CN102139164A

CN102139164A - 一种自动规避障碍物的飞行装置与方法

Info

Publication number: CN102139164A
Application number: CN 201110031250
Authority: CN
Inventors: 龚小明; 庄志滨
Original assignee: SHENZHEN GELAN ZHITE TECHNOLOGY CO LTD
Current assignee: SHENZHEN GELAN ZHITE TECHNOLOGY CO LTD
Priority date: 2011-01-28
Filing date: 2011-01-28
Publication date: 2011-08-03
Anticipated expiration: 2031-01-28
Also published as: CN102139164B

Abstract

本发明涉及飞行玩具领域，旨在提供了一种自动规避障碍物的飞行装置，所述的飞行装置包括驱动模块M102，用于向所述飞行装置提供驱动动力；超声波发射模块M104，用于超声波的发射；超声波接收模块M105，用于障碍物反射超声波的接收；运动传感模块M101，用于所述飞行装置飞行状态参数的获取；环境参数传感模块M106，用于获取飞行环境的参数；微控制器模块M103，分别与上述各个模块连接，用于计算与所述飞行装置的控制。本发明的有益效果是：通过超声波定位障碍物的距离，并在玩具飞行器与障碍物的距离等于或小于危险距离时，能自动规避，降低了人工操作玩具飞行器的难度，降低了飞行器损坏的机会，消除了潜在的安全隐患。

Description

一种自动规避障碍物的飞行装置与方法

技术领域

本发明涉及飞行玩具领域，尤其涉及应用于飞行玩具的障碍物自动规避的方法与应用该方法的飞行装置。

背景技术

随着人们生活水平的提高，人们的文化生活越来越丰富，遥控飞行装置可以作为一种玩具，其一直受到青少年的喜爱，一方面娱乐了身心，另一方面激发了青少年对科学技术的兴趣。

科技日新月异，遥控玩具飞行器的体积日渐缩小，而可操作性和技术含量越来越高，一些遥控飞机已经能由5-6岁的儿童操纵，一些直升机或者其他飞行器比固定翼飞机所需的场地小，甚至可以在室内操作，这要求玩具飞行器在安全性上有所提高。

一般地，玩具飞行器在空中飞行时靠人为地遥控操作调整其飞行姿态，特别是在狭小的空间如室内飞行时容易碰撞障碍物，造成飞行器损坏，甚至引起安全隐患，如小孩操作玩具飞行器，很容易误操作引起自身或他人的伤害。

发明内容

为了解决现有技术中的上述的飞行装置特别是玩具飞行器容易碰撞障碍物，造成玩具飞碟损毁甚至引起安全隐患的问题，本发明提供了一种自动规避障碍物的飞行装置，所述的飞行装置包括：驱动模块M102，用于向所述飞行装置提供驱动动力；超声波发射模块M104，用于超声波的发射；超声波接收模块M105，用于障碍物反射超声波的接收；运动传感模块M101，用于所述飞行装置飞行状态参数的获取；环境参数传感模块M106，用于获取飞行环境的参数；微控制器模块M103，分别与上述各个模块连接，用于所述飞行装置飞行的计算与控制。

所述的微控制器模块M103具体包括：数据获取模块M201，用于获取包括发射超声波的时间、接收到反射超声波时间、飞行装置运动参数与环境参数；计算模块M202，用于包括实际环境声速的计算与障碍物的距离的计算；控制模块M203，用于控制包括超声波的发送与接收，控制驱动模块M102电机的转动等。

所述的运动传感模块M101设置包括加速度传感器，用于获取所述飞行装置即时飞行加速度；所述的环境参数传感模块M106设置温度传感器，用于获取环境温度。

作为本发明的进一步改进，所述的驱动模块M102包括四个分别设置在所述飞行装置四角的电机模块，每个电机模块由一个电机驱动一个风叶组成。

作为本发明的进一步改进，所述的超声波发射模块M104包括超声发射装置，所述的超声波接收模块M105包括超声接收装置，并且所述的超声发射装置与所述的超声接收装置对应设置在所述飞行装置的上、下、左、右、前、后六个方向。

