面向復雜環境的四旋翼無人機飛行器系統及飛行方法技術方案

本發明專利技術提供一種面向復雜環境的四旋翼無人機飛行器系統及飛行方法，包括螺旋槳、電機、機臂、飛行控制器、電子調速器、云臺及減震裝置、激光雷達、深度攝像頭、電池、板載電腦、運行狀態指示燈、GPS模塊、機架和超聲波傳感器，螺旋槳安裝在電機上，電機、飛行控制器、電子調速器、運行狀態指示燈和GPS模塊均安裝在機臂上，云臺及減震裝置和機臂與機架連接，機架安裝在無人機整機下部用于飛行起降時的穩定著陸，激光雷達和深度攝像頭連接在云臺及減震裝置上，電池安裝在無人機頂部，板載電腦安裝在無人機機架中心處，超聲波傳感器安裝在板載電腦下方且朝向地面。本發明專利技術提供的無人機飛行器具有很強的全局感官效果，完全自主飛行，不受地面站限制。

Four rotor unmanned aerial vehicle (UAV) aircraft system and flight method for complex environment

The invention provides a method for complex environment of the four rotor UAV flight vehicle system and method, including propellers, motors, machine arm, flight controller, electronic governor, a head and a damping device, laser radar, depth camera, battery, onboard computer, operation state indicator, GPS module, the frame and the ultrasonic sensor. The propeller is installed in the motor, motor, flight controller, electronic governor, operating status indicator and GPS module are installed on the machine arm, a head and a damping device and a machine arm connected with the frame. The frame is arranged on the lower part of the UAV flight and landing landing stability for the laser radar and camera connected to the cloud platform and damping depth device, battery mounted on the UAV onboard computer is installed on the top of the frame at the center of the UAV, onboard ultrasonic sensor installation Underneath the computer and facing the ground. The unmanned aerial vehicle provided by the invention has a strong global sensory effect and is fully autonomous and free from ground station restrictions.

