基于视觉、激光和超声波的多角度检测下水管道智能小车

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1.本发明涉及一种智能小车，具体涉及一种基于视觉、激光和超声波的多角度检测下水管道智能小车。

背景技术：

2.近年来，随着人们的物质生活的不断发展，为人们解决排污问题的管道运输线路也在不断丰富。由于管道运输管理的技术和规定上管理的缺失，导致管道经常出现破损和堵塞的现状，使得去检测分析管道的破损、堵塞的方式方法具有了重大意义。尤其是针对通道尺寸较小，污染严重，伴有对人体有害的刺激性气味的下水管道问题，精准的检测分析和定位可以有效减少管道修复和替换的难度和成本。

技术实现要素：

3.为了解决背景技术中存在的问题，本发明提供了多角度检测分析和多种定位方法相结合，适应多种状况的精准定位下水管道智能小车。
4.本发明采用的技术方案是：
5.本发明下水管道智能小车包括检测小车、伸缩结构和检测定位系统；检测小车包括车体外壳、驱动模块和换向模块，驱动模块和换向模块安装在车体外壳的下部，驱动模块和换向模块电连接；
6.伸缩结构安装在车体外壳的上部，检测定位系统安装在车体外壳外部，伸缩结构和检测定位系统相连接；
7.检测定位系统包括系统壳体、检测模块和定位模块，检测模块和定位模块安装在系统壳体内，系统壳体和伸缩结构相连接。
8.伸缩结构用于延长检测定位系统的轴向检测距离；检测定位系统用于收集下水管道管壁缺陷或障碍的图像以及智能小车的位移数据。
9.所述的驱动模块包括两个驱动轮、减速电机、锥齿轮对和驱动轴；检测小车的车体外壳的内部中间水平安装有隔层板，减速电机、锥齿轮对和驱动轴安装在隔层板下方的车体外壳内部，两个驱动轮分别安装在车体外壳外部的后方两侧；减速电机的输出轴通过锥齿轮对连接驱动轴，驱动轴的两端分别水平穿设出车体外壳的对称两侧并分别固定连接两个驱动轮的中心；
10.所述的换向模块包括两个转向装置，转向装置包括转向轮、换向锥齿轮传动结构和舵机，舵机安装在隔层板下方的车体外壳内部，转向轮和换向锥齿轮传动结构安装在车体外壳外部的前方一侧，舵机的输出轴通过换向锥齿轮传动结构连接转向轮的中心。
11.所述的锥齿轮对包括较小锥齿轮和较大锥齿轮，驱动模块的减速电机的输出轴同步连接较小锥齿轮的中心，较大锥齿轮固定套装在驱动轴上；减速电机的输出轴和驱动轴相互垂直，两个锥齿轮垂直啮合，驱动模块的锥齿轮对将扭矩传递到驱动轴上；
12.所述的换向锥齿轮传动结构包括锥齿轮对和锥齿轮转向轴，换向锥齿轮传动结构
还包括锥齿轮传动轴套，锥齿轮传动轴套套装在舵机的输出轴上；舵机的输出轴同步连接换向锥齿轮传动结构的锥齿轮对的较小锥齿轮，较大锥齿轮固定套装在锥齿轮转向轴的一端，锥齿轮转向轴的另一端固定连接第一转向轮的中心；换向模块的锥齿轮对将扭矩传递到锥齿轮转向轴上；锥齿轮转向轴同时通过支架水平铰接于车体外壳的侧面；
13.所述的锥齿轮转向轴为l型轴结构。
14.所述的驱动模块还包括plc控制器、蓄电池、多功能电源理线盒和电机驱动器，plc控制器、蓄电池、多功能电源理线盒和电机驱动器安装在隔层板下方的车体外壳内部；plc控制器通过多功能电源理线盒电连接蓄电池和电机驱动器的输入端，电机驱动器的输出端通过多功能电源理线盒电连接减速电机；
15.所述的换向模块还包括第一树莓派，第一树莓派安装在隔层板下方的车体外壳内部；第一树莓派通过多功能电源理线盒电连接蓄电池和转向装置的舵机。
16.所述的驱动模块还包括两个密封定位结构，两个密封定位结构分别固定安装在车体外壳的外侧面，并分别连接驱动轴的两侧；
17.所述的密封定位结构包括轴端定位挡片和密封圈，密封圈套装在驱动轴上并密封在驱动轴穿设过车体外壳的穿设处；驱动轴穿出车体外壳后，穿设过轴端定位挡片再与驱动轮相连接。
18.在检测小车的车体外壳的其它缝隙处可以通过施加胶水进行防水处理。
19.所述的检测小车还包括若干销，车体外壳通过若干销固定搭构。
20.所述的伸缩结构包括丝杠传动装置、两个推杆传动装置和电机齿轮驱动装置，电机齿轮驱动装置安装在隔离板顶面，丝杠传动装置和两个推杆传动装置安装在电机齿轮驱动装置上；
21.电机齿轮驱动装置包括联轴器、后支撑架、前支撑架、固定支架、标准圆柱齿轮对、步进电机、步进电机驱动器、轴承和圆柱齿轮轴；隔层板顶面自后往前依次安装有后支撑架、前支撑架和固定支架，标准圆柱齿轮对、轴承和圆柱齿轮轴安装在固定支架内，步进电机驱动器安装在后支撑架内，步进电机安装在前支撑架内；丝杠传动装置和两个推杆传动装置通过后支撑架和前支撑架水平安装在步进电机和步进电机驱动器上方，丝杠传动装置和两个推杆传动装置穿设过固定支架后与检测定位系统的系统壳体相连接；
