[发明专利]一种用于煤矿采空区无人探测的微小型飞行器及其方法

说明书

本发明公开了一种用于煤矿采空区无人探测的微小型飞行器及其方法，飞行器包括机体、设在机体中部的驱动机构、气体监测系统、惯性导航系统、视觉导航系统和尾翼，驱动机构的前部设有曲柄摇杆机构，侧部连接有柔性翼机构，后部连接有主控机盒，曲柄摇杆机构通过齿轮啮合与驱动机构相连接，柔性翼机构通过转动副与曲柄摇杆机构相连接，驱动机构提供动力驱动曲柄摇杆机构，利用典型机械结构，结合仿生学、机器视觉、惯性导航、传感器技术以及三维重构技术实现飞行器的自主定位与导航，在无人干预条件下完成充分垮落采空区的扫描探测，并实现对采空区甲烷、一氧化碳气体浓度的测定。能够真实反映煤矿采空区的实际情况，为煤矿安全高效生产提供保障。

技术领域

本发明涉及一种微小型飞行器及其方法，尤其是一种适用于对煤矿智能监测的煤矿采空区无人探测的微小型飞行器及其方法。

背景技术

随着我国采矿和支护技术的高速发展，工作面的长度逐渐增大，采出率大幅提升，开采深度逐渐增加，但由于过去采矿技术的不发达等多种原因，中浅部煤层开采后形成了大量的非充分垮落采空区，而随着深部煤层的开采，这类采空区逐步充分垮落，对煤矿的安全生产构成极大威胁，常见的灾害有废弃老采空区透水、采空区自燃、采空区瓦斯爆炸、采空区瓦斯超限涌出、采空区诱发的不良地质异常灾害等等，其中瓦斯爆炸造成的伤亡损失最大，因此，对煤矿采空区复杂环境进行预见探测就显得十分重要。

现有的监测装置多为固定式，且功能单一无法实现对采空区的全局探测；传感设备精度较高，易发生精度减低或故障等事故；无法回收监测装置，增加人力、物力成本；无法实现对老旧采空区的探测，使得此类采空区成为煤矿“黑箱”。

发明内容

技术问题：本发明的目的是要克服现有技术中的不足，提供一种用于煤矿采空区无人探测的微小型飞行器及其方法，能够实现对采空区复杂环境的全面精确探测，为煤矿安全生产提供重要保障。

技术方案：本发明的一种用于煤矿采空区无人探测的微小型飞行器，包括机体、设在机体中部的驱动机构、气体监测系统、惯性导航系统、视觉导航系统和尾翼，所述的驱动机构的前部设有曲柄摇杆机构，侧部连接有柔性翼机构，后部连接有主控机盒，所述的曲柄摇杆机构通过齿轮啮合与驱动机构相连接，所述的柔性翼机构通过转动副与曲柄摇杆机构相连接，驱动机构提供动力驱动曲柄摇杆机构，利用齿轮传动驱动柔性翼机构进行上下扑动，实现飞行以及悬停一系列动作；所述的惯性导航系统设在主控机盒的内部，实现对飞行器飞行姿态的实时感知，所述的视觉导航系统设在主控机盒的正前方，通过获取深度视觉数据配合惯性导航系统实现飞行器自主飞行，所述的气体监测系统设在主控机盒的后部，实现对环境中甲烷、一氧化碳浓度进行监测；所有系统中的各部件均设有达到矿井防爆要求的防爆外壳。

所述驱动机构包括驱动电机、电机轴、电机齿轮和传动齿轮；驱动电机固定安装在主控机盒中，为飞行器提供驱动力；电机齿轮)安装在驱动电机电机轴上，传递驱动电机产生的驱动力；传动齿轮由同轴的大小两个齿轮组成，其中大齿轮与电机齿轮啮合，小齿轮与曲柄摇杆机构的输出齿轮啮合。

所述曲柄摇杆机构包括对称设置的两个曲柄摇杆机构输出齿轮、翼连杆和翼摇杆；两个输出齿轮大小相等相互啮合、左右对称分布且与上述传动齿轮中的小齿轮啮合；所述翼连杆包括左翼连杆和右翼连杆，左翼连杆和右翼连杆的内端分别与两个输出齿轮铰接，输出齿轮的转动带动左右翼连杆作往复运动；翼摇杆包括左翼摇杆和右翼摇杆内端与机架铰接形成转动副，外端与翼连杆通过连接杆相连接形成转动副。

所述柔性翼机构包括柔性翼和柔性翼连接杆；柔性翼通过连接杆与翼摇杆外端相连接，翼摇杆的上下摆动带动柔性翼上下扑动，实现飞行器的扑翼飞行动作。

所述的惯性导航系统包括安装在主控机盒中的MEMS微惯性测量单元和与MEMS微惯性测量单元相连的机载处理器；所述的MEMS微惯性测量单元包括集成的MEMS陀螺仪、MEMS加速度计和MEMS磁传感器，以实时获取飞行器运动过程中俯仰角、偏航角、横滚角三维姿态变化信息以及飞行器飞行的速度、加速度信息，实现飞行器自主导航。