【技術實現步驟摘要】
面向復雜環境的四旋翼無人機飛行器系統及飛行方法
本專利技術涉及無人機控制
，具體涉及一種面向復雜環境的四旋翼無人機飛行器系統及飛行方法。
技術介紹
無人機是一種利用無線電遙控設備和自備的程序控制裝置操縱的非載人飛機，無人機廣泛用于電力、氣象、農業、視頻攝影、搶險救災等行業。然而隨著無人機的應用越發廣泛，作業環境則越來越復雜多變，因而要求無人機更加智能化和便捷化。目前無人機分為手動操作飛行、半自動駕駛飛行及自動駕駛飛行三種飛行方式，前兩種需要飛行操控技術人員實時操作無人機，控制飛行航線。傳統的自動駕駛飛行則是在飛行前規劃航線，將數據導入到無人機控制系統中保存，之后根據衛星定位，實現自動駕駛飛行。在公布日為2016年10月26日、公布號為CN106054870A的專利技術專利申請中，公開了一種無人機的沉浸式導航系統，該系統包括無人機和具有適于指向無人機的控制臺的地面站，以及顯現由無人機的攝像機取得的圖像的虛擬現實眼鏡；該系統還包括根據從地面站接收的成幀指令修改由成像工具取得的圖像的成幀的裝置；其還包括周期性地詳細擬定眼鏡方向與控制臺方向之間的角度差的相對航向確定裝置以及根據所述角度差詳細擬定無人機的成幀指令的裝置。因此，避免當用戶簡單將控制臺和包括頭部的全身轉向無人機以在其移位上跟隨無人機時發生成幀的突然變化。但是，本專利技術的專利技術人經過研究發現，該導航系統需要將所有數據傳輸給地面站處理，然后接受地面站的控制指令；而將圖像交由地面站處理，需要很高的傳輸速度，但高速傳輸的數據通常傳輸距離較近，若地面站距離無人機超過一定的范圍時就會導致無人機失控，因而地面站將導致無人機的飛行范圍受限。在公布日為2015年11月04日、公布號為CN105015767A的專利技術專利申請中，公開了一種具有消防偵察功能的多旋翼無人機飛行器系統，六支機臂與機架構成多旋翼無人機飛行器系統的機體框架，電機與電子調速器連接以控制螺旋槳葉的轉速，起落架用于飛行起降時的穩定著陸，無人機飛行控制系統用于實現穩定的姿態控制，傳感器與無人機飛行控制系統連接，小型控制計算機與激光測距傳感器通訊連接，將處理后的信號輸入至無人機飛行控制系統中，用于實現室內的三維位置和姿態控制，高清攝像頭與圖像傳輸裝置相連，用于采集環境的視頻圖像，圖像傳輸裝置用于將視頻圖像的信號傳輸至地面站裝置，實現實時觀測。但是，本專利技術的專利技術人經過研究發現，該飛行器系統使用激光測距傳感器僅僅只能獲取一個面內的距離信息，即只能看到二維畫面和場景，沒有SLAM(Simultaneouslocalizationandmapping，即時定位與地圖構建)所以沒有全局觀，無人機的飛行可能陷入死循環。
技術實現思路
針對現有技術存在的地面站將導致無人機的飛行范圍受限，以及無人機沒有全局觀其飛行可能陷入死循環的技術問題，本專利技術提供一種面向復雜環境的四旋翼無人機飛行器系統。為了解決上述技術問題，本專利技術采用了如下的技術方案：一種面向復雜環境的四旋翼無人機飛行器系統，包括螺旋漿、驅動螺旋漿轉動的電機、機臂、飛行控制器、電子調速器、云臺及減震裝置、激光雷達、深度攝像頭、電池、板載電腦、運行狀態指示燈、GPS模塊、機架和超聲波傳感器；其中，所述螺旋漿安裝在電機上，所述電機、飛行控制器、電子調速器、運行狀態指示燈和GPS模塊均安裝在機臂上，所述云臺及減震裝置和機臂均與機架連接，所述機架安裝在無人機整機下部用于所述四旋翼無人機飛行器系統在飛行起降時的穩定著陸，所述激光雷達和深度攝像頭均連接在云臺及減震裝置上，所述電池安裝在無人機頂部，所述板載電腦安裝在無人機機架中心處，所述超聲波傳感器安裝在板載電腦的下方且朝向地面；所述飛行控制器、激光雷達、深度攝像頭、GPS模塊和超聲波傳感器分別與板載電腦連接，所述板載電腦對所述飛行控制器、激光雷達、深度攝像頭、GPS模塊和超聲波傳感器檢測的信息數據進行融合處理，并根據處理結果生成控制指令發送至所述飛行控制器，所述飛行控制器通過電子調速器將控制指令作用到電機上，所述電機帶動螺旋漿轉動實現無人機的飛行控制。進一步，所述飛行控制器內部設有IMU模塊，所述IMU模塊用于檢測無人機飛行過程中的加速度、姿態和磁場強度，并將檢測的數據作為當前飛行狀態信息傳輸給板載電腦。進一步，所述飛行控制器、激光雷達、深度攝像頭、GPS模塊和超聲波傳感器分別通過USB導線與板載電腦連接。進一步，所述飛行控制器與電子調速器連接以PWM方式發送調速信號，所述電子調速器通過三相電線與電機連接，并將控制電壓作用于電機。本專利技術還提供一種面向復雜環境的四旋翼無人機飛行器飛行方法，所述方法采用了前述的面向復雜環境的四旋翼無人機飛行器系統，該方法包括以下步驟：S1、所述板載電腦實時接收GPS模塊的GPS信號，當所述板載電腦接收GPS信號成功時執行步驟S2，反之則執行步驟S3；S2、所述板載電腦接收GPS模塊檢測的無人機當前位置信息、飛行控制器檢測的無人機飛行狀態信息、超聲波傳感器檢測的無人機對地高度信息以及深度攝像頭檢測的無人機前方障礙物信息進行融合處理，重新規劃無人機飛行路徑并生成對應的路徑規劃控制指令，所述板載電腦將控制指令發送至飛行控制器，所述飛行控制器通過電子調速器將控制指令作用到電機上，所述電機帶動螺旋漿轉動實現無人機的飛行控制；S3、所述板載電腦接收飛行控制器檢測的無人機飛行狀態信息、超聲波傳感器檢測的無人機對地高度信息、深度攝像頭檢測的無人機前方點云數據信息以及激光雷達檢測的無人機與周圍障礙物間的距離信息進行SLAM運算，構建出無人機能夠感知周圍場景的三維環境飛行路徑并生成對應的路徑規劃控制指令，所述板載電腦將控制指令發送至飛行控制器，所述飛行控制器通過電子調速器將控制指令發送到電機上，所述電機根據控制指令控制螺旋漿的轉速實現無人機的飛行控制。進一步，所述飛行控制器檢測的無人機飛行狀態信息包括無人機的加速度、無人機的自身姿態和無人機的絕對飛行方向。與現有技術相比，本專利技術提供的面向復雜環境的四旋翼無人機飛行器系統及飛行方法，包括板載電腦及與板載電腦連接的飛行控制器、激光雷達、深度攝像頭、GPS模塊和超聲波傳感器，當無人機處于室外的開闊地帶時，此時GPS信號良好，無人機飛行器系統中的板載電腦將根據GPS模塊、飛行控制器、超聲波傳感器以及深度攝像頭檢測的信息數據進行融合處理，重新規劃無人機飛行路徑并生成對應的路徑規劃控制指令；當無人機處于室內的封閉環境時將會丟失GPS信號，板載電腦接收GPS信號失敗，此時板載電腦將根據飛行控制器、超聲波傳感器、深度攝像頭以及激光雷達檢測的信息數據進行融合處理，構建出無人機能夠感知周圍場景的三維環境飛行路徑并生成對應的路徑規劃控制指令；板載電腦將前述兩種情況下產生的控制指令發送至飛行控制器，飛行控制器通過電子調速器將控制指令發送到電機上，電機根據控制指令控制螺旋漿的轉速實現無人機的飛行控制。因此，本專利技術提供的無人機飛行器系統具有很強的全局感官效果，板載電腦能足以完成環境感知效果的計算，飛行時同時構建出周圍三維環境，即根據飛行之前記錄的目的地在飛行過程中根據環境規劃航線，無人機完全自主飛行，不受地面站的限制，且成本較低。附圖說明圖1是本專利技術提供的面向復雜環境的四旋翼無人機飛行器系統結本文檔來自技高網...

