一种基于卫星定位导航的工程勘察无人机系统的制作方法

本实用新型涉及岩土工程勘察技术领域，尤其涉及一种基于卫星定位导航的工程勘察无人机系统。

背景技术：

在岩土工程勘察，特别是在工民建勘察外业中，钻探取样及原位测试仍然是最主流的勘察手段。现阶段，岩土工程勘察外业的工作模式仍然较为原始，在测量放样、钻探、取样、原位测试、编录、取样等方面，仍以人工作业和搬运方式为主。

在钻探测量放样方面，技术人员需事先设计钻探平面位置图，并安排测量人员进行放样和标记。钻机人员在施工过程中，需自行寻找钻孔标记，有时还可能因外部原因，标记遗失，需安排测量人员重新进场放样。

在外业管理方面，技术人员仍然以现场巡查和抽查为主，当场地跨度较大、钻机较多时，则会出现验孔时间大幅缩短、精力大量消耗导致体力不足等情况，有时会出现造假等现象，严重影响到勘察外业质量和进度把控。此外，增加管理人员也势必会增加相应的管理成本，而且不一定能起到较好的管理效果。有时还会出现一位技术负责人需同时承担多个项目的勘察工作的情况。因此，急需研发一种能辅助技术人员进行测量和勘察外业管理的工具，实现自动测量放样、坐标高程复测、钻机导航提醒、勘察工作质量进度纠偏、自动运输与取样、人机交互、文本图像自动识别、递交勘察报告及无人机丢失找回等功能。

我国已出现部分利用无人机进行勘察测绘外业管理和取样的专利，但这些专利的功能大多仅停留在较为单一的航拍、取样等方面。他们在测量放样、运输材料、取样、飞行控制、外业人机互动管理、文本识别、丢失找回等方面仍然欠缺，导致无人机在岩土工程勘察的应用停留在设想上，较难实施。

技术实现要素：

本实用新型的目的就是为了克服上述技术中的不足，提供一种基于卫星定位导航的工程勘察无人机系统和勘察测绘方法。可以在勘察前进行自动测量放样，有效、灵活地巡视勘察施工现场的工作状态，提高勘察质量、提高勘察效率，及时管控。

为了实现上述目的，本实用新型采用了如下技术方案：

一种基于卫星定位导航的工程勘察无人机系统，包括无人机主体、支撑臂、螺旋桨、起落架、运输装置、取样装置、电源、监测装置、工作站。所述无人机主体内部包括导航定位模块、环境探测模块、测量放样模块、勘察工作监测模块、无线通讯模块、运输模块、取样模块、文本图像识别模块、飞行控制模块、防撞保护模块、电源模块、存储器、丢失找回模块。所述无人机主体外侧上部安装有太阳能电池组件和防护罩。所述导航定位模块与rtk和电源通过导线连接，所述测量放样模块与定位导航模块连接，所述环境探测模块与导航定位模块、无线通讯模块连接，所述勘察工作监测模块与导航定位模块、无线通讯模块及工作站连接，所述勘察工作监测模块包括外摄像头、扬声器、麦克风、导线，所述无线通讯模块与环境探测模块、钻机工作监测模块、钻机无线通讯模块、工作站和云端服务器连接，所述运输模块与运输装置连接，所述运输装置包括运输箱架、第二连接杆、运输箱卡扣、第三连接杆、运输箱架凸块、运输信号导线、运输箱，所述运输箱架与所述第二连接杆、所述第三连接杆连接，所述第二连接杆与所述起落架连接，所述起落架与第一连接杆连接，所述第一连接杆与无人机主体连接，所述运输卡扣与运输箱连接，所述第三连接杆的另一端与所述起落架固定连接，所述运输箱架凸块与运输箱架连接，且运输箱架凸块为四条，所述运输信号导线与运输模块处理器连接，所述取样模块包括滑轮组导轨、第二滑轮组、第二锁止滑轮、取样线圈、取样机械爪、取样信号导线、第一存储盒、第二存储盒、机械爪电机；所述滑轮组导轨与第三连接杆连接，所述第二滑轮组安装在滑轮组导轨上，所述第二锁止滑轮在第二滑轮组最外侧，所述取样线圈安装在第二滑轮组外侧，所述取样机械爪与所述机械爪电机连接，所述机械爪另一端与取样导线连接，所述取样导线另一端与取样模块处理器连接，所述第一存储盒与所述第二存储盒分别安装在运输箱内两侧，所述文本图像识别模块与所述无线通讯模块和所述存储器连接；所述文本图像识别模块包括内摄像头、文字图像处理器，所述内摄像头安装在所述运输箱内侧顶部，所述飞行控制模块与导航定位模块、无线通讯模块连接，所述飞行控制模块包括螺旋桨、微机电陀螺仪、重力感应器，所述螺旋桨安装在四个支撑臂的端头上部，所述微机电陀螺仪与所述重力感应器安装于所述无人机主体内，所述防撞保护模块包括四个防护板和防护罩，所述防护板分别设置在四个支撑臂的末端，所述防护板与伸缩杆连接，所述伸缩杆安装在支撑臂套管内，所述防护罩安装于所述太阳能电池组件上方，所述电源模块另一端与锂电池连接，所述锂电池安装在支撑臂上方，所述存储器与所述勘察工作监测模块和所述文本图像识别模块连接，所述丢失找回模块与所述导航定位模块、所述无线通讯模块及所述电源模块连接。