22.所述的标准圆柱齿轮对包括两个竖直布置并相互啮合的标准圆柱齿轮；步进电机驱动器的脉冲输出端连接步进电机，步进电机的输出轴通过联轴器同步连接圆柱齿轮轴的一端，圆柱齿轮轴外固定套装有标准圆柱齿轮对下部的一个圆柱齿轮，圆柱齿轮轴的另一端的通过轴承活动支撑在固定支架的内壁面；标准圆柱齿轮对上部的一个圆柱齿轮固定套装在丝杠传动装置上。
23.plc控制器的输入端通过穿过隔层板的电线电连接步进电机驱动器。
24.所述的丝杠传动装置安装在两个推杆传动装置之间并相互平行且互不接触，丝杠传动装置和两个推杆传动装置的长度方向为智能小车的车身长度方向；
25.丝杠传动装置包括梯形丝杠、丝杠套筒和轴承，丝杠套筒通过后支撑架和前支撑架水平可旋转地安装在步进电机和步进电机驱动器上方，丝杠套筒螺纹套装在梯形丝杠外，丝杠套筒前端穿设入固定支架内并固定套装有标准圆柱齿轮对上部的一个圆柱齿轮，丝杠套筒通过轴承活动支撑在固定支架的内壁面，丝杠套筒内的梯形丝杠自固定支架中穿
设出并固定连接检测定位系统的系统壳体；
26.推杆传动装置包括推杆和推杆套筒，推杆平行于梯形丝杠，推杆套筒通过后支撑架和前支撑架水平固定安装在步进电机和步进电机驱动器上方，推杆套筒活动套装在推杆上，推杆套筒穿设至固定支架内，推杆套筒内的推杆自固定支架中穿设出并固定连接检测定位系统的系统壳体。
27.所述的伸缩结构采用齿轮传动和丝杠传动相结合的方式，当智能小车遇见无法通过的下水管道内的障碍和缺陷时，伸缩结构将检测定位系统向前伸出进而检测障碍和缺陷处。
28.所述的检测定位系统还包括第三舵机、第四舵机、舵机支架和舵机旋转轴套件；
29.所述的系统壳体包括第一壳体、第二壳体、第三壳体和第四壳体，第一壳体的上方自下而上依次安装第二壳体和第三壳体，第一壳体的前侧开设有凹槽，第四壳体安装在凹槽内；第一壳体固定连接伸缩结构，即第一壳体固定连接推杆和梯形丝杠；
30.第一壳体内通过舵机支架安装有第四舵机，第四舵机的输出轴水平穿过第一壳体后和第四壳体同步连接，第四舵机的输出轴垂直于智能小车的轴向方向；第二壳体内安装有第三舵机，第三舵机的输出轴朝上并穿过第二壳体后和舵机旋转轴套件固接，舵机旋转轴套件上固定有第三壳体。
31.所述的检测定位系统还包括第二树莓派和电池；所述的检测模块包括超声波传感器、激光位移传感器和夜视相机，所述的定位模块包括陀螺仪和激光雷达传感器；电池电连接第二树莓派，第二树莓派无线连接外部计算机；超声波传感器、激光位移传感器、夜视相机、陀螺仪和激光雷达传感器均电连接第二树莓派；
32.第一壳体内安装有第二树莓派、电池、陀螺仪和第四舵机，第二壳体内安装有第三舵机和舵机旋转轴套件，第三壳体内安装有超声波传感器和激光雷达传感器，第四壳体内安装有激光位移传感器和夜视相机；第四壳体内的激光位移传感器和夜视相机的镜头穿过第四壳体的前侧面并朝向智能小车的前方；第三壳体内的超声波传感器的镜头穿过第三壳体的前侧面并朝向智能小车的前方，第三壳体内的激光雷达传感器的镜头穿过第三壳体的后侧面并朝向智能小车的后方。
33.第三舵机的输出轴旋转带动第三壳体绕第三舵机的输出轴转动，使得第三壳体内的超声波传感器和激光雷达传感器能够全方位的观察智能小车前后方的状况和采集数据。
34.第四舵机的输出轴旋转带动第四壳体绕第四舵机的输出轴转动，使得第四壳体内的激光位移传感器和夜视相机能够全方位的观察智能小车前方的状况和采集数据。
35.当智能小车在下水管道中行驶时，则通过驱动模块的plc控制器控制减速电机的输出轴的启动和正转，使得锥齿轮对的较小锥齿轮旋转，带动较大锥齿轮旋转，进而带动驱动轴绕自身轴线旋转，从而带动两个驱动轮驱动智能小车启动并向前行驶；当智能小车加速或减速行驶，则控制减速电机的输出轴加速转动或减速转动；当智能小车后退行驶，则控制减速电机的输出轴的反转；当小车转向时，则通过换向模块利用第一树莓派的脉宽调制pwm来控制智能小车的舵机的输出轴的启动、停止和正反转，使换向锥齿轮传动结构的锥齿轮对的较小锥齿轮旋转，带动较大锥齿轮旋转，进而带动连接较大锥齿轮的l型锥齿轮转向轴的一段轴绕自身轴线旋转，使得l型锥齿轮转向轴的另一段轴绕锥齿轮转向轴的折弯处在水平面上旋转，带动转向轮启动、停止或绕锥齿轮转向轴的折弯处在水平面上旋转，实现
智能小车的左右转，以实现智能小车的灵活避障和转弯；舵机通过锥齿轮对的传动改变智能小车的转动方向，转向轮的转动角度可以由锥齿轮对的转动齿数进行判定，通过调节锥齿轮对的转动齿数来调节转向轮的转动角度，以此实现双舵机转向；
36.检测定位系统的定位模块通过陀螺仪三分量方向加速度的测量获取智能小车的轨迹参数并传输至第二树莓派进而传输至外部计算机，外部计算机进行轨迹参数分析获得智能小车移动的角度并通过二次积分计算出智能小车的位移，进而计算获得智能小车的陀螺仪轨迹数据，并通过陀螺仪轨迹数据绘制智能小车的行驶轨迹；通过激光雷达传感器实时测量获得智能小车的实时测距数据并传输至第二树莓派进而传输至外部计算机，外部计算机进行实时测距数据分析获得智能小车的激光轨迹数据，并通过激光轨迹数据绘制智能小车的行驶轨迹；计算机将获取的智能小车的两种轨迹进行对比分析，获取智能小车的最终精确的定位轨迹数据；