【技術保護點】
面向復雜環境的四旋翼無人機飛行器系統，其特征在于，包括螺旋漿(1)、驅動螺旋漿轉動的電機(2)、機臂(3)、飛行控制器(4)、電子調速器(5)、云臺及減震裝置(6)、激光雷達(7)、深度攝像頭(8)、電池(9)、板載電腦(10)、運行狀態指示燈(11)、GPS模塊(12)、機架(13)和超聲波傳感器；其中，所述螺旋漿(1)安裝在電機(2)上，所述電機(1)、飛行控制器(4)、電子調速器(5)、運行狀態指示燈(11)和GPS模塊(12)均安裝在機臂(3)上，所述云臺及減震裝置(6)和機臂(3)均與機架(13)連接，所述機架(13)安裝在無人機整機下部用于所述四旋翼無人機飛行器系統在飛行起降時的穩定著陸，所述激光雷達(7)和深度攝像頭(8)均連接在云臺及減震裝置(6)上，所述電池(9)安裝在無人機頂部，所述板載電腦(10)安裝在無人機機架中心處，所述超聲波傳感器安裝在板載電腦(10)的下方且朝向地面；所述飛行控制器(4)、激光雷達(7)、深度攝像頭(8)、GPS模塊(12)和超聲波傳感器分別與板載電腦(10)連接，所述板載電腦(10)對所述飛行控制器(4)、激光雷達(7)、深度攝像頭(8)、GPS模塊(12)和超聲波傳感器檢測的信息數據進行融合處理，并根據處理結果生成控制指令發送至所述飛行控制器(4)，所述飛行控制器(4)通過電子調速器(5)將控制指令作用到電機(2)上，所述電機(2)帶動螺旋漿(1)轉動實現無人機的飛行控制。...

【技術特征摘要】
1.面向復雜環境的四旋翼無人機飛行器系統，其特征在于，包括螺旋漿(1)、驅動螺旋漿轉動的電機(2)、機臂(3)、飛行控制器(4)、電子調速器(5)、云臺及減震裝置(6)、激光雷達(7)、深度攝像頭(8)、電池(9)、板載電腦(10)、運行狀態指示燈(11)、GPS模塊(12)、機架(13)和超聲波傳感器；其中，所述螺旋漿(1)安裝在電機(2)上，所述電機(1)、飛行控制器(4)、電子調速器(5)、運行狀態指示燈(11)和GPS模塊(12)均安裝在機臂(3)上，所述云臺及減震裝置(6)和機臂(3)均與機架(13)連接，所述機架(13)安裝在無人機整機下部用于所述四旋翼無人機飛行器系統在飛行起降時的穩定著陸，所述激光雷達(7)和深度攝像頭(8)均連接在云臺及減震裝置(6)上，所述電池(9)安裝在無人機頂部，所述板載電腦(10)安裝在無人機機架中心處，所述超聲波傳感器安裝在板載電腦(10)的下方且朝向地面；所述飛行控制器(4)、激光雷達(7)、深度攝像頭(8)、GPS模塊(12)和超聲波傳感器分別與板載電腦(10)連接，所述板載電腦(10)對所述飛行控制器(4)、激光雷達(7)、深度攝像頭(8)、GPS模塊(12)和超聲波傳感器檢測的信息數據進行融合處理，并根據處理結果生成控制指令發送至所述飛行控制器(4)，所述飛行控制器(4)通過電子調速器(5)將控制指令作用到電機(2)上，所述電機(2)帶動螺旋漿(1)轉動實現無人機的飛行控制。2.根據權利要求1所述的面向復雜環境的四旋翼無人機飛行器系統，其特征在于，所述飛行控制器(4)內部設有IMU模塊，所述IMU模塊用于檢測無人機飛行過程中的加速度、姿態和磁場強度，并將檢測的數據作為當前飛行狀態信息傳輸給板載(10)電腦。3.根據權利要求1所述的面向復雜環境的四旋翼無人機飛行器系統，其特征在于，所述飛行控制器(4)、激光雷達(7)、深度攝像頭(8)、GPS模塊(12)和超聲波傳感器分別通過USB導線與...

【專利技術屬性】
技術研發人員：桂云濤，韓再焜，劉岳，張子豪，方宇欣，
申請(專利權)人：重慶大學，
類型：發明
國別省市：重慶,50