优选地，所述导航定位模块能安装简易gps或rtk测量仪器，所述测量仪器可选择使用北斗定位系统或gps定位系统；所选用的rtk仪器为南方公司，测量精度达到5cm内；

优选地，所述环境探测模块设有雷达；

优选地，所述测量放样模块与打印机和放样抢连接；所述打印机为袖珍型打印机，可快速打印钻孔编号，所述放样枪与打印机连接，快速制作测量标记并插入地面；

优选地，所述外摄像头、扬声器、麦克风与其中一个支撑臂下侧连接并固定，所述摄像头的视线不受遮挡，所述摄像头采用高清摄像头，可自动360°旋转；

优选地，所述扬声器的最大音量为100db；

优选地，所述勘察工作监测模块通过导线与高清摄像头、扬声器、麦克风连接，能实时获取航拍影像和音频信号；

优选地，所述勘察工作监测模块，能通过人机交互或自动识别岩土样个数、岩土芯总进尺，所述勘察工作监测模块，能对钻机开孔、取样、标准贯入试验、圆锥动力触探试验等状态进行实时录像和分析，并具备纠错和提醒功能；

优选地，所述取样装置安装在运输模块的箱体内，所述滑轮组导轨采用优质金属材料，所述滑轮组采用吊滑模式，所述滑轮采用金属尼龙双合一材质，保证滑轮组的运动顺畅；

优选地，所述机械抓手采用优质铝合金材质，所述抓取电机最大功率为100w，可持续抓取岩、土样工作5小时；

优选地，所述第一存储盒和第二存储盒采用abs工程塑料材质；

优选地，所述取样装置既可在空中使用机械爪取样，也可降落到地面后，人工取样；

优选地，所述起落架的数量为一个，所述起落架由4个起落杆组成，所述起落架两侧各设置一个起落脚，所述运输架的两侧中部各设置2个凸块，与专用运输箱外侧的凹槽匹配，可轻松将运输箱推入运输箱架内；

优选地，所述卡扣的数量为8个，且分别设置在运输模块顶部的4个方向，用于将货箱牢牢卡住；

优选地，所述运输箱包括外部箱体和内部盒子，所述外部箱体的底部可从中间自动开启和关闭，所述内部盒子通过导线与外部箱体的顶部连接，且当外部箱体底部打开后，能慢速下放至地面；所述运输箱可在空中将材料下放到地面；

优选地，所述文本图像识别模块能通过内摄像头，自动识别读取收集到的编录纸信息；

优选地，所述微机电陀螺仪可实时计算无人机飞行方向、角度、加速度、角速度；所述重力感应器能随时测量无人机整体重心，并随时将重心位置传输到飞行控制模块；

优选地，所述支撑臂为空心材料，可存放防护板收缩件；

优选地，所述防护板采用橡胶材料，可收缩至支撑臂内；所述防护罩为透明高级塑料材质，光线透过率为95%，可遮挡雨水；所述防护面罩可灵活摘取和安装；

优选地，所述太阳能电池组件采用晶澳太阳能组件、续航时间为1小时，所述锂电池个数为8个，每个支撑臂上各设置2块锂电池；所述锂电池的容量为每块50000mah，续航时间为8小时；