37.当智能小车靠近下水管道障碍和缺陷时，则控制减速电机的输出轴停止转动，使得智能小车停止行驶；此时检测定位系统的检测模块通过超声波传感器、激光位移传感器和夜视相机获取下水管道内的障碍和缺陷处的数据，夜视相机采集下水管道内的障碍和缺陷处的图像数据，超声波传感器检测障碍和缺陷处的位置，激光位移传感器对障碍和缺陷处的位置进行定位，并将获取的障碍和缺陷处的数据传输至第二树莓派中进行数据分析，第二树莓派和外部计算机对下水管道内的障碍和缺陷进行定位和分析判定；检测时第二树莓派控制第三舵机和第四舵机的输出轴往复转动，进而驱动超声波传感器、激光位移传感器和夜视相机转动实现下水管道内的障碍和缺陷的全方位观察和数据采集；所述的激光位移传感器位于夜视相机的下方，利用三角法可以对2000mm内的短距离的下水管道内的障碍和缺陷进行更高精度的定位，将定位数据的误差降低。
38.当智能小车无法靠近下水管道障碍和缺陷时，则控制减速电机的输出轴停止转动，使得智能小车停止行驶；此时使用plc控制器通过脉冲数调节步进电机驱动器驱动步进电机的输出轴正向转动，带动圆柱齿轮轴和标准圆柱齿轮对下部的一个标准圆柱齿轮绕自身轴线旋转，带动标准圆柱齿轮对上部的一个标准圆柱齿轮绕自身轴线旋转，带动丝杠套筒绕自身轴线旋转，使得丝杠套筒内啮合的梯形丝杠沿自身轴线方向向前移动，从而带动推杆一起推动检测定位系统的系统壳体从初始位置向前移动，直至检测定位系统靠近下水管道障碍和缺陷处；此时通过检测定位系统的检测模块和外部计算机对下水管道内的障碍和缺陷进行定位和分析判定；当检测结束时，步进电机驱动器驱动步进电机的输出轴反向转动，从而带动检测定位系统的系统壳体向后移动回至初始位置。
39.丝杠套筒带动梯形丝杠沿自身轴线方向移动时，丝杠套筒会产生使得梯形丝杠绕自身轴线方向发生转动的圆周力，推杆和推杆套筒会平衡掉这种圆周力，使得梯形丝杠只能沿自身轴线方向移动。
40.可以通过标准圆柱齿轮传动比、梯形丝杠传动比和梯形丝杠的导程计算出步进电机输出轴转动的圈数，以确定plc控制器发出的脉冲数，通过提前设置梯形丝杠前进后退的脉动数，就可以控制梯形丝杠前后移动的距离，也可以通过对智能小车加装传感器来实现控制梯形丝杠前后移动的距离。
41.本发明的有益效果是：
42.本发明提供了一种能够适应多种情况的管道检测小车，利用伸缩结构和舵机使得
小车在遭遇有较大凹陷地形或障碍时可以进一步检测判断管道缺陷。利用超声波和视觉的双重检测可以更加精准获得管道缺陷的数据，超声波传感器可以由舵机转动对缺陷进行进一步的定位捕捉。其中夜视相机下的激光位移传感器也可以通过三角法对2000mm以内的障碍物进行较高精度的距离测量，(还利用了激光雷达和陀螺仪的双重定位，提高小车的定位效果。
附图说明
43.图1为本发明的整体结构示意图；
44.图2为检测小车的驱动模块和换向模块示意图；
45.图3为检测小车的转向轮示意图；
46.图4为伸缩结构示意图；
47.图5为伸缩结构局部剖视示意图；
48.图6为伸缩结构俯视示意图；
49.图7为检测定位系统局部结构示意图；
50.图8为检测定位系统舵机示意图；
51.图9为激光雷达传感器位置示意图；
52.图10为检测小车的密封定位结构示意图；
53.图11为智能小车工作示意图；
54.图中：1、推杆，2、超声波传感器，3、转向轮，4、驱动轮，5、激光位移传感器，6、夜视相机，7、锥齿轮传动轴套，8、销，9、减速电机，10、plc控制器，11、锥齿轮对，12、驱动轴，13、轴端定位挡片，14、第一树莓派，15、蓄电池，16、多功能电源理线盒，17、舵机，18、舵机，19、锥齿轮转向轴，20、电机驱动器，21、转向轮，22、形丝杠，23、推杆套筒，24、推杆，25、联轴器，26、后支撑架，27、前支撑架，28、固定支架，29、丝杠套筒，30、标准圆柱齿轮对，31、步进电机，32、步进电机驱动器，33、隔层板，34、轴承，35、圆柱齿轮轴，36、第二树莓派，37、电池，38、陀螺仪，39、第三舵机，40、第四舵机，41、舵机支架，42、舵机旋转轴套件，43、激光雷达传感器，44、密封圈。
具体实施方式
55.下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
56.如图1所示，下水管道智能小车包括检测小车、伸缩结构和检测定位系统；检测小车包括车体外壳、驱动模块和换向模块，驱动模块和换向模块安装在车体外壳的下部，驱动模块和换向模块电连接；伸缩结构安装在车体外壳的上部，检测定位系统安装在车体外壳外部，伸缩结构和检测定位系统相连接；检测定位系统包括系统壳体、检测模块和定位模块，检测模块和定位模块安装在系统壳体内，系统壳体和伸缩结构相连接。伸缩结构用于延长检测定位系统的轴向检测距离；检测定位系统用于收集下水管道管壁缺陷或障碍的图像以及智能小车的位移数据。
