CN104765376A - 一种用于三维空间重建的旋翼无人机控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于三维空间重建的旋翼无人机控制系统。包括单片机、第一多路选择开关、第二多路选择开关、电动机模块、陀螺仪模块、预警模块和超声波收发模块；陀螺仪模块用于采集无人机的姿态信息，通过第一多路选择开关传递给单片机；超声波收发模块用于测量周围障碍物信息，传送给单片机；预警模块采集周围的环境温度传送给单片机；单片机根据接收到的信息计算出无人机与障碍物的距离，并产生控制信号和预警信号，将产生的控制信号通过第二多路选择开关传递给电动机模块，将产生的预警信号传送给预警模块进行报警；电动机模块根据接收到的控制信号进行工作，控制无人机改变飞行路线。本发明结构简单，降低了操作复杂性，提高工作效率。

Description

一种用于三维空间重建的旋翼无人机控制系统

技术领域

本发明属于无人机控制领域，尤其涉及能够进行复杂环境空间探测的，一种用于三维空间重建的旋翼无人机控制系统。

背景技术

随着人类对于危险空间的涉足范围越来越广泛，像是地质溶洞探测、地下空间探测等许多探测内容，它们或者具有很大的危险性，或者具有很高的文化价值，不允许人类亲自涉足空间进行探索，这就对无人探测技术提出了更高的要求。常规的空间探测机器人采用单一固定的超声波探头采集数据，由于在某一瞬时只能采集单一方向的数据，数据资料的匮乏使得在路径规划方面存在很大的困难，只能人为的对机器人进行操控，对于复杂的环境来说，操作难度大大增加，容易造成机器人与周围空间的碰撞，并且采集数据耗费的时间与精力过大。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构简单、工作效率高的，一种用于三维空间重建的旋翼无人机控制系统。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种用于三维空间重建的旋翼无人机控制系统，包括单片机、第一多路选择开关、第二多路选择开关、电动机模块、陀螺仪模块、预警模块和超声波收发模块；

陀螺仪模块用于采集无人机的姿态信息，通过第一多路选择开关传递给单片机；

超声波收发模块用于测量周围障碍物信息，传送给单片机；

预警模块采集周围的环境温度传送给单片机；

单片机根据接收到的信息计算出无人机与障碍物的距离，并产生控制信号和预警信号，将产生的控制信号通过第二多路选择开关传递给电动机模块，将产生的预警信号传送给预警模块进行报警；

