CN103144770A - 一种全自主控制入室环境避障导航微型飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明一种全自主控制入室环境避障导航微型飞行器，包括机体、全自主控制系统、动力装置组和电源组；所述动力装置组包括四个独立动力装置，分别包括无刷电动机、螺旋桨和电子调速器；所述环境识别传感器组，包括二维激光扫描测距仪、微型超声波测距仪、前视摄像机和下视摄像机；所述控制模块包括微型计算机处理器、三轴微型陀螺、三轴微型加速度计和三轴微型磁力计。本发明具有自动识别窗口入室、自主避免与室内墙壁或障碍物碰撞、无需无线电外部控制和卫星接收机导航的室内全自主控制飞行功能。

Description

一种全自主控制入室环境避障导航微型飞行器

 

技术领域

本发明属于一种特种飞行器，尤其涉及一种无需无线电外部控制的、自动控制入室、并能避障全自主导航的微型飞行器。

背景技术

目前的无人机和微型飞行器都离不开无线电遥控遥测装置，尚不具备自主识别环境避开障碍物飞行的功能。微型飞行器未来发展的一个方向，是从户外飞行发展到建筑物间避障自主飞行和入室自主识别环境避免碰撞的飞行，即发展一种入室自主飞行的侦察装置。目前的无人机与微型飞行器已具备一定的自动飞行控制能力，通常尚离不开卫星导航接收机（如GPS或北斗导航接收机），而室内飞行，卫星导航接收装置无效。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是提供一种全自主控制入室环境避障导航微型飞行器，该飞行器具备在离窗口附近起飞后，自动识别窗口并入室，自动识别室内环境，自主避免与墙壁或其他障碍物的碰撞，并根据室内环境全自主规划路径与自主导航飞行能力。

本发明所述的一种全自主控制入室环境避障导航微型飞行器，包括机身、机架、撑杆、全自主控制系统、动力装置组和电源组；

所述机架安装在机身下部，四根撑杆两两对角支撑在机身上，所述动力装置组包括四个动力装置，每个动力装置由安装于撑杆的无刷电动机、连接于无刷电动机轴的螺旋桨和与无刷电动机相连的电子调速器组成；

所述全自主控制系统包括安装于机身上的环境识别传感器组和安装于机身内部的控制模块，环境识别传感器组与控制模块输入端相连，而控制模块输出端与电子调速器的输入端连接，电子调速器的输出端与无刷电动机连接；

所述电源组包括电池和与电源连接的电源分配器，电源分配器再分别连接各动力装置及全自主控制系统。

所述环境识别传感器组包括一个二维激光扫描测距仪、一个微型超声波测距仪、一个前视摄像机和一个下视摄像机，分别安装于机身上部、下部、前部和前下部，4个环境识别传感器都与控制模块电路连接。

所述控制模块包括微型计算机处理器以及分别与该微型计算机处理器连接的三轴微型陀螺、三轴微型加速度计和三轴微型磁力计。

本发明相比现有技术，具有以下优点：

1、具有双路（前视、下视）环境图像识别系统；

2、具有两种测距传感器（二维激光扫描、超声波）组合的障碍识别系统；

3、无需卫星接收机导航；

4、具有集惯性、磁和微型计算机处理器（DSP）组合控制模块，可实现无需无线电外部控制的全自主飞行；

5、适于室内飞行的微型飞行器。

附图说明

图1：全自主控制入室环境避障导航微型飞行器主视图；

    图2：全自主控制入室环境避障导航微型飞行器俯视图；

图3：全自主控制微型飞行器系统组成；

图4：全自主控制微型飞行器硬件连接框图；

    图5：全自主微型飞行器控制系统；

    图6：四旋翼微型飞行器控制运动方向与速度示意图，包括；飞行器转动与受力方向，前飞控制原理和左（右）运动控制原理；

    图7：微型飞行器进入窗户的环境传感与识别原理示意图；

图8：室内走廊环境的透视图像与深度识别原理图；

图9：本发明研制的微型飞行器成功实现自动识别窗户飞入示意图；

图10：本发明研制的微型飞行器成功实现全自主弯道避障飞行示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

（1）本发明的全自主控制入室环境避障导航微型飞行器总体结构如图1、图2和图3所示，包括机体、环境识别传感器组、动力装置组和控制模块。其中机体包括中间的机身8、安装于机身的四个撑杆2、保护框3和机架1。为了保证尽可能减轻机体重量和保证承载的结构强度，机体的所有部件都是用碳纤维复合材料制成。

（2）动力装置组包括安装于机体四个撑杆2外端的四个独立的动力装置，每个动力装置包含一个无刷电动机4、一个电子调速器5和一个螺旋桨6。每个电子调速器5的输入端与控制模块7连接，电子调速器的输出端与无刷电动机连接以控制该电动机的转速；螺旋桨固定连接在无刷电动机的转轴上。电源组包括电池和电源分配器，电池采用可用于动力的聚合物锂电池，电源分配器既给4个动力装置供电，也为环境识别传感器组和控制模块供电。

