[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

权利要求书

1.一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(1)、气体监测系统(4)、惯性导航系统(5)、视觉导航系统(6)和尾翼，其特征在于：所述的驱动机构(1)的前部设有曲柄摇杆机构(2)，侧部连接有柔性翼机构(3)，后部连接有主控机盒(7)，所述的曲柄摇杆机构(2)通过齿轮啮合与驱动机构(1)相连接，所述的柔性翼机构(3)通过转动副与曲柄摇杆机构(2)相连接，驱动机构(1)提供动力驱动曲柄摇杆机构(2)，利用齿轮传动驱动柔性翼机构(3)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(5)设在主控机盒(7)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(6)设在主控机盒(7)的正前方，通过获取深度视觉数据配合惯性导航系统(5)实现飞行器自主飞行，所述的气体监测系统(4)设在主控机盒(7)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。

2.根据权利要求1所述的一种用于煤矿采空区无人探测的微小型飞行器，其特征在于：所述驱动机构(1)包括驱动电机(101)、电机轴(102)、电机齿轮(103)和传动齿轮(104)；驱动电机(101)固定安装在主控机盒(7)中，为飞行器提供驱动力；电机齿轮(103)安装在驱动电机电机轴(102)上，传递驱动电机产生的驱动力；传动齿轮(104)由同轴的大小两个齿轮组成，其中大齿轮与电机齿轮(103)啮合，小齿轮与曲柄摇杆机构的输出齿轮(201)啮合。

3.根据权利要求1所述的一种用于煤矿采空区无人探测的微小型飞行器，其特征在于：所述曲柄摇杆机构(2)包括对称设置的两个曲柄摇杆机构输出齿轮(201)、翼连杆(202)和翼摇杆(203)；两个输出齿轮(201)大小相等相互啮合、左右对称分布且与上述传动齿轮(104)中的小齿轮啮合；所述翼连杆(202)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(201)铰接，输出齿轮(201)的转动带动左右翼连杆(202)作往复运动；翼摇杆(203)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。

4.根据权利要求1所述的一种用于煤矿采空区无人探测的微小型飞行器，其特征在于：所述柔性翼机构(3)包括柔性翼(301)和柔性翼连接杆(302)；柔性翼(301)通过连接杆(302)与翼摇杆(203)外端相连接，翼摇杆(203)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。

5.根据权利要求1所述的一种用于煤矿采空区无人探测的微小型飞行器，其特征在于：所述的惯性导航系统(5)包括安装在主控机盒(7)中的MEMS微惯性测量单元(501)和与MEMS微惯性测量单元(501)相连的机载处理器(502)；所述的MEMS微惯性测量单元(501)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。

6.根据权利要求1所述的一种用于煤矿采空区无人探测的微小型飞行器，其特征在于：所述的气体监测系统(4)包括甲烷传感器(401)和一氧化碳传感器(402)，均安装在主控机盒(7)的后方，并与惯性导航系统(5)中的机载处理器(502)连接，实现采空区甲烷、一氧化碳浓度的无人监测，也为采空区遗煤自燃倾向判断提供依据。

7.根据权利要求1所述的一种用于煤矿采空区无人探测的微小型飞行器，其特征在于：所述的视觉导航系统(6)包括集成在一起的RGB-D深度相机(601)、图像处理单元(602)，图像处理单元(602)与惯性导航系统(5)中的机载处理器(502)相连接；所述的RGB-D深度相机(601)包括集成在RGB-D深度相机(601)中的调制光源、彩色相机和红外相机，利用彩色相机获取场景二维彩色图像，通过调制光源对目标主动发射连续光脉冲，与目标物接触后反射并由红外相机接收反射回来的光信号，再通过光脉冲的飞行时间计算得到场景的深度视觉数据。