作为本发明的进一步改进，所述的环境参数传感模块M106还设置环境湿度传感器，用于环境湿度参数的获取；设置大气压传感器，用于环境大气压参数的获取。

一种自动规避障碍物的方法，所述的方法包括如下步骤：

发射超声波，记录发射时间T1；

接收障碍物反射的超声波，判断是否收到反射的超声波回音，如果没有接收到回音，则返回并继续发射超声波，如果接收到反射超声波的回音则记录接收时间T2；

根据环境实际声速与时间T1与T2计算障碍物的距离；

判断该障碍物距离是否是危险的障碍物距离，如是则避开障碍物，否则继续飞行。

作为本发明的进一步改进，上述过程之前还包括环境实际声速的计算步骤，具体在于根据环境温度或者环境温度、空气湿度、气压参数等对声速传播速度的影响计算当前超声波传播的实际速度。

作为本发明的进一步改进，所述的计算危险障碍物的距离的步骤还包括计算在T2-T1时间内飞行器的飞行距离。

作为本发明的进一步改进，所述的避开障碍物具体在于调整每个电机的转速，进而调整飞行装置的飞行姿态，使得飞行装置的加速度不朝飞行速度的方向飞行，达到避开障碍物的效果。

本发明的有益效果是：通过超声波定位障碍物的距离，如在玩具飞行器与障碍物的距离等于或小于危险距离时，飞行装置能自动规避障碍物，降低了人工操作玩具飞行器的难度，降低了飞行器损坏的机会，消除了潜在的安全隐患。

【附图说明】

图1是本发明提供的飞行装置的内部结构模块示意图；

图2是本发明提供的飞行装置的微控制器模块内部结构模块示意图；

图3是本发明提供的飞行装置的外部结构图；

图4是本发明提供的飞行装置中超声波发射模块的电路实现图；

图5是本发明提供的飞行装置中超声波接收模块的电路实现图；

图6是本发明提供的自动规避障碍物的方法的实现流程图。

【具体实施方式】

下面结合附图说明及具体实施方式对本发明进一步说明。

如图1所示为发明提供的飞行装置的结构模块示意图：

如图，所述的飞行装置包括驱动模块M102，该模块包括四个电机模块，每个电机模块由一个电机驱动一个风叶组成，分别分布于所述飞行装置的四角。调整驱动模块M102的四个电机的转速可以实现调整所述飞行装置的飞行姿态，不同的飞行姿态能在水平倾斜方向形成向前的分力与向上的分力，使得飞行装置一方面保持飞行装置重力平衡，另一方面在倾斜的水平方向形成加速度，进而驱动飞行装置的向前运动。飞行装置设置有超声波发射模块M104，超声波接收模块M105，分别用于超声波的发射与接收。超声波发射模块M104与超声波接收模块M105分别有六个超声波发射装置与超声波接收装置，并且一个超声发射装置与一个超声接收装置形成的一组超声装置，分别设置在飞行装置的上下、前后，左右六个方向上。运动传感模块M101，该模块设置有加速度传感器。在本发明的一实施例中，采用MMA7455L加速度传感器，该传感器能在坐标轴六个方向上比较准确的测定飞行装置的加速度。根据飞行装置的加速度数据，经过积分运算可以比较精确地计算当前飞行装置的速度，所述的加速度数据与速度数据能作为操作者或系统调整飞行装置飞行的参考。环境参数传感模块M106，用于获取飞行环境的参数，由于超声波的传输速度受到环境的影响，为了比较准确地计算当前超声波的传输速度，需要获取环境参数。

作为本发明的一实施例，飞行装置需要测量环境温度，并根据温度与声速的对应关系计算声速。

作为本发明的另一实施例，为了更加准确计算超声波的传输速度，还需要考虑空气湿度与大气压的影响，需要设置空气湿度传感器与大气压传感器。

微控制器模块M103，其分别控制超声波发射模块M104发射超声波，并记录发射超声波的时间T1，控制超声波接收模块M105对障碍物反射回来的超声波的接收，并记录接收的时间T2，获取的环境参数用于当前超声速度V1的计算，获取运动传感器模块M101检测运动状态数据，该状态数据包括飞行装置当前的速度V2，计算障碍物距离飞行装置的实际距离S。如果实际距离S是在危险的障碍物距离范围之内，飞行装置自动执行规避障碍物的飞行动作，具体在于调整每个驱动电机的转速，进而调整飞行装置的飞行姿态，使得其加速度偏离障碍物的方向，达到规避障碍物的目的。

