹配，得到一个pose信息位置和姿态，同时可以利用imu集成于核心控制板提供的姿态信息进行滤波融合。计算平台英伟达nx15对视觉里程计结果进行优化，利用滤波理论ekf、ukf、pf、和优化理论toro、g2o进行树
或者图的优化。最终得到最优的位姿估计，并以此确定出本机器人所处的位置，计算规划出最佳路径，将规划好的规划信息转化成底盘3508电机30的角度和速度通过串口传输给核心控制板36。核心控制板36内含的陀螺仪bmi088和stm32f407单片机，通过c620电调34编码器一体化启动进行减速箱行星齿特别设计的3508电机30带动全向轮图8旋转，使机器人从货舱一端开始自动巡检。巡检开始后，通过多线livox激光雷达4和zed2深度相机6信息结合g2o算法不断更新实时机器人的位姿信息和全局机舱地图的更新，计算进入每个货物角落的最佳位置，驱动3508电机30带动全向轮图8旋转调整姿态到达指定位置进行货舱关键机械损伤识别，zed2深度相机6获取到机械损伤的rgb图像发送到计算平台英伟达nx15进行处理。机器人的云台图5有两个自由度，pitch轴的俯仰角度范围为120
°
，yaw轴的旋转范围为360
°
，因此可以有效的探测到货舱内壁的结构损伤。当想要探测货舱上部的损伤情况时，可通过步进电机9所驱动的丝杆3升降装置及滑轨16进行云台图5的抬升，机器人云台图5的升降范围是0.5m-3m。yaw轴的电调电机一体化的电机35可以单独控制云台图5在不动底盘图6的情况下进行yaw轴方向的活动，独立的电滑环26和模块化的布线拓扑设计图10与yaw轴电机35，pitch轴电机14的结合可以确保云台图5在抬升状态下的yaw和pitch两个自由度的有效工作，从而达到各个角度的损伤识别。
42.全向轮底盘图6的一大优势是可以360
°
无死角的移动，当机器人需要转向时，全向轮8可以使机器人图1进行原地的转向。机器人的圆形底盘也减小了与障碍之间的摩擦，缓冲外框21的设计可以确保当出现机器人底盘图6被突然卡住的时候，因为缓冲外框21和若干导轮19的存在以及全向轮360
°
无死角移动的特性，整车的yaw轴方向的自由度完全不会受到影响。当遇到另一边的机械损伤区相隔较远时，可以使用全向轮底盘图6结合深度信息进行大幅度多角度的机器人图1位置调整。当损伤区相隔较近时，可通过云台图4yaw轴与pitch轴电机结合rgb信息进行自动微调。
43.(2)手动遥控模式
44.此项功能能够通过手机或电脑使用核心控制板36中含有的dr16接收模块和wifi模块进行人为定向遥控，操纵者能够通过手机或者电脑遥控机器人前往机舱中的具体腐蚀处，并可以通过图传模块5进行第一人称控制。通过核心控制板36上搭载的dr16接收模块传递debus目标值指令至核心控制板36上的stm32f407单片机，stm32f407单片机运行freertos的多线程任务，经过指令处理转换到手动控制模式和pid参数，通过合理的串级pid来平稳地控制底盘3508电机30使全向轮图8进行旋转和云台yaw轴电机35pitch轴电机14进行不同角度的检测。以及控制不同的pwm占空比来控制两个步进电机9来对云台图5进行升降。手动遥控机器人到损伤点，利用zed2深度相机6进行机械损伤检测扫描，计算平台英伟达nx15能够对检测到的损伤信息进行深度学习和储存。如果是在wifi覆盖的情况下，可将实时检测数据传给电脑。在没有wifi覆盖的情况下，操纵者还能够使用信号线将结构损伤检测情况以及机器人运动过程中的各项参数导出。在第一人称操控时，通过核心控制板36发送给电脑的数据报文中，电脑端还有相关便于操控的ui界面，可以实时显示电量以及机器人位置和识别的到的货舱机械结构损伤程度。
45.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖
非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
46.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