57.如图2所示，驱动模块包括两个驱动轮4、减速电机9、锥齿轮对11和驱动轴12；检测小车的车体外壳的内部中间水平安装有隔层板33，减速电机9、锥齿轮对11和驱动轴12安装在隔层板33下方的车体外壳内部，两个驱动轮4分别安装在车体外壳外部的后方两侧；减速
电机9的输出轴通过锥齿轮对11连接驱动轴12，驱动轴12的两端分别水平穿设出车体外壳的对称两侧并分别固定连接两个驱动轮4的中心；换向模块包括两个转向装置，转向装置包括转向轮3、21、换向锥齿轮传动结构和舵机18、17，舵机18、17安装在隔层板33下方的车体外壳内部，转向轮3和换向锥齿轮传动结构安装在车体外壳外部的前方一侧，舵机18、17的输出轴通过换向锥齿轮传动结构连接转向轮3的中心。
58.锥齿轮对11包括较小锥齿轮和较大锥齿轮，驱动模块的减速电机9的输出轴同步连接较小锥齿轮的中心，较大锥齿轮固定套装在驱动轴12上；减速电机9的输出轴和驱动轴12相互垂直，两个锥齿轮垂直啮合，驱动模块的锥齿轮对11将扭矩传递到驱动轴12上；换向锥齿轮传动结构包括锥齿轮对11和锥齿轮转向轴19，换向锥齿轮传动结构还包括锥齿轮传动轴套7，锥齿轮传动轴套7套装在舵机18的输出轴上；舵机18的输出轴同步连接换向锥齿轮传动结构的锥齿轮对11的较小锥齿轮，较大锥齿轮固定套装在锥齿轮转向轴19的一端，锥齿轮转向轴19的另一端固定连接第一转向轮3的中心；换向模块的锥齿轮对11将扭矩传递到锥齿轮转向轴19上；锥齿轮转向轴19同时通过支架水平铰接于车体外壳的侧面；锥齿轮转向轴19为l型轴结构，如图3所示。
59.驱动模块还包括plc控制器10、蓄电池15、多功能电源理线盒16和电机驱动器20，plc控制器10、蓄电池15、多功能电源理线盒16和电机驱动器20安装在隔层板33下方的车体外壳内部；plc控制器10通过多功能电源理线盒16电连接蓄电池15和电机驱动器20的输入端，电机驱动器20的输出端通过多功能电源理线盒16电连接减速电机9；换向模块还包括第一树莓派14，第一树莓派14安装在隔层板33下方的车体外壳内部；第一树莓派14通过多功能电源理线盒16电连接蓄电池15和转向装置的舵机18、17。
60.如图10所示，驱动模块还包括两个密封定位结构，两个密封定位结构分别固定安装在车体外壳的外侧面，并分别连接驱动轴12的两侧；密封定位结构包括轴端定位挡片13和密封圈44，密封圈44套装在驱动轴12上并密封在驱动轴12穿设过车体外壳的穿设处；驱动轴12穿出车体外壳后，穿设过轴端定位挡片13再与驱动轮4相连接。在检测小车的车体外壳的其它缝隙处可以通过施加胶水进行防水处理。检测小车还包括若干销8，车体外壳通过若干销8固定搭构。
61.如图4、图5和图6所示，伸缩结构包括丝杠传动装置、两个推杆传动装置和电机齿轮驱动装置，电机齿轮驱动装置安装在隔离板33顶面，丝杠传动装置和两个推杆传动装置安装在电机齿轮驱动装置上；伸缩结构采用齿轮传动和丝杠传动相结合的方式，当智能小车遇见无法通过的下水管道内的障碍和缺陷时，伸缩结构将检测定位系统向前伸出进而检测障碍和缺陷处。
62.电机齿轮驱动装置包括联轴器25、后支撑架26、前支撑架27、固定支架28、标准圆柱齿轮对30、步进电机31、步进电机驱动器32、轴承34和圆柱齿轮轴35；隔层板33顶面自后往前依次安装有后支撑架26、前支撑架27和固定支架28，标准圆柱齿轮对30、轴承34和圆柱齿轮轴35安装在固定支架28内，步进电机驱动器32安装在后支撑架26内，步进电机31安装在前支撑架27内；丝杠传动装置和两个推杆传动装置通过后支撑架26和前支撑架27水平安装在步进电机31和步进电机驱动器32上方，丝杠传动装置和两个推杆传动装置穿设过固定支架28后与检测定位系统的系统壳体相连接。
63.标准圆柱齿轮对30包括两个竖直布置并相互啮合的标准圆柱齿轮；步进电机驱动
器32的脉冲输出端连接步进电机31，步进电机31的输出轴通过联轴器25同步连接圆柱齿轮轴35的一端，圆柱齿轮轴35外固定套装有标准圆柱齿轮对30下部的一个圆柱齿轮，圆柱齿轮轴35的另一端的通过轴承34活动支撑在固定支架28的内壁面；标准圆柱齿轮对30上部的一个圆柱齿轮固定套装在丝杠传动装置上。plc控制器10的输入端通过穿过隔层板33的电线电连接步进电机驱动器32。
64.丝杠传动装置安装在两个推杆传动装置之间并相互平行且互不接触，丝杠传动装置和两个推杆传动装置的长度方向为智能小车的车身长度方向；丝杠传动装置包括梯形丝杠22、丝杠套筒29和轴承34，丝杠套筒29通过后支撑架26和前支撑架27水平可旋转地安装在步进电机31和步进电机驱动器32上方，丝杠套筒29螺纹套装在梯形丝杠22外，丝杠套筒29前端穿设入固定支架28内并固定套装有标准圆柱齿轮对30上部的一个圆柱齿轮，丝杠套筒29通过轴承34活动支撑在固定支架28的内壁面，丝杠套筒29内的梯形丝杠22自固定支架28中穿设出并固定连接检测定位系统的系统壳体。