电动机模块根据接收到的控制信号进行工作，控制无人机改变飞行路线。

本发明一种用于三维空间重建的旋翼无人机控制系统，还可以包括：

1、还包括GPS定位模块、wifi信号收发模块、天线和地面控制模块，

GPS定位模块和wifi信号收发模块分别和单片机相连；

GPS定位模块将无人机定位信息传送给单片机；

wifi信号收发模块用于将单片机接收到的姿态信息、定位信息以及障碍物信息通过天线传送给地面控制模块；

地面控制模块包括地面wifi信号收发模块和地面计算机，地面wifi信号收发模块用于接收天线发送的信号，传送给地面计算机；

地面计算机根据接收的信息进行处理，得到规划出的路径指令，通过地面wifi信号收发模块，传送该给天线；

wifi信号收发模块通过天线接收到规划出的路径指令，传送给单片机；

单片机根据接收到规划出的路径指令产生控制信号，通过第二多路选择开关传递给电动机模块。

2、地面计算机包括路径规划模块和信号处理模块，

信号处理模块接收地面wifi信号收发模块传送的信息，进行信号处理后传送给路径规划模块；

路径规划模块根据接收的信息进行规划，得到规划出的路径指令传送给地面wifi信号收发模块。

3、地面计算机还包括：三维重建模块、图像显示模块和数据库模块，

数据库模块用于存储地面wifi信号收发模块传送的信息、信号处理模块产生的无人机与障碍物的距离和路径规划模块规划出的路径信息；

三维重建模块调用数据库模块中的信息，整理并绘制成三维空间图像，传送给图像显示模块进行显示。

有益效果：

本发明的目的是解决人类不易涉足的环境空间探测中常规探测机器人工作复杂、效率低的问题，提供一种用于空间探测与三维重建的旋翼飞行器。首先，本发明采用全向超声波探头，可以在同一时间对周围环境进行全方位探测，包括距离测量与自主避障。其次，在全向超声波探头测得数据的基础上，旋翼飞行器的控制模块可以自行进行路径规划，对未知环境进行全范围的探索。最后，探索飞行器将探索得到的结果发送到地面计算机系统，通过飞行器传回的距离域位置数据，对未知空间进行三维重建。对于位置空间的探索完全由本发明独立完成，不需要人为干涉，大大降低了操作复杂性，节省了探索时间，提高了探测效率。

附图说明

图1为n轴无人探测飞行器的外观结构图的俯视图；

图2为n轴无人探测飞行器的外观结构图的侧视图；

图3表示的是n轴无人探测飞行器的组成连接图；

图4表示的是地面控制系统的组成连接图；

图5表示的是飞行器规避障碍路、径规划示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步详细说明。

本发明总体包括旋翼无人机系统与地面显示系统两部分。旋翼无人机系统包括ARM单片机9、第一多路选择开关10、第二多路选择开关13、电动机系统11、陀螺仪系统12、GPS定位系统14、wifi系统收发模块15、预警系统16、天线17、超声波收发模块18；地面显示系统包括地面计算机7、地面wifi信号收发模块8。

单片机9输入端与GPS定位系统14、第一多路选择开关10、wifi信号收发模块15、超声波收发模块18相连；输出端与多路选择开关13、预警系统16、wifi信号收发模块15、超声波收发模块18相连。

第一多路选择开关10的输入端与陀螺仪系统12相连，输出端与单片机9相连。

电动机系统11输入端与第二多路选择开关13相连。

陀螺仪系统12的输出端与第一多路选择开关10相连。

第一多路选择开关10的输入端与陀螺仪相连，输出端与单片机9相连。

GPS定位系统14的输出端与单片机9相连。

Wifi信号收发模块15的输出端与单片机9相连。

预警系统16的输入端与单片机9相连。

天线17的输入端与wifi信号收发模块16相连。

超声波收发模块18的输入、输出端与单片机9相连。

地面计算机系统7的输入、输出端与地面wifi信号收发模块8相连。

地面wifi信号收发模块8的输入输出端与地面计算机系统7相连。

图1和图2中包括超声波探测模块18、四旋翼飞行器框架2、旋翼3、电动机11、控制面板5和支架6。

具体实施方式一：本实施方式叫做自主避障实施方式，下面结合图3说明本实施方式，本实施方式包括单片机9、第一多路选择开关10、电动机系统模块11、陀螺仪系统模块12、第二多路选择开关13、预警系统16、超声波收发模块18.

电动机系统模块11包括n个电动机，分别为电动机11-1、电动机11-2，…，电动机11-n，为无人机飞行提供动力，每个电动机通过第二多路选择开关13与单片机9的输出端相连。

陀螺仪系统模块包括3个位于不同轴的陀螺仪，分别为陀螺仪1、陀螺仪2、陀螺仪3，用于测量无人机的姿态。每个陀螺仪通过第一多路选择开关10与单片机9的输入端相连。

无人探测飞行器处于未经开发的危险环境空间中，首先由单片机9发出命令使得超声波收发模块18中的超声波发射器向四面八方发出超声波探测信号，超声波遇到环境中的障碍物发生反射，反射回来的信号经超声波收发模块中的接收器进入单片机9，单片机9根据超声波运动测量得到的时间信息以及预警系统16提供的周围环境温度信息，依据公式(1)计算飞行器与四周环境障碍物的距离s，并记录下来。当该距离小于我们设定的临界距离阀值d的时候，单片机9发出预警信号进入预警系统16，预警系统16发出警报，并且使飞行器紧急制动悬停，之后单片机9传命令电动机系统11工作，控制飞行器改变飞行路线，避过障碍，防止飞行器与障碍物相撞。