优选地，所述测量放样模块、运输模块、取样模块均可随时拆卸；

优选地，所述存储器采用8tb爱国者大容量硬盘，且硬盘可更新，最大支持16tb容量；

优选地，所述工作站可由电脑、手机或平板电脑承担；

优选地，所述云端数据库与无线通讯模块、工作站连接，可同步上传和下载勘察工作监测数据；

优选地，所述丢失找回模块可随时发射定位数据，当无人机被盗或飞行中出现故障时，可通过手机找回；

优选地，无人机主体设有usb或hdmi接口，以及wifi和蓝牙装置，用于传输数据。

与现有技术相比，本实用新型提供了一种基于卫星定位导航的工程勘察无人机系统，具备以下有益效果：

1、该基于卫星定位导航的工程勘察无人机系统，通过设置的导航定位模块、环境探测模块、钻机工作监测模块、无线通讯模块、网络数据库、云端服务器模块的相互配合，使其具有全球定位、实时监控、线上线下数据同步、航拍影像及语音通话功能；

2、本实用新型具备远程实时管理钻机工作功能。通过设置卫星定位模块、钻机工作监测模块，利用无人机rtk、微机电陀螺仪、重力感应器、外摄像头、扬声器（喊话器）、麦克风，实现钻机工作状态自动监测和外业管理，规划钻机工作路线，及时校核钻孔孔号、钻孔类别、进尺深度、终孔时间、取样、原位测试等信息。无人机发现异常情况后可及时通知工作站，由技术人员实时掌控并引导钻机工作方向。该实用新型能有效提高勘察测绘外业质量及管理水平，适应当前勘察工作新形势、新变化，缩短了勘察周期，降低了勘察成本，具有广泛的使用价值；

3、本实用新型具备飞行稳定自动调节功能和避险功能。通过设置环境探测模块内置雷达，无人机在飞行过程中能自动识别障碍物，并主动绕飞。通过设置飞行控制模块，利用微机电陀螺仪、重力感应器，实现无人机自动计算整体重心和飞行加速度、角速度，进而进行自动调节飞行状态，保证飞行安全；

4、本实用新型具备自动测量放样、自动运输和空中及地面取样功能。通过设置测量放样模块，利用卫星定位导航系统和设置于运输架下面的放样装置，实现无人机自动测量放样，节省了测量成本；通过设置运输模块和取样模量，实现无人机自动运送各类材料和自动空中采取并运输岩、土样，也可以人机互动，待无人机降落到地面，将岩、土样搜集完成后，统一安装在无人机运输箱内，由无人机起飞再运至指定地点；

5、本实用新型可根据实际需要，合理选择功能配备。测量放样模块、运输模块、取样模块均可随时拆卸。技术人员可根据各阶段实际需求，决定是否安装上述模块和装置，以节省机身重量，减小飞行阻力和电能消耗，提高飞行速度；

6、本实用新型具备文本图像识别功能。在收到编录纸后，能通过摄像头和文本图像识别模块，自动识别地质编录信息，缩短内业时间；

7、本实用新型具备航拍影像回放功能。通过设置存储器和无线通讯模块及输出接口，无人机可自动存储航拍影像，技术人员可实时获取航拍影像文件，也可在后期拷贝并回放航拍影像，对以往工作进行回顾与分析；

8、本实用新型具备防撞防护功能。通过设置防护板，将其与伸缩杆与支撑臂连接，可以防止无人机在飞行中遭受撞击，提高无人机的安全性。通过设置防护罩，在雨天使用无人机时，起到防护无人机的效果；

9、该装置中未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现，本实用新型采用先进的定位导航技术、遥感影像技术、雷达技术、实时航拍影像语音通话技术、无线传输技术，将岩土工程勘察与高新技术相结合，实现钻机自动导航纠偏、人机交互远程管理、自动取样运输等功能。