65.推杆传动装置包括推杆1和推杆套筒23，推杆1、24平行于梯形丝杠22，推杆套筒23通过后支撑架26和前支撑架27水平固定安装在步进电机31和步进电机驱动器32上方，推杆套筒23活动套装在推杆1、24上，推杆套筒23穿设至固定支架28内，推杆套筒23内的推杆1、24自固定支架28中穿设出并固定连接检测定位系统的系统壳体。
66.如图7、图8和图9所示，检测定位系统还包括第三舵机39、第四舵机40、舵机支架41和舵机旋转轴套件42；系统壳体包括第一壳体、第二壳体、第三壳体和第四壳体，第一壳体的上方自下而上依次安装第二壳体和第三壳体，第一壳体的前侧开设有凹槽，第四壳体安装在凹槽内；第一壳体固定连接伸缩结构，即第一壳体固定连接推杆1、24和梯形丝杠22；第一壳体内通过舵机支架41安装有第四舵机40，第四舵机40的输出轴水平穿过第一壳体后和第四壳体同步连接，第四舵机40的输出轴垂直于智能小车的轴向方向；第二壳体内安装有第三舵机39，第三舵机39的输出轴朝上并穿过第二壳体后和舵机旋转轴套件42固接，舵机旋转轴套件42上固定有第三壳体。
67.检测定位系统还包括第二树莓派36和电池37；所述的检测模块包括超声波传感器2、激光位移传感器5和夜视相机6，所述的定位模块包括陀螺仪38和激光雷达传感器43；电池37电连接第二树莓派36，第二树莓派36无线连接外部计算机；超声波传感器2、激光位移传感器5、夜视相机6、陀螺仪38和激光雷达传感器43均电连接第二树莓派36。
68.第一壳体内安装有第二树莓派36、电池37、陀螺仪38和第四舵机40，第二壳体内安装有第三舵机39和舵机旋转轴套件42，第三壳体内安装有超声波传感器2和激光雷达传感器43，第四壳体内安装有激光位移传感器5和夜视相机6；第四壳体内的激光位移传感器5和夜视相机6的镜头穿过第四壳体的前侧面并朝向智能小车的前方；第三壳体内的超声波传感器2的镜头穿过第三壳体的前侧面并朝向智能小车的前方，第三壳体内的激光雷达传感器43的镜头穿过第三壳体的后侧面并朝向智能小车的后方。
69.第三舵机39的输出轴旋转带动第三壳体绕第三舵机39的输出轴转动，使得第三壳体内的超声波传感器2和激光雷达传感器43能够全方位的观察智能小车前后方的状况和采集数据。第四舵机40的输出轴旋转带动第四壳体绕第四舵机40的输出轴转动，使得第四壳体内的激光位移传感器5和夜视相机6能够全方位的观察智能小车前方的状况和采集数据。
70.本发明的工作过程如下：
71.当智能小车在下水管道中行驶时，则通过驱动模块的plc控制器10控制减速电机9的输出轴的启动和正转，使得锥齿轮对11的较小锥齿轮旋转，带动较大锥齿轮旋转，进而带动驱动轴12绕自身轴线旋转，从而带动两个驱动轮4驱动智能小车启动并向前行驶；当智能小车加速或减速行驶，则控制减速电机9的输出轴加速转动或减速转动；当智能小车后退行驶，则控制减速电机9的输出轴的反转；当小车转向时，则通过换向模块利用第一树莓派14的脉宽调制pwm来控制智能小车的舵机18、17的输出轴的启动、停止和正反转，使换向锥齿轮传动结构的锥齿轮对11的较小锥齿轮旋转，带动较大锥齿轮旋转，进而带动连接较大锥齿轮的l型锥齿轮转向轴19的一段轴绕自身轴线旋转，使得l型锥齿轮转向轴19的另一段轴绕锥齿轮转向轴19的折弯处在水平面上旋转，带动转向轮3、21启动、停止或绕锥齿轮转向轴19的折弯处在水平面上旋转，实现智能小车的左右转，以实现智能小车的灵活避障和转弯；舵机18、17通过锥齿轮对11的传动改变智能小车的转动方向，转向轮3、21的转动角度可以由锥齿轮对11的转动齿数进行判定，通过调节锥齿轮对11的转动齿数来调节转向轮3、21的转动角度，以此实现双舵机转向。
72.检测定位系统的定位模块通过陀螺仪38三分量方向加速度的测量获取智能小车的轨迹参数并传输至第二树莓派36进而传输至外部计算机，外部计算机进行轨迹参数分析获得智能小车移动的角度并通过二次积分计算出智能小车的位移，进而计算获得智能小车的陀螺仪轨迹数据，并通过陀螺仪轨迹数据绘制智能小车的行驶轨迹；通过激光雷达传感器43实时测量获得智能小车的实时测距数据并传输至第二树莓派36进而传输至外部计算机，外部计算机进行实时测距数据分析获得智能小车的激光轨迹数据，并通过激光轨迹数据绘制智能小车的行驶轨迹；计算机将获取的智能小车的两种轨迹进行对比分析，获取智能小车的最终精确的定位轨迹数据。