技术特征：
1.一种基于全向轮的飞机货舱机械损伤识别机器人，包括承重件(1)、云台、底盘、yaw轴基座(2)和轮组，其特征在于：所述云台位于底盘顶端位置，所述轮组通过承重件(1)配合螺栓固定在底盘外侧，所述轮组设置有四个，所述承重件(1)还包括轴承孔位(1-1)和限位孔(1-2)，所述轴承孔位(1-1)开设在承重件(1)两侧，所述限位孔(1-2)开设在承重件(1)上，所述yaw轴基座(2)包括云台板固定螺纹孔(2-1)和交叉滚子(2-2)，所述云台板固定螺纹孔(2-1)开设在yaw轴基座(2)上，所述交叉滚子(2-2)设置在yaw轴基座(2)顶端位置。2.根据权利要求1所述的一种基于全向轮的飞机货舱机械损伤识别机器人，其特征在于：所述云台包括丝杆(3)、livox激光雷达(4)、图像传输模块(5)、zed2深度相机(6)、云台架前板(7)、云台架侧板(8)、步进电机(9)、弹性联轴器(10)、云台架后板(11)、云台支撑架(12)、平行四连杆结构(13)、pitch轴电机(14)、计算平台英伟达nx(15)、滑轨(16)、yaw电机支撑板(25)、导电滑环(26)、yaw轴电机(35)和核心控制板(36)，所述yaw轴电机支撑板(25)设置在云台底端中心位置，所述yaw轴电机(35)固定安装在yaw轴电机支撑板(25)上，所示导电滑环(26)嵌套在yaw轴电机(35)中间位置，所述云台通过云台板固定螺纹孔(2-1)与yaw轴基座(2)连接，所述交叉滚子(2-2)设置在云台最下端，所述云台支撑架(12)外侧装有pitch轴电机(14)和计算平台英伟达nx(15)，所述pitch轴电机(14)和计算平台英伟达nx(15)通过云台架前板(7)和云台架侧板(8)固定并支撑，所述平行四连杆结构(13)一侧连接设置有zed2深度相机(6)，所述平行四连杆结构(13)一侧向上依次固定设置有图像传输模块(5)和livox激光雷达(4)，所述pitch轴电机(14)和yaw轴电机(35)均在zed2深度相机(6)下部，两个所述云台架侧板(8)外侧分布有两个供整个云台上升和下降用的丝杆(3)，两侧所述丝杆(3)下部为两个步进电机(9)，两个所述步进电机(9)安装在yaw轴电机支撑板(25)上，所述弹性联轴器(10)设置在步进电机(9)输出端位置，所述滑轨(16)设置在云台架后板(11)的后面，所述核心控制板(36)固定在zed2深度相机(6)一侧。3.根据权利要求2所述的一种基于全向轮的飞机货舱机械损伤识别机器人，其特征在于：所述底盘包括电池(17)、电池架(18)、导轮(19)、缓冲外框(21)、外框支撑件(22)、底板(23)和铝管(37)，所述底板(23)连接两根所述铝管(37)构成底盘的骨架，每一根所述铝管(37)的两侧均和外框支撑件(22)连接，每个所述外框支撑件(22)通过若干导轮(19)和缓冲外框(21)连接，两根所述铝管(37)的上部和yaw轴电机支撑板(25)连接，四个所述轮组在yaw轴电机支撑板(25)和铝管(37)之间通过承重件和增高件(27)固定，所述电池(17)通过电池架(18)和外框支撑件(22)连接。4.根据权利要求3所述的一种基于全向轮的飞机货舱机械损伤识别机器人，其特征在于：所述轮组包括全向轮(20)、拉簧(24)、增高件(27)、法兰轴承(28)、塞打螺栓(29)、电机(30)、止推轴承(31)、d孔法兰盘(32)、卧轴承电机座(33)、电子调速器(34)和轮组碳板(38)，每个所述轮组通过承重件(1)由若干螺栓与底盘固定，所述塞打螺栓(29)通过轴承孔位(1-1)、限位孔(1-2)、法兰轴承(28)和止推轴承(31)将轮组碳板(38)与卧轴承电机座(33)固定，所述卧轴承电机座(33)上方装有电子调速器(34)，所述电机(30)嵌入在卧轴承电机座(33)中，所述全向轮20设置在轮组内部，所述d孔法兰盘(32)外嵌于电机(30)，每个轮组的所述轮组碳板(38)均通过一组拉簧(24)与底板(23)连接。5.根据权利要求4所述的一种基于全向轮的飞机货舱机械损伤识别机器人，其特征在于：所述全向轮20包括滚轮(20-1)、固定螺栓(20-2)、外夹板(20-3)、中层板(20-4)、法兰盘
连接孔(20-5)和双层间隔件(20-6)，在每个所述轮组中的所述全向轮(20)通过法兰盘连接孔(20-5)与d孔法兰盘(32)连接，每个所述全向轮(20)都是由两侧所述外夹板(20-3)通过若干固定螺栓(20-2)夹着所述中层板(20-4)，所述中层板(20-4)夹着所述双层间隔件(20-6)构成，每个所述外夹板(20-3)上等距分布着大小相等方向不同的滚轮(20-1)。6.根据权利要求5所述的一种基于全向轮的飞机货舱机械损伤识别机器人，其特征在于：所述yaw轴电机(35)内嵌于在交叉滚子(2-2)内部。7.根据权利要求6所述的一种基于全向轮的飞机货舱机械损伤识别机器人，其特征在于：所述外框支撑件(22)外侧设置有三角镂空。8.根据权利要求7所述的一种基于全向轮的飞机货舱机械损伤识别机器人，其特征在于：所述电机(30)型号为3508电机，所述电子调速器(34)型号为c620。

技术总结
本发明公开了一种基于全向轮的飞机货舱机械损伤识别机器人，包括承重件、云台、底盘、Yaw轴基座和轮组，所述云台位于底盘顶端位置，所述轮组通过承重件配合螺栓固定在底盘外侧，所述轮组设置有四个，所述承重件还包括轴承孔位和限位孔，所述轴承孔位开设在承重件两侧。本发明本机器人能减少机务人员的工作量，提高机械损伤识别效率，减小机械损伤识别的漏检率，增加机械损伤识别的全面性；对降低航空公司的维修成本、提升检测效率和精度有较大的经济效益。济效益。济效益。


技术研发人员：付宇 候振宇 丁阳辰 翁艺林 谭林泉 来飞龙 林瀚 牛国臣 段浩博 杨晨 金诚道 朱卓宁 杜丰桀
受保护的技术使用者：中国民航大学
技术研发日：2023.02.23
技术公布日：2023/6/12