附图说明

图1为本实用新型提出的一种基于卫星定位导航的工程勘察无人机系统的侧视结构示意图；

图2为本实用新型提出的一种基于卫星定位导航的工程勘察无人机系统的模块架构示意图；

图3为本实用新型提出的无人机俯视结构示意图；

图4为本实用新型提出的无人机主体结构示意图；

图5为本实用新型提出的测量放样模块结构示意图；

图6为本实用新型提出的取样模块、运输模块结构示意图（取样前）；

图7为本实用新型提出的取样模块、运输模块结构示意图（取样中）；

图8为本实用新型提出的无人机工作平面示意图；

图中：1、无人机主体；2、支撑臂；3、起落架；31、起落脚；32、第一连接杆；4、导航定位模块；41、rtk；42、sim插槽；5、环境探测模块；51、雷达；6、测量放样模块；61、测量放样导线；62、第一滑轮组；63、第一锁止滑轮；64、打印机；65、出纸口；66、放样枪；67、放样小旗；7、勘察工作监测模块；71、外摄像头；72、扬声器；73、麦克风；74、监测信号导线；8、无线通讯模块；9、运输模块；91、第二连接杆；92、运输箱卡扣；93、第三连接杆；94、运输箱架；95、第四连接杆；96、材料运输信号线；97、运输箱架凸块；98、运输箱架托盘；99、运输箱；10、取样模块；101、滑轮组导轨；102、第二滑轮组；103、第二锁止滑轮；104、取样线圈；105、取样机械爪；106、取样信号导线；107、第一存储盒；108、第二存储盒；109、机械爪电机；11、文本图像识别模块；111、内摄像头；112、文本识别信号线；12、飞行控制模块；121、螺旋桨；122、微机电陀螺仪；123、飞行控制导线；124、重力感应器；13、防撞保护模块；131、伸缩杆；132、防护板；133、防护罩；14、电源模块；141、太阳能电池组件；142、锂电池；143、电源导线；15、存储器；151、usb接口；152、hdmi接口；16、工作站；161、云端数据库；17、丢失找回模块。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。

实施例：

参照图1-8，一种基于卫星定位导航的工程勘察无人机系统，包括无人机主体1、支撑臂2、螺旋桨121、起落架3、运输装置9、取样装置10、电源14、监测装置7、工作站16。无人机主体1内部包括导航定位模块4、环境探测模块5、测量放样模块6、勘察工作监测模块7、无线通讯模块8、运输模块9、取样模块10、文本图像识别模块11、飞行控制模块12、防撞保护模块13、电源模块14、存储器15、丢失找回模块17。无人机主体1外侧上部安装有太阳能电池组件141和防护罩133。当锂电池142耗尽，则可在日照条件好时，使用太阳能电池组件141，减少了电能消耗所造成无人机坠机损坏的风险。导航定位模块4与rtk41和电源14通过导线143连接，无人机的净高为80cm，在测量高程时，可以由rtk41的高程，减去80cm，即得到无人机下地面高程；当无人机飞行到预定的坐标后，导航定位模块4发送指令到测量放样模块6，测量放样模块6便开启放样装置，打开打印机64和放样枪66，打印机64快速打印钻孔编号，放样枪66快速制作测量标记并插入地面；环境探测模块5与导航定位模块4、无线通讯模块8连接，无人机开始钻机监测后，环境探测模块5会开启雷达51，并找出场地内的障碍物，利用导航定位模块4，将坐标信息和行驶路线，由无线通讯模块8提供给钻机。

本实用新型中：无人机勘察工作监测模块7与导航定位模块4、无线通讯模块8及工作站16连接，勘察工作监测模块7开启安装于支撑臂2下的高清摄像头71、扬声器72、麦克风73、导线74，即可对现场内所有钻机进行巡查；因为本实用新型将摄像头71设置的离无人机主体有一定距离，故不影响无人机的360°航拍与录像，此外，技术人员若在无人机巡查过程中，发现勘察质量问题，可通过麦克风73进行喊话，扬声器72的最大音量为100db，满足在勘察外业工作需要；勘察作业开始后，无人机打开勘察工作监测模块7，无人机或技术人员能通过人机交互或自动识别岩土样个数、岩土芯总进尺，勘察工作监测模块，能对钻机开孔、取样、标准贯入试验、圆锥动力触探试验等状态进行实时录像和分析，并对钻机进行纠错和提醒；

本实用新型中：无人机考虑到了运输功能。当需要向钻机编录员发放纸质材料，开启运输模块9，运输模块9便发送指令到运输装置90，由于运输箱架94、第二连接杆91、第三连接杆93、运输箱架凸块97等基本是固定连接，实际操作过程中，只需将运输箱99仔细的按照运输箱架凸块97，推入运输箱架94，确保运输箱99由运输箱架托盘98安全的托住，则可以扣下运输箱卡扣92，这样既能保证运输箱下部有保护装置，还能确保运输箱99的四个侧面及顶部都能固定，防止运输箱99因卡扣92脱落而坠落；运输箱99包括外部箱体和内部盒子，外部箱体的底部可从中间自动开启和关闭，内部盒子通过导线与外部箱体的顶部连接，且当外部箱体底部打开后，能慢速下放至地面；运输箱可在空中将材料下放到地面；