73.当智能小车靠近下水管道障碍和缺陷时，则控制减速电机9的输出轴停止转动，使得智能小车停止行驶；此时检测定位系统的检测模块通过超声波传感器2、激光位移传感器5和夜视相机6获取下水管道内的障碍和缺陷处的数据，夜视相机6采集下水管道内的障碍和缺陷处的图像数据，超声波传感器2检测障碍和缺陷处的位置，激光位移传感器5对障碍和缺陷处的位置进行定位，并将获取的障碍和缺陷处的数据传输至第二树莓派36中进行数据分析，第二树莓派36和外部计算机对下水管道内的障碍和缺陷进行定位和分析判定；检测时第二树莓派36控制第三舵机39和第四舵机40的输出轴往复转动，进而驱动超声波传感器2、激光位移传感器5和夜视相机6转动实现下水管道内的障碍和缺陷的全方位观察和数据采集；所述的激光位移传感器5位于夜视相机6的下方，利用三角法可以对2000mm内的短距离的下水管道内的障碍和缺陷进行更高精度的定位，将定位数据的误差降低。
74.如图11所示，当智能小车无法靠近下水管道障碍和缺陷时，则控制减速电机9的输出轴停止转动，使得智能小车停止行驶；此时使用plc控制器10通过脉冲数调节步进电机驱动器32驱动步进电机31的输出轴正向转动，带动圆柱齿轮轴35和标准圆柱齿轮对30下部的一个标准圆柱齿轮绕自身轴线旋转，带动标准圆柱齿轮对30上部的一个标准圆柱齿轮绕自身轴线旋转，带动丝杠套筒29绕自身轴线旋转，使得丝杠套筒29内啮合的梯形丝杠22沿自身轴线方向向前移动，从而带动推杆1、24一起推动检测定位系统的系统壳体从初始位置向前移动，直至检测定位系统靠近下水管道障碍和缺陷处；此时通过检测定位系统的检测模块和外部计算机对下水管道内的障碍和缺陷进行定位和分析判定；当检测结束时，步进电
机驱动器32驱动步进电机31的输出轴反向转动，从而带动检测定位系统的系统壳体向后移动回至初始位置。
75.丝杠套筒29带动梯形丝杠22沿自身轴线方向移动时，丝杠套筒29会产生使得梯形丝杠22绕自身轴线方向发生转动的圆周力，推杆1、24和推杆套筒23会平衡掉这种圆周力，使得梯形丝杠22只能沿自身轴线方向移动。
76.本发明可以通过标准圆柱齿轮传动比、梯形丝杠22传动比和梯形丝杠22的导程计算出步进电机31输出轴转动的圈数，以确定plc控制器10发出的脉冲数，通过提前设置梯形丝杠22前进后退的脉动数，就可以控制梯形丝杠22前后移动的距离，也可以通过对智能小车加装传感器来实现控制梯形丝杠22前后移动的距离。

技术特征：

1.一种基于视觉、激光和超声波的多角度检测下水管道智能小车，其特征在于：包括检测小车、伸缩结构和检测定位系统；检测小车包括车体外壳、驱动模块和换向模块，驱动模块和换向模块安装在车体外壳的下部，驱动模块和换向模块电连接；伸缩结构安装在车体外壳的上部，检测定位系统安装在车体外壳外部，伸缩结构和检测定位系统相连接；检测定位系统包括系统壳体、检测模块和定位模块，检测模块和定位模块安装在系统壳体内，系统壳体和伸缩结构相连接。2.根据权利要求1所述的一种基于视觉、激光和超声波的多角度检测下水管道智能小车，其特征在于：所述的驱动模块包括两个驱动轮(4)、减速电机(9)、锥齿轮对(11)和驱动轴(12)；检测小车的车体外壳的内部中间水平安装有隔层板(33)，减速电机(9)、锥齿轮对(11)和驱动轴(12)安装在隔层板(33)下方的车体外壳内部，两个驱动轮(4)分别安装在车体外壳外部的后方两侧；减速电机(9)的输出轴通过锥齿轮对(11)连接驱动轴(12)，驱动轴(12)的两端分别水平穿设出车体外壳的对称两侧并分别固定连接两个驱动轮(4)的中心；所述的换向模块包括两个转向装置，转向装置包括转向轮(3、21)、换向锥齿轮传动结构和舵机(18、17)，舵机(18、17)安装在隔层板(33)下方的车体外壳内部，转向轮(3)和换向锥齿轮传动结构安装在车体外壳外部的前方一侧，舵机(18、17)的输出轴通过换向锥齿轮传动结构连接转向轮(3)的中心。3.根据权利要求2所述的一种基于视觉、激光和超声波的多角度检测下水管道智能小车，其特征在于：所述的锥齿轮对(11)包括较小锥齿轮和较大锥齿轮，驱动模块的减速电机(9)的输出轴同步连接较小锥齿轮的中心，较大锥齿轮固定套装在驱动轴(12)上；减速电机(9)的输出轴和驱动轴(12)相互垂直，两个锥齿轮垂直啮合；所述的换向锥齿轮传动结构包括锥齿轮对(11)和锥齿轮转向轴(19)，舵机(18)的输出轴同步连接换向锥齿轮传动结构的锥齿轮对(11)的较小锥齿轮，较大锥齿轮固定套装在锥齿轮转向轴(19)的一端，锥齿轮转向轴(19)的另一端固定连接第一转向轮(3)的中心；锥齿轮转向轴(19)同时通过支架水平铰接于车体外壳的侧面；所述的锥齿轮转向轴(19)为l型轴结构。4.根据权利要求2所述的一种基于视觉、激光和超声波的多角度检测下水管道智能小车，其特征在于：所述的驱动模块还包括plc控制器(10)、蓄电池(15)、多功能电源理线盒(16)和电机驱动器(20)，plc控制器(10)、蓄电池(15)、多功能电源理线盒(16)和电机驱动器(20)安装在隔层板(33)下方的车体外壳内部；plc控制器(10)通过多功能电源理线盒(16)电连接蓄电池(15)和电机驱动器(20)的输入端，电机驱动器(20)的输出端通过多功能电源理线盒(16)电连接减速电机(9)；所述的换向模块还包括第一树莓派(14)，第一树莓派(14)安装在隔层板(33)下方的车体外壳内部；第一树莓派(14)通过多功能电源理线盒(16)电连接蓄电池(15)和转向装置的舵机(18、17)。5.根据权利要求4所述的一种基于视觉、激光和超声波的多角度检测下水管道智能小