$s=\frac{331.5+0.607T}{2}t---\left(1\right)$

具体实施方式二：本实施方式叫做自主规划路径以及自主避障实施方式，本实施方案与实施方案一的不同之处在于，无人飞行器系统还包括GPS定位模块14、wifi信号收发模块15、天线17，另外在无人机系统模块的基础上，增加了地面控制系统模块，地面控制系统模块包括地面wifi信号收发模块8、信号处理模块7-1、路径规划模块7-4。

实施方式一中提到的自主规避障碍中，当距离小于临界值时，无人飞器将会调整飞行路线，其实新的飞行路线的选择就属于路径规划的一部分。

下面结合附图3和附图4说明本实施方式。根据GPS定位系统，将飞行器的探测起点定位并且定义为零点。首先飞行器按照固定高度H₁，向正北方向飞行。飞行过程中，超声波探测器发出探测信号并且将探测信息传递给单片机9，单片机9依据公式(1)计算出飞行器周围的距离信息，计算得到的距离信息一方面传递给预警系统16，另一方面通过飞行器上的wifi信号收发模块15以及天线17将距离信息传递给地面控制系统，而且单片机9还将陀螺仪系统12测量得到的飞行器姿态信息、飞行器运动信息以及GPS定位信息14传递给地面控制系统。地面控制系统通过地面wifi收发模块8获得这些信息之后，将这些信息传递到控制计算机7，控制计算机通过信息处理模块7-1首先对这些信息进行处理。如果飞行器的前进方向上出现障碍物，即：

s_θ表示与正北方向线夹角为θ的方向的距离信息，表示正北方向的距离。如果是正东方向时，θ＝90°，那么s_θ叫表示正东方向空间与飞行器的距离信息。沿顺指针方向，θ逐渐增大，在0°～360°之间变化，表示在同一飞行高度四面八方的距离信息。

此时，保持飞行高度不变，飞行器悬停过程中，判断θ+Δθ方向距离s_θ+Δθ是否达到规避距离值s_临界，如果达到，飞行器向θ+Δθ方向规避，如果达不到要求，那么继续判断θ+2Δθ方向，直到达到要求为止，这属于路径规划7-4的内容，也是在地面控制计算机7中进行的，控制计算机7选择合适的规避方向，通过wifi收发模块将路径信息传递给飞行器的单片机9，单片机9控制电动机工作，调整飞行器的飞行姿态，实现障碍规避。规避障碍物之后，飞行器在控制计算机7的控制之下继续向正北方向飞行，直到飞到正北方的尽头，即遇到无法躲避的障碍为止。这时候地面控制计算机7记录飞行器的GPS定位信息、飞行路线信息，那么就得到未知空间的南北方向的最大距离。

保持飞行高度不变，以刚才的飞行路线为轴线，由控制计算机7发出信号，单片机9接收到信号之后，发出信号使电动机系统11工作，调整飞行姿态，使飞行器向正东方向平行移动，因为超声波探测系统18的探测距离为3米，所以飞行路线周围3米之内的距离信息已经测量得到，如果飞行器正东方向3米之内无障碍，那么飞行器向正东方向平移3米距离，然后控制飞行器向正南方向飞行，直到正南方的尽头。如果飞行器3米之内有障碍物存在，那么，控制计算机7发出信号，单片机9接收信号之后，控制电动机系统11使得飞行器飞行岛障碍物的临界距离，然后控制飞行器向正南方向飞行，直到正南方向的尽头。具体方式如附图5直观表示。

之后调整飞行器的高度，重复上述过程。

实施方式三：本实施方式叫做空间三维重建实施方式。本实施方式与实施方式二的不同之处在于，本实施方式地面控制系统还包括三维重建模块7-2、图像显示模块7-3和数据库模块7-5。

