具体实施方式

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它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-13，本发明为一种基于隧道穹顶检测的旋翼飞行机器人系统，包括四旋翼飞行器1、混联检测平台2、被动式柔性探测头3、二自由度起落架4和视觉导航单元5；

其中，混联检测平台2通过螺栓与四旋翼飞行器1连接，视觉导航单元5安装于四旋翼飞行器1底部，多个二自由度起落架4均布在四旋翼飞行器1周侧且两者固定连接，被动式柔性探测头3与四旋翼飞行器1主体连接；

四旋翼飞行器1吊舱中分别安装有控制单元6、执行单元、报警单元、监控中心和监控传输设备；其中执行单元与控制单元相连，报警单元与控制单元的输出端相连；

控制单元6包括有控制四旋翼飞行器1的飞行运动控制子单元、控制二自由度起落架4的运动控制子单元和控制视觉导航单元5中云台的运动控制子单元三个子控制单元，其中的控制二自由度起落架4的运动控制子单元和控制视觉导航单元5中云台35的运动控制子单元，用以接收视觉导航单元5、被动式柔性探测头3及二自由度起落架4的信息，并对执行单元发送执行指令，控制单元6为安装在四旋翼飞行器1上的飞行控制器和安装在视觉导航单元5工控机中的控制系统；监控中心包括航迹规划软件、数据分析软件和控制指令生成软件，用以对隧道穹顶检测旋翼飞行机器人系统进行远程操控以及实时观测隧道穹顶检测数据。

优选地，四旋翼飞行器1包括有电调、上下设置的上底板13和下底板14，上底板13与下底板14之间通过多个支撑组架固定连接；

支撑组架由两支撑架12组成，两支撑架12之间固定有机臂11，机臂11远离四旋翼飞行器1的一端安装有电机底座8，电机底座8顶部安装有无刷电机9，无刷电机9输出端安装有碳素桨叶10；

下底板14底部固定有若干短架7，短架7底部固定有吊板，吊板与下底板14之间形成吊舱且吊舱内部设置有锂电池15；此四旋翼飞行器1作为主体用以实现整个系统在三维空间中的运动。

优选地，混联检测平台2为弹簧臂构型，其包括有上下设置的弹簧上底座20和弹簧下底座16，弹簧上底座20与弹簧下底座16之间通过支架杆17固定连接；

弹簧上底座20周侧面安装有若干弹簧连接器19，弹簧下底座16上表面固定有若干连接块，连接块与弹簧连接器19之间连接有弹簧18；

弹簧上底座20上表面分别安装有防触球22和传感器支撑架21，防触球22位于传感器支撑架21内侧，且传感器支撑架21的凹槽中安装有传感器23，通过将传感器23安装在传感器支撑架21的凹槽中，以防传感器23与穹顶直接接触造成损坏。

优选地，被动式柔性探测头3包括第一连接架24、超声波传感器28、耐磨头套27、第一伺服电机26和第一连杆25；超声波传感器28用于检测隧道穹顶缺陷以及为四旋翼飞行器1提供高度信息；

第一连接架24安装于下底板14底部，第一连接架24与耐磨头套27之间通过第一连杆25连接；超声波传感器28布置在耐磨头套27一端，耐磨头套27另一端与第一连杆25相连并通过第一伺服电机26驱动；

二自由度起落架4包括第二连接架33、第二连杆32、第三连杆30、第二伺服电机31和落地架29；第二连接架33安装于下底板14底部，第二连杆32和第三连杆30通过转动关节相连，落地架29与第三连杆30固定连接；通过第二伺服电机31操控第三连杆30的运动，此二自由度起落架4用于保护旋翼飞行机器人安全着陆以及在空中防止碳素桨叶10撞到异物而坠机；

视觉导航单元5包括红外相机34、云台35和工控机，工控机搭载在吊舱中，其中工控机由小型机载计算机、视觉处理软件和4TB存储硬盘组成，用以实时处理所拍摄的视图像，利用视觉导航单元5为四旋翼飞行器1提供飞行所需的位置信息。

优选地，控制四旋翼飞行器1的飞行运动控制子单元包括无线数传模块、加速度计、气压计、陀螺仪和磁罗盘；

执行单元包括四旋翼飞行器1上的多个无刷电机9、二自由度起落架4上的多个第二伺服电机31、视觉导航单元5上的工控机和控制被动式柔性探测头3的第一伺服电机26；

报警单元包括有蜂鸣器和LED，用以发生异常情况时触发蜂鸣警报声和闪烁提示，监控中心包括有手机、移动笔记本电脑和监控室监控台。

一种基于隧道穹顶检测的旋翼飞行机器人系统的控制方法，包括如下步骤：

步骤1、初始化：将隧道穹顶检测旋翼飞行机器人控制单元6初始化；

步骤2、参数设定：通过监控中心设定隧道穹顶检测旋翼飞行机器人的起飞速度、前飞速度、转弯速度、降落速度、被动式柔性探测头3的标定参数、鲁棒控制器的参数、无刷电机9、第一伺服电机26以及第二伺服电机31的驱动参数和红外相机参数；

步骤3、自主飞行模式判断：判断是否进入自主飞行模式，如果是自主飞行模式，则进入步骤4，如果不是自主飞行模式，则进入步骤5；

步骤4、远程手动遥控模式：进入远程手动遥控模式，监控中心操作人员通过遥控器控制隧道穹顶检测旋翼飞行机器人自主起飞，起落架升起，升高到预定高度，进行单线循迹巡检，根据当前旋翼飞行机器人是否遇到单线航迹终点将其模式切换成转弯控制或者进行前飞巡检，若完成转弯控制后，旋翼飞行机器人则进行二线循迹巡检，直到遇到二线轨迹终点，进而旋翼飞行机器人自主降落，放下起落架；