车，其特征在于：所述的驱动模块还包括两个密封定位结构，两个密封定位结构分别固定安装在车体外壳的外侧面，并分别连接驱动轴(12)的两侧；所述的密封定位结构包括轴端定位挡片(13)和密封圈(44)，密封圈(44)套装在驱动轴(12)上并密封在驱动轴(12)穿设过车体外壳的穿设处；驱动轴(12)穿出车体外壳后，穿设过轴端定位挡片(13)再与驱动轮(4)相连接。6.根据权利要求2所述的一种基于视觉、激光和超声波的多角度检测下水管道智能小车，其特征在于：所述的伸缩结构包括丝杠传动装置、两个推杆传动装置和电机齿轮驱动装置，电机齿轮驱动装置安装在隔离板(33)顶面，丝杠传动装置和两个推杆传动装置安装在电机齿轮驱动装置上；电机齿轮驱动装置包括联轴器(25)、后支撑架(26)、前支撑架(27)、固定支架(28)、标准圆柱齿轮对(30)、步进电机(31)、步进电机驱动器(32)、轴承(34)和圆柱齿轮轴(35)；隔层板(33)顶面自后往前依次安装有后支撑架(26)、前支撑架(27)和固定支架(28)，标准圆柱齿轮对(30)、轴承(34)和圆柱齿轮轴(35)安装在固定支架(28)内，步进电机驱动器(32)安装在后支撑架(26)内，步进电机(31)安装在前支撑架(27)内；丝杠传动装置和两个推杆传动装置通过后支撑架(26)和前支撑架(27)水平安装在步进电机(31)和步进电机驱动器(32)上方，丝杠传动装置和两个推杆传动装置穿设过固定支架(28)后与检测定位系统的系统壳体相连接；所述的标准圆柱齿轮对(30)包括两个竖直布置并相互啮合的标准圆柱齿轮；步进电机驱动器(32)的输出端连接步进电机(31)，步进电机(31)的输出轴通过联轴器(25)同步连接圆柱齿轮轴(35)的一端，圆柱齿轮轴(35)外固定套装有标准圆柱齿轮对(30)下部的一个圆柱齿轮，圆柱齿轮轴(35)的另一端的通过轴承(34)活动支撑在固定支架(28)的内壁面；标准圆柱齿轮对(30)上部的一个圆柱齿轮固定套装在丝杠传动装置上。plc控制器(10)的输入端通过穿过隔层板(33)的电线电连接步进电机驱动器(32)。7.根据权利要求6所述的一种基于视觉、激光和超声波的多角度检测下水管道智能小车，其特征在于：所述的丝杠传动装置安装在两个推杆传动装置之间并相互平行且互不接触，丝杠传动装置和两个推杆传动装置的长度方向为智能小车的车身长度方向；丝杠传动装置包括梯形丝杠(22)、丝杠套筒(29)和轴承(34)，丝杠套筒(29)通过后支撑架(26)和前支撑架(27)水平可旋转地安装在步进电机(31)和步进电机驱动器(32)上方，丝杠套筒(29)螺纹套装在梯形丝杠(22)外，丝杠套筒(29)前端穿设入固定支架(28)内并固定套装有标准圆柱齿轮对(30)上部的一个圆柱齿轮，丝杠套筒(29)内的梯形丝杠(22)自固定支架(28)中穿设出并固定连接检测定位系统的系统壳体；推杆传动装置包括推杆(1)和推杆套筒(23)，推杆(1、24)平行于梯形丝杠(22)，推杆套筒(23)通过后支撑架(26)和前支撑架(27)水平固定安装在步进电机(31)和步进电机驱动器(32)上方，推杆套筒(23)活动套装在推杆(1、24)上，推杆套筒(23)穿设至固定支架(28)内，推杆套筒(23)内的推杆(1、24)自固定支架(28)中穿设出并固定连接检测定位系统的系统壳体。
8.根据权利要求1所述的一种基于视觉、激光和超声波的多角度检测下水管道智能小车，其特征在于：所述的检测定位系统还包括第三舵机(39)、第四舵机(40)、舵机支架(41)和舵机旋转轴套件(42)；所述的系统壳体包括第一壳体、第二壳体、第三壳体和第四壳体，第一壳体的上方自下而上依次安装第二壳体和第三壳体，第一壳体的前侧开设有凹槽，第四壳体安装在凹槽内；第一壳体固定连接伸缩结构；第一壳体内通过舵机支架(41)安装有第四舵机(40)，第四舵机(40)的输出轴水平穿过第一壳体后和第四壳体同步连接；第二壳体内安装有第三舵机(39)，第三舵机(39)的输出轴朝上并穿过第二壳体后和舵机旋转轴套件(42)固接，舵机旋转轴套件(42)上固定有第三壳体。9.