如图2所示为本发明提供的飞行装置的微控制器模块内部结构模块示意图：

如图，数据获取模块M201，用于获取包括发射超声波的时间T1、接收到反射超声波时间T2、飞行装置运动参数，这里行装置运动参数主要是指飞行装置的飞行速度与加速度数据。数据获取模块M201还获取环境参数，这里主要是环境温度T_K温度值。计算模块M202，用于包括实际环境声速的计算与障碍物距离的计算，如果只考虑温度对声速的影像，则其计算公式为Ｖ1＝３３１．５＋０．６０７T_K，这样，只要测得超声波发射和接收回波的时间差Δｔ（T2-T1）以及现场环境温度Ｔ，就可以较为精确地计算飞行装置到障碍物之间的距离为Ｓ＝Ｖ1×Δｔ／２。

作为本发明的另一实施例，数据获取模块M201还获取空气湿度W与当前大气压P，计算模块M202需要综合考虑温度，空气湿度，大气压对声速的影响，进而计算声速V1 =331.45((1+T/273.15)(1+O.32×Pw/P))^1/2，其中Pw为空气中水蒸气的分压强（Pw=水的饱和蒸汽压*相对湿度）。

作为本发明的另一实施例，飞行装置和障碍物的距离计算还需要考虑在Δｔ（即T2-T1）中飞行装置的飞行距离，设飞行装置的飞行速度为V2，则推导的计算公式为S=（V1-V2）×（T2-T1）/2。

控制模块M203用于包括控制超声波的发送与接收，如果计算模块M201计算的障碍物距离在危险距离范围之内，如1米，则控制模块M203将控制驱动模块M102调整四个电机的转速，进而调整飞行装置的飞行姿态，达到规避障碍物的目的。

图3为本发明提供的飞行器的外部结构图：

如图，模块M301，M302、M305、M306为所述飞行器的驱动模块，并且驱动模块由四个电机模块组成，每个电机模块由驱动电机与风叶组成，图中M303为风叶，M304为驱动电机。控制调整四个电机的不同转速，能平衡飞行器的飞行姿态，达到调整飞行器平衡与飞行方向的目的。

图4是本发明提供的飞行装置中超声波发射模块的电路实现图：

飞行器在飞行过程中，微处理器会发出一个距离探测指令，时基芯片U14（NE555）将输出一个40KHZ的方波，经功率驱动级U15（MIC4425BM）直接推动超声波发射器J8、J9、J10、J11、J12、J13向飞行器的前、后、左、右、上、下等六个方向发射超声波脉冲串信号，微处理器的数据获取模块M201记录超声波的发射时间。

图5本发明提供的飞行装置中超声波接收模块的电路实现图

在超声波发射器J8、J9、J10、J11、J12、J13对应的前、后、左、右、上、下等六个方向分别安装有六个超声波接收器J1、J2、J3、J4、J5、J6。接收器接收的超声波形成的脉冲信号经放大器U7A，U7B，U7C，U7D四级放大器放大检波后回授到微处理器，微处理器的数据获取模块M201记录该脉冲信号接收的时间，与接收到超声波的方位信息。

图6是本发明提供的自动规避障碍物的方法的实现流程图：

步骤S102，微处理器控制超声波模块发射超声波，并记录超声的发射时间为T1。

步骤S103在于判断飞行装置的六个方向上的超声波接收器是否接收到障碍物反射回来的超声波信号，如果没有接收到超声波信号，则在下一个时钟周期继续发射超声波信号，如果接收到超声波信号的脉冲，则记录该超声波脉冲的接收方位与接收时间T2信息，并进入步骤S104。

在步骤S104中，微处理器计算障碍物和飞行装置的距离，计算方法是Ｓ＝V1（T2-T1）／２，其中V1为经过温度修正的超声波传播速度，并且V1的传播速度为V1＝３３１．５＋０．６０７T_K，T_K为环境温度，进而障碍物的距离为Ｓ＝Ｖ1×Δｔ／２（Δｔ为T1-T2）。