步骤5、航迹规划：若进入到自主飞行模式，则监控中心根据预先获得的被检测隧道基本信息为旋翼飞行机器人规划出一条既可以保证能检测所有区域又能实现能源消耗最短的航迹，被检测隧道基本信息包括洞身长度与洞身高度；

步骤6、自主飞行模式：自主飞行模式分为四种模式，每个模式有相对应的遥控按钮，切换不同模式按钮进入不同的模式区；

步骤7、当完成巡检任务后，则旋翼飞行机器人停止工作，若未完成任务则返回至步骤3。

优选地，步骤2中的鲁棒控制器包括控制四旋翼飞行器1的线性自抗扰控制器、控制二自由度起落架4运动的无反馈开环控制器和控制视觉导航单元5中云台35的线性自抗扰控制器。

优选地，步骤5中的航迹规划方式具体为：

采用监控中心的航迹规划软件，根据被检测隧道基本信息计算生成旋翼飞行机器人的预定航迹。

优选地，步骤6中的四种模式包括起飞控制模式、巡检控制模式、转弯控制模式和降落控制模式；

起飞控制模式：操作员通过监控中心给隧道穹顶检测旋翼飞行机器人发送工作指令，旋翼飞行机器人的多个无刷电机9开始工作，让多个碳素桨叶10转动并产生升力，使得旋翼飞行机器人垂直升高，直到被动式柔性探测头3触碰到隧道穹顶，将被动式柔性探测头3获得的隧道穹顶高度值与监控中心给定的期望高度值的作差，经线性自抗扰控制器调节后，将控制调整信号发送给四旋翼飞行器1的高度动力学模型，进而控制四个碳素桨叶10转速改变，使得被动式柔性探测头3获得的隧道穹顶高度值与监控中心给定的期望高度值的差值变小，当到达预定高度时，起飞控制模式停止。在起飞控制模式下，工控机中小型机载计算机给多个二自由度起落架4发送动作指令，经无反馈开环控制器使得多个二自由度起落架4升起，并使得多个半圆形的二自由度起落架4与多个碳素桨叶10的桨盘面平行；

巡检控制模式：当旋翼飞行机器人到达指定的飞行起始点后，控制单元6切换到巡检控制模式，改变多个碳素桨叶10其中一对桨叶的转速值，使得旋翼飞行机器人沿着预定的航迹自主前飞，将由视觉导航单元5计算获得的旋翼飞行机器人实际位置与姿态和监控中心规划得到的期望位置和姿态作差，经线性自抗扰控制器调节后，将控制调整信号发送给四旋翼飞行器1的位置和姿态动力学模型，进而控制多个碳素桨叶10转速改变，使得旋翼飞行机器人位置与姿态与监控中心给定的位置与姿态的差值变小，当旋翼飞行机器人到达单线终点时，巡检控制模式停止；

转弯控制模式：当旋翼飞行机器人到达单线终点时，控制单元6切换到转弯控制模式，改变多个碳素桨叶10的转速值，使得旋翼飞行机器人转弯飞行，将由视觉导航单元5计算获得的旋翼飞行机器人实际转弯角和监控中心规划得到的期望转弯角作差，经线性自抗扰控制器调节后，将控制调整信号发送给四旋翼飞行器1的偏航动力学模型，进而控制多个碳素桨叶10转速改变，使得旋翼飞行机器人实际转弯角与监控中心给定转弯角的差值变小，当旋翼飞行机器人到达二线起始点时，转弯控制模式停止，再次进入到巡检控制模式；

降落控制模式：当旋翼飞行机器人到达二线终点时，控制单元6切换到降落控制模式，改变多个碳素桨叶10的转速值，使得旋翼飞行机器人自主降落，将由视觉导航单元计算获得的旋翼飞行机器人实际降落位置和监控中心规划得到的期望降落位置作差，经线性自抗扰控制器调节后，将控制调整信号发送给四旋翼飞行器1的高度动力学模型，进而控制多个碳素桨叶10转速改变，使得旋翼飞行机器人实际位置与监控中心给定降落位置的差值变小，当旋翼飞行机器人到达给定降落位置时，降落控制模式停止；

优选地，线性自抗扰控制器的原理为：

式中，u是线性自抗扰控制律，k₁和k₂为控制器参数，r_e、和分别为给定信号和及其一阶导数和二阶导数，和为线性自抗扰控制器中线性扩张状态观测器估计出来的系统状态量，同时系统的误差扰动也可被线性扩张观测器估计出来，并被补偿掉。

优选地，无反馈开环控制器的原理为直接控制二自由度起落架的两个转动关节达到预定角度，其包括控制二自由度起落架4升起和控制二自由度起落架4收起两种模式.

优选地，四旋翼飞行器的高度动力学模型为：

式中，U₁为起飞控制模式中的控制指令，θ为四旋翼飞行器的俯仰角，φ为四旋翼飞行器的横滚角，m为四旋翼飞行器的质量，g为重量加速度，z为四旋翼飞行器的高度，为四旋翼飞行器高度方向的加线速度。

优选地，四旋翼飞行器的位置和姿态动力学模型为：

式中，U₂和U₃分别为四旋翼飞行器横滚和俯仰控制指令，ψ为四旋翼飞行器的转弯角，I_x和I_y分别四旋翼飞行器绕x和y两轴的转动惯量，x和y为四旋翼飞行器的位置，和为四旋翼飞行器位置方向的线加速度，和分别为四旋翼飞行器姿态角加速度。

优选地，四旋翼飞行器的偏航动力学模型为：

式中，U₄为四旋翼飞行器转弯控制指令，I_z为四旋翼飞行器绕z轴的转动惯量。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。