根据权利要求8所述的一种基于视觉、激光和超声波的多角度检测下水管道智能小车，其特征在于：所述的检测定位系统还包括第二树莓派(36)和电池(37)；所述的检测模块包括超声波传感器(2)、激光位移传感器(5)和夜视相机(6)，所述的定位模块包括陀螺仪(38)和激光雷达传感器(43)；电池(37)电连接第二树莓派(36)，第二树莓派(36)无线连接外部计算机；超声波传感器(2)、激光位移传感器(5)、夜视相机(6)、陀螺仪(38)和激光雷达传感器(43)均电连接第二树莓派(36)；第一壳体内安装有第二树莓派(36)、电池(37)、陀螺仪(38)和第四舵机(40)，第二壳体内安装有第三舵机(39)和舵机旋转轴套件(42)，第三壳体内安装有超声波传感器(2)和激光雷达传感器(43)，第四壳体内安装有激光位移传感器(5)和夜视相机(6)；第四壳体内的激光位移传感器(5)和夜视相机(6)的镜头穿过第四壳体的前侧面并朝向智能小车的前方；第三壳体内的超声波传感器(2)的镜头穿过第三壳体的前侧面并朝向智能小车的前方，第三壳体内的激光雷达传感器(43)的镜头穿过第三壳体的后侧面并朝向智能小车的后方。10.应用于权利要求1-8所述的下水管道智能小车的一种检测方法，其特征在于：当智能小车在下水管道中行驶时，则通过驱动模块的plc控制器(10)控制减速电机(9)的输出轴的启动和正转，使得锥齿轮对(11)的较小锥齿轮旋转，带动较大锥齿轮旋转，进而带动驱动轴(12)绕自身轴线旋转，从而带动两个驱动轮(4)驱动智能小车启动并向前行驶；当智能小车加速或减速行驶，则控制减速电机(9)的输出轴加速转动或减速转动；当智能小车后退行驶，则控制减速电机(9)的输出轴的反转；当小车转向时，则通过换向模块利用第一树莓派(14)来控制智能小车的舵机(18、17)的输出轴的启动、停止和正反转，使换向锥齿轮传动结构的锥齿轮对(11)的较小锥齿轮旋转，带动较大锥齿轮旋转，进而带动连接较大锥齿轮的l型锥齿轮转向轴(19)的一段轴绕自身轴线旋转，使得l型锥齿轮转向轴(19)的另一段轴绕锥齿轮转向轴(19)的折弯处在水平面上旋转，带动转向轮(3、21)启动、停止或绕锥齿轮转向轴(19)的折弯处在水平面上旋转，实现智能小车的左右转；检测定位系统的定位模块通过陀螺仪(38)的测量获取智能小车的轨迹参数并传输至第二树莓派(36)进而传输至外部计算机，外部计算机进行轨迹参数分析计算获得智能小车的陀螺仪轨迹数据，并通过陀螺仪轨迹数据绘制智能小车的行驶轨迹；通过激光雷达传感器(43)实时测量获得智能小车的实时测距数据并传输至第二树莓派(36)进而传输至外部计算机，外部计算机进行实时测距数据分析获得智能小车的激光轨迹数据，并通过激光轨
迹数据绘制智能小车的行驶轨迹；计算机将获取的智能小车的两种轨迹进行对比分析，获取智能小车的最终定位轨迹数据；当智能小车靠近下水管道障碍和缺陷时，则控制减速电机(9)的输出轴停止转动，使得智能小车停止行驶；此时检测定位系统的检测模块通过超声波传感器(2)、激光位移传感器(5)和夜视相机(6)获取下水管道内的障碍和缺陷处的数据，夜视相机(6)采集下水管道内的障碍和缺陷处的图像数据，超声波传感器(2)检测障碍和缺陷处的位置，激光位移传感器(5)对障碍和缺陷处的位置进行定位，并将获取的障碍和缺陷处的数据传输至第二树莓派(36)中进行数据分析，第二树莓派(36)和外部计算机对下水管道内的障碍和缺陷进行定位和分析判定；检测时第二树莓派(36)控制第三舵机(39)和第四舵机(40)的输出轴往复转动，进而驱动超声波传感器(2)、激光位移传感器(5)和夜视相机(6)转动实现下水管道内的障碍和缺陷的全方位观察和数据采集；当智能小车无法靠近下水管道障碍和缺陷时，则控制减速电机(9)的输出轴停止转动，使得智能小车停止行驶；此时使用plc控制器(10)调节步进电机驱动器(32)驱动步进电机(31)的输出轴正向转动，带动圆柱齿轮轴(35)和标准圆柱齿轮对(30)下部的一个标准圆柱齿轮绕自身轴线旋转，带动标准圆柱齿轮对(30)上部的一个标准圆柱齿轮绕自身轴线旋转，带动丝杠套筒(29)绕自身轴线旋转，使得丝杠套筒(29)内啮合的梯形丝杠(22)沿自身轴线方向向前移动，从而带动推杆(1、24)一起推动检测定位系统的系统壳体从初始位置向前移动，直至检测定位系统靠近下水管道障碍和缺陷处；此时通过检测定位系统的检测模块和外部计算机对下水管道内的障碍和缺陷进行定位和分析判定；当检测结束时，步进电机驱动器(32)驱动步进电机(31)的输出轴反向转动，从而带动检测定位系统的系统壳体向后移动回至初始位置。

技术总结

本发明公开了一种基于视觉、激光和超声波的多角度检测下水管道智能小车。下水管道智能小车包括检测小车、伸缩结构和检测定位系统；驱动模块和换向模块安装在车体外壳的下部，驱动模块和换向模块电连接；伸缩结构安装在车体外壳的上部，检测定位系统安装在车体外壳外部，伸缩结构和检测定位系统相连接；检测模块和定位模块安装在系统壳体内，系统壳体和伸缩结构相连接。本发明提供了一种能够适应多种情况的管道智能小车，利用伸缩结构和检测定位系统使得小车在遭遇凹陷或障碍时可进一步靠近并检测管道缺陷，利用视觉、激光和超声波多角度检测可更精准获得管道缺陷数据，并可对缺陷处进行精确定位捕捉和距离测量。处进行精确定位捕捉和距离测量。处进行精确定位捕捉和距离测量。