本实用新型的重要功能是取样并送样，取样模块10包括滑轮组导轨101、第二滑轮组102、第二锁止滑轮103、取样线圈104、取样机械爪105、取样信号导线106、第一存储盒107、第二存储盒108、机械爪电机109；取样装置10安装在运输模块10的箱体99内，第二滑轮组102安装在滑轮组导轨101上，滑轮组导轨101采用优质金属材料，滑轮组102采用吊滑模式，滑轮采用金属尼龙双合一材质，采用这样的组合结构和安全的材质，能确保各滑轮组102的顺畅；滑轮组导轨101与第三连接杆93固定连接，能确保滑轮的滚动，不会导致滑轮组导轨101变形；第二锁止滑轮103在第二滑轮组102最外侧，当技术人员要停止向存储盒摆放岩土样时，则利用第二锁止滑轮103将第二滑轮组102卡住，当需要再取样时，则可以打开第二锁止滑轮103，取样线圈104安装在第二滑轮组102外侧，当取样线圈回收导线，机械爪则升起，反之则下降，取样机械爪105与机械爪电机109连接，机械抓手105采用优质铝合金材质，抓取电机109最大功率为100w，可持续抓取岩、土样工作5小时，通过这个设计，可保证取样的高效运行；技术人员可通过内摄像头111，观察第一存储盒和第二存储盒的载荷情况，通过滑轮导轨，进行合理的装样；取样装置10既可在空中使用机械爪105取样，也可降落到地面后，人工取样。

本实用新型中：无人机将文本图像识别模块11、无线通讯模块8和存储器15连接；文本图像识别模块11调用安装在运输箱99内侧顶部的内摄像头111和无人机主体1内的文字图像处理器113，将拍摄到的编录纸，进行文字识别，并保存到存储器15；在无人机工作过程中，因送材料、取样的随机性，导致第一存储盒和第二存储盒中存放的试验数量不一样，则会导致其机身不平衡，此时无人机开启飞行控制模块12，飞行控制模块12打开微机电陀螺仪122和重力感应器124，调整四个螺旋桨121的转速和角度，则可调整速度、方向，当无人机遇到障碍物时，若不能及时的规避障碍物，则可由防撞保护模块13的防护板132和防护罩133对其进行保护，防护板132分别设置在四个支撑臂2的末端，当不需要防护时，防护板132采用橡胶材料，可将防护板132收缩到伸缩杆131内，支撑臂2为空心材料，可将伸缩杆131安装在支撑臂2套管内；防护罩133安装于太阳能电池组件141上方，采用透明高级塑料材质，光线透过率为95%，可遮挡雨水；当不需要使用防护罩133时，可灵活摘取；电源模块14另一端与锂电池142连接，锂电池总数为8个，每个支撑臂各设置2块锂电池142；锂电池142的容量为每块50000mah，续航时间为8小时；当太阳能电源耗尽时，锂电池起到保驾护航的作用；利用存储器15可及时的储存勘察工作监测模块和文本图像识别的数据，丢失找回模块17与导航定位模块4、无线通讯模块8及电源模块14连接。工作站可由电脑、手机或平板电脑承担；当无人机被盗或飞行中出现故障时，可通过丢失找回模块17，利用手机找回。

工作原理：本实用新型工作中，当要进行勘察的时候，首先将cad地图信息导入无人机，再利用测量放样模块6，到现场进行放样，无人机会根据图纸信息和导航定位模块4，开启打印机64和放样枪66，对各钻孔进行放样并插入标记；放样结束后，无人机开启雷达51装置，为钻机寻找最佳路线，钻机就位后，无人机则开始巡查和抽查，发现质量或进度问题，无人机勘察工作监测模块7进行自动计算，并报技术人员。接下来便由无人机根据导航卫星模块4提供的坐标，将材料送至作业场地，再利用新增的较为灵活的取样模块（10）和送样装置（9），实现日常管理。

综上所述，该基于导航定位的工程勘察无人机的勘察测绘方法，通过导航卫星模块4、rtk41、雷达51、测量放样模块6、勘察工作监测模块7、无线通讯模块8、运输模块9、取样模块10、文本图像识别模块11、飞行控制模块12、防撞模块13、丢失找回模块17，解决了传统无人机勘察中的不能自动测量放样、无人机喊话、勘察工作质量和进度纠偏、取样、送样、文本自动识别等技术问题，又解决了无人机易遇到障碍物、容易撞坏或坠毁、以及运输箱掉落的安全问题。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其实用新型构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。