（3）环境识别传感器组包括一个二维激光扫描测距仪9、一个微型超声波测距仪10、一个前视摄像机11和一个下视摄像机12，其中二维激光扫描测距仪安装于机身上部，便于对前方障碍物扫描，以获得飞行器与障碍物之间的水平距离；其中微型超声波测距仪安装于机身下部，以获得飞行器与地面或地面物体之间的垂直距离；其中前视摄像机安装于机身前部，以获得前方环境的图像；其中下视摄像机安装于机身前下部，以获得下方环境的图像。

（4）控制模块和环境识别传感器组组成全自主控制系统，控制模块由三轴微型陀螺、三轴微型加速度计、三轴微型磁力计和微型计算机处理器及相关电路组成；微型计算机处理器设计有控制程序软件，其中基于前视摄像机、下视摄像机与微型计算机处理器设计环境图像识别程序，通过摄像机获得的图像分析得到三维环境特征点、特征线段以分析出环境的特征形状，从图像前方的透视分析以获得环境特征的深度信息，以规划出前进的导航路线；其中基于二维激光扫描测距仪、微型超声波测距仪与微型计算机处理器设计障碍物识别程序，通过二维激光扫描获得前方和侧方（±120°）障碍物的相对距离，通过下视微型超声波测距仪结合下视图像，获得地面或前下方障碍物的相对距离，由微型计算机处理器分析微型飞行器前、侧、下方障碍物距离分布，结合飞行器的运动状态，以规避飞行中与障碍物碰撞。

（5）全自主综合控制，控制模块由三轴微型陀螺、三轴微型加速度计、三轴微型磁力计和微型计算机处理器，除了控制飞行器本身的稳定性之外，可以测定微型飞行器的姿态、航向、飞行速度，结合近处障碍物位置与分布、环境图像的特征框架、环境图像的深度分析，确定每一步的前进方向、前进速度、避障移动，把飞行器的运动计算与环境计算综合分析，以确定飞行器的全自主的飞行控制与导航路线。

（6）实现全自主飞行的动力控制，控制模块由上述环境分析和飞行器运动规划，通过4个电子调速器综合对4个无刷电动机进行转速控制，从而对螺旋桨进行拉力控制。图4为上述全自主控制微型飞行器硬件连接框图，图5为全自主微型飞行器控制系统框图。

从图6可以知道，通过对无刷电动机1和无刷电动机3的不同转速控制，从而拉力大小不同，而获得水平X方向前进分力差，控制前飞的速度；通过对无刷电动机2和无刷电动机4的不同转速控制，从而拉力大小不同，而获得水平Y方向分力差，以控制飞行器左右运动及其速度；通过对4个无刷电动机同时加速或减速，以控制飞行器上升或下降。

（7）图7、8是根据本发明的微型飞行器实物的运行实例给出的原理图。其中图7给出获得的窗口图像和利用4个环境传感器自动入室飞行的原理，图8给出前视室内走廊图像，进行特征点、线和深度分析的原理。

（8）附图9给出本发明的微型飞行器实物在地面圆圈起飞后，自主发现窗户，自动控制进入窗户的实例示意图。

附图10给出本发明的微型飞行器实物在进入室内后，自主识别室内环境，自动控制避免与弯曲的走廊墙壁碰撞，而自主控制导航飞行的实例示意图。

Claims (3)

1.一种全自主控制入室环境避障导航微型飞行器，其特征在于，包括机身、机架、撑杆、全自主控制系统、动力装置组和电源组；

所述机架安装在机身下部，四根撑杆两两对角支撑在机身上，所述动力装置组包括四个动力装置，每个动力装置由安装于撑杆的无刷电动机、连接于无刷电动机轴的螺旋桨和与无刷电动机相连的电子调速器组成；

所述全自主控制系统包括安装于机身上的环境识别传感器组和安装于机身内部的控制模块，环境识别传感器组与控制模块输入端相连，而控制模块输出端与电子调速器的输入端连接，电子调速器的输出端与无刷电动机连接；

所述电源组包括电池和与电源连接的电源分配器，电源分配器再分别连接各动力装置及全自主控制系统。

2.根据权利要求1所述的全自主控制入室环境避障导航微型飞行器，其特征在于，所述环境识别传感器组包括一个二维激光扫描测距仪、一个微型超声波测距仪、一个前视摄像机和一个下视摄像机，分别安装于机身上部、下部、前部和前下部，4个环境识别传感器都与控制模块电路连接。

3.根据权利要求1或2所述的全自主控制入室环境避障导航微型飞行器，其特征在于，控制模块包括微型计算机处理器以及分别与该微型计算机处理器连接的三轴微型陀螺、三轴微型加速度计和三轴微型磁力计。

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