作为本发明的另一实施例，超声波的传输速度需要考虑空气湿度与大气压的影响，其计算公式为V1 =331.45((1+T_K×273.15)(1+O.32×Pw/P))1/2 ，其中Pw为空气中水蒸气的分压强（Pw=水的饱和蒸汽压*相对湿度），P为大气压值，T_K为环境温度值。

作为本发明的另一实施例，飞行装置和障碍物的距离计算还需要考虑在Δｔ（即T2-T1）中飞行装置的飞行距离，障碍物的距离的推导计算公式为S=（V1-V2）×（T2-T1）/2。

在步骤S105中，微处理器判断计算的障碍物距离是否在危险的障碍物距离范围之内，比如1m，如果该距离在危险的障碍物距离之内，则进入步骤S106。

在步骤S106中，微处理器控制电机调整每个相应风叶的转速，进而调整飞行装置的飞行姿态，调整飞行装置的飞行方向，如有必要可以控制飞行装置反方向运动，从而达到规避障碍物的效果。

步骤S107，微处理器侦听操作者是否发送关闭自动规避障碍物的功能，如果使用者关闭自动规避障碍物功能，系统将退出继续发射超声波，否则系统继续发射超声波，继续探测在飞行装置周围是否有潜在的障碍物。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims

1. 一种自动规避障碍物的飞行装置，其特征在于，所述的飞行装置包括：

驱动模块（M102），用于向所述飞行装置提供驱动动力；

超声波发射模块（M104），用于超声波的发射；

超声波接收模块（M105），用于障碍物反射超声波的接收；

环境参数传感模块（M106），用于获取所述飞行装置飞行的环境参数；

微控制器模块（M103），分别与驱动模块（M102），超声波发射模块（M104），超声波接收模块（M105）连接，用于计算与控制所述飞行装置自动规避危险距离内的障碍物。

2.根据权利要求1所述的自动规避障碍物的飞行装置，其特征在于：所述的飞行装置设置有运动传感模块（M101），该模块设置包括加速度传感器，用于获取所述飞行装置即时飞行加速度数据。

3.根据权利要求1或2所述的自动规避障碍物的飞行装置，其特征在于，所述的微控制器模块（M103）具体包括：数据获取模块（M201），用于获取包括发射超声波的时间、接收到反射超声波时间、飞行装置运动参数与影响声速的环境参数；计算模块（M202），用于包括实际环境声速的计算与障碍物距离的计算；控制模块（M203）用于控制包括超声波的发送与接收、驱动模块（M102）电机的转动。

4.根据权利要求1所述的自动规避障碍物的飞行装置，其特征在于：所述的驱动模块（M102）包括四个分别设置在所述飞行装置四角电机模块，每个电机模块包括一个电机，每个电机驱动一个风叶。

5.根据权利要求1所述的自动规避障碍物的飞行装置，其特征在于：所述的超声波发射模块（M104）设置包括超声发射装置，所述的超声波接收模块（M105）设置包括超声接收装置，所述的超声发射装置与所述的超声接收装置对应设置在所述飞行装置的上、下、左、右、前、后六个方向。

6.根据权利要求1所述的自动规避障碍物的飞行装置，其特征在于：所述的环境参数传感模块（M106）设置包括温度传感器，用于获取环境温度值。

7.根据权利要求6所述的自动规避障碍物的飞行装置，其特征在于：所述的环境参数传感模块（M106）还设置环境湿度传感器，用于环境湿度参数的获取；设置大气压传感器，用于环境大气压参数的获取。

8.一种自动规避障碍物的方法，其特征在于，所述的方法包括如下步骤：

S101、发射超声波，记录发射时间T1；

S102、接收障碍物反射的超声波，判断是否收到反射超声波的回音，如接收到回音，则记录接收时间T2，否则返回步骤S101重新发射超声波；

S103、根据环境实际声速与时间T1与T2计算障碍物的距离；

S104、判断是否是危险的障碍物距离，如是则避开障碍物，否则继续飞行。

9.根据权利要求8所述的自动规避障碍物的方法，其特征在于：在所述的步骤S101之前，还包括环境实际声速计算步骤，具体在于根据环境温度或者根据环境温度、空气湿度、大气压参数对声速传播速度的影响计算当前超声波传播的速度。

10. 根据权利要求8所述的自动规避障碍物的方法，其特征在于：所述的步骤S104还包括计算在T2-T1时间内飞行器的飞行距离。