本实施方式是在实施方式一和实施方式二的基础上完成的，它是上述两者的最终目的和直观显示。在实施方式二的基础上，我们利用地面控制系统的控制计算机7将飞行器收集到的所有的距离信息、GPS定位信息、飞行器飞行路线信息录入控制计算机7的数据库7-5，三维重建模块7-3将会调用数据库的这些信息，并且将这些信息进行整理并绘制成三维空间图像，对未知空间进行三维还原，并且用图像显示模块7-3将还原的空间显示出来，使人们可以清晰直观的在控制计算机上看到环境空间的全部信息。利用这种方法,可以大体还原空间模型.但是，还存在不足的地方，探测飞行器的飞行路线上有故障的地方由于飞行器的自主避障模式导致探测空间可能存在死点，即直接避过而没有探测的区域，所以图像显示模块7-3初步显示的三维图像可能不真实，有些地方因为缺乏信息无法显示。在这个时候，对于这些未知的区域，我们需要人为的控制飞行器，对这些地方进行定点探测。具体实施方式为：人为操作地面控制计算机7发出指令，通过地面wifi收发模块8传递到飞行器的单片机9，单片机9控制电动机系统11工作，使飞行器按照控制计算机7规划好的路线到达指定的未知区域，在这个过程中，预警系统16是工作的，防止飞行器与障碍物相撞，造成飞行器损毁。安全到达定点区域之后，重新设定飞行器的起飞零点以及飞行高度，然后调整到自主探测模式，按照实施方式二对于未知区域进行探测。重复上述过程，直到整个空间全部探测完毕，没有一个死角为止。将上述探测到的信息补充到数据库7-5，三维重建模块7-2利用这些补充信息补全三维图像，并且在图像显示器7-3上显示出来。到此为止，整个空间的探测完成。

Claims (4)

1.一种用于三维空间重建的旋翼无人机控制系统，其特征在于：包括单片机、第一多路选择开关、第二多路选择开关、电动机模块、陀螺仪模块、预警模块和超声波收发模块；

陀螺仪模块用于采集无人机的姿态信息，通过第一多路选择开关传递给单片机；

超声波收发模块用于测量周围障碍物信息，传送给单片机；

预警模块采集周围的环境温度传送给单片机；

单片机根据接收到的信息计算出无人机与障碍物的距离，并产生控制信号和预警信号，将产生的控制信号通过第二多路选择开关传递给电动机模块，将产生的预警信号传送给预警模块进行报警；

电动机模块根据接收到的控制信号进行工作，控制无人机改变飞行路线。

2.根据权利要求1所述的一种用于三维空间重建的旋翼无人机控制系统，其特征在于：还包括GPS定位模块、wifi信号收发模块、天线和地面控制模块，

GPS定位模块和wifi信号收发模块分别和单片机相连；

GPS定位模块将无人机定位信息传送给单片机；

wifi信号收发模块用于将单片机接收到的姿态信息、定位信息、障碍物信息以及单片机计算出的无人机距离障碍物的距离，通过天线传送给地面控制模块；

地面控制模块包括地面wifi信号收发模块和地面计算机，地面wifi信号收发模块用于接收天线发送的信号，传送给地面计算机；

地面计算机根据接收的信息进行处理，得到规划出的路径指令，通过地面wifi信号收发模块，传送该给天线；

wifi信号收发模块通过天线接收到规划出的路径指令，传送给单片机；

单片机根据接收到规划出的路径指令产生控制信号，通过第二多路选择开关传递给电动机模块。

3.根据权利要求2所述的一种用于三维空间重建的旋翼无人机控制系统，其特征在于：所述的地面计算机包括路径规划模块和信号处理模块，

信号处理模块接收地面wifi信号收发模块传送的信息，进行信号处理后传送给路径规划模块；

路径规划模块根据接收的信息进行规划，得到规划出的路径指令传送给地面wifi信号收发模块。

4.根据权利要求2或3所述的一种用于三维空间重建的旋翼无人机控制系统，其特征在于：所述的地面计算机还包括：三维重建模块、图像显示模块和数据库模块，

数据库模块用于存储地面wifi信号收发模块传送的信息、信号处理模块产生的无人机与障碍物的距离和路径规划模块规划出的路径信息；

三维重建模块调用数据库模块中的信息，整理并绘制成三维空间图像，传送给图像显示模块进行显示。