CN104787334B - 自动脱线装置、系留式无人飞行装置及系留式无人飞行装置的避障方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了自动脱线装置、系留式无人飞行装置及系留式无人飞行装置的避障方法，该自动脱线装置包括壳体和与控制模块连接的舵机；壳体上设置有销钉；销钉位于壳体外部的端部设置有一段螺纹段；舵机安装在壳体上，其输出轴上设置的齿轮与销钉的螺纹段配合；销钉与壳体顶部之间的电源线上套装弹性机构。系留式无人飞行装置包括设置在系留式无人飞行装置上的接收端、通过无线与接收端进行通信的遥控端和自动脱线装置，接收端包括控制模块、与控制模块连接的信号采集模块和给接收端供电的供电模块；供电模块通过电源线与地面上的电源连接；自动脱线装置分别与供电模块和控制模块连接。

Description

自动脱线装置、系留式无人飞行装置及系留式无人飞行装置的避障方法

技术领域

本发明涉及系留式无人飞行装置技术领域，具体涉及自动脱线装置、系留式无人飞行装置及其避障方法。

背景技术

目前，多旋翼无人机在航拍展示、侦查定位、环境监测等多个方面发挥着重要的作用，受关注度越来越高。然而，多旋翼无人机在应用的过程中却存在着很多的限制性因素，如滞空时间短、载重量小等都成了影响其发展的障碍。系留式多旋翼无人机很好的解决了这个问题。系留式多旋翼通过有线供电的方式，显著的提高了电源应用效率，能够有效的保证其滞空时间，并且大大的提高了机体的载重量，但是，系留式多旋翼应用的同时也存在着一定的问题。由于多旋翼系留着一条供电线，在工作的过程中就有可能碰到障碍物比如建筑物、高架线等，甚至系挂在上面。影响了多旋翼的工作状态，甚至有可能产生安全事故。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的自动脱线装置、系留式无人飞行装置及系留式无人飞行装置避障方法能够在系留式无人飞行装置接近障碍物时使电源线脱离系留式无人飞行装置的供电模块。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

第一方面，提供一种自动脱线装置，其包括壳体和与系留式无人飞行装置的控制模块连接的舵机；壳体上设置有与壳体内部的电源线配合、用于使电源线与系留式无人飞行装置的供电模块连接在一起的销钉；销钉位于壳体外部的端部设置有一段螺纹段；舵机安装在壳体上，其输出轴上设置的齿轮与销钉的螺纹段配合；销钉与壳体顶部之间的电源线上套装有销钉退出壳体时、用于使电源线与系留式无人飞行装置的供电模块分离的弹性机构。

第二方面，提供一种系留式无人飞行装置，其包括设置在系留式无人飞行装置上的接收端、通过无线与接收端进行通信的遥控端和自动脱线装置，接收端包括控制模块、与控制模块连接的信号采集模块和给接收端供电的供电模块；供电模块通过电源线与地面上的电源连接；自动脱线装置分别与供电模块和控制模块连接。

第三方面，提供一种系留式无人飞行装置的避障方法，其包括获取系留式无人飞行装置的环境参数；根据环境参数，计算系留式无人飞行装置与障碍物之间的距离；判断距离是否是危险的障碍物距离：若是，启动自动脱线装置，使电源线脱离系留式无人飞行装置；控制系留式无人飞行装置避开障碍物。

本发明的有效效果是：在紧急状况时，该自动脱线装置的舵机能够通过齿轮给销钉一个旋转力；使销钉脱离电源线；弹性机构给电源线一个远离供电模块的弹力，电源线在弹力的作用下脱离供电模块，并退出壳体，保证了与自动脱线装置连接的装置的安全性。

该系留式无人飞行装置在检测到系留式无人飞行装置与障碍物之间的距离位于危及到系留式无人飞行装置的安全的范围内时，控制模块便会控制自动脱线装置启动，使连接供电模块和地面上电源的电源线脱离系留式无人飞行装置，而达到避障的目的，保障了系留式无人飞行装置的有效安全工作。

附图说明

图1为自动脱线装置的立体图。

图2为自动脱线装置另一个视角的立体图。

图3为自动脱线装置内部结构示意图。

图4为系留式无人飞行装置的原理框图。

图5为系留式无人飞行装置的避障方法的流程图。

图6为系留式无人飞行装置与无辐射障碍物之间距离的示意图。

图7为系留式无人飞行装置的电源线与障碍物之间安全距离的示意图。

其中，1、电源线；2、舵机；3、齿轮；4、销钉；5、通孔；6、壳体；7、保护层；8、弹簧。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

参考图1和图2，图1和图2示出了自动脱线装置不同视角的立体图；如图1和图2所示，该自动脱线装置包括壳体6和与系留式无人飞行装置的控制模块连接的舵机2；在壳体6的侧面开设有一个通孔5，在壳体6的上述通孔5中放置有与壳体6内部的电源线1配合、用于使电源线1与系留式无人飞行装置的供电模块连接在一起的销钉4；通过销钉4与电源线1的相互配合，能够避免电源线1在外力作用下向外移动，从而保证了电源线1与供电模块稳定的连接在一起。

如图3所示，位于弹性机构下方的电源线1上包裹有一层保护层7，保护层7上设置有与销钉4顶端配合的槽孔，电源线1连接供电模块时，销钉4的顶端位于槽孔内部，从而避免了电源线1在外力作用下向外移动。

如图1和图2所示，在销钉4位于壳体6外部的端部设置有一段螺纹段；舵机2安装在壳体6上，舵机2的输出轴上设置的齿轮3与销钉4的螺纹段配合。在紧急状况时，销钉4受舵机2的控制，通过舵机2给销钉4一个旋转力，使销钉4脱离电源线1。

销钉4与壳体6顶部之间的电源线1上套装有销钉4退出壳体6时、用于使电源线1与系留式无人飞行装置的供电模块分离的弹性机构；弹性机构给电源线1一个远离供电模块的弹力，电源线1在弹力的作用下脱离供电模块，并退出壳体6，保证了与自动脱线装置连接的装置的安全性。其中，弹性机构可以为一弹簧8，弹簧8一端位于保护层7顶面与电缆线形成的台阶上，另一端与壳体6顶部接触。

如图4所示，该系留式无人飞行装置包括设置在系留式无人飞行装置上的接收端和通过无线与接收端进行通信的遥控端。遥控端包括控制模块、及分别与控制模块连接的输入模块、显示模块、供电模块和无线收发模块。

接收端包括控制模块、自动脱线装置、与控制模块连接的信号采集模块和无线收发模块，及给接收端供电的供电模块；自动脱线装置与供电模块连接，供电模块通过电源线1与地面上的电源连接。

在接收端的控制模块与自动脱线装置之间还可以设置一个继电器。信号采集模块可以为分别与控制模块连接、且相互配合的超声波发射器和超声波传感器；信号采集模块还可以包括与控制模块连接、用于对有辐射障碍物进行探测的电磁传感器。

在系留式无人飞行装置工作时，信号采集模块时刻采集信号传回给接收端的控制模块，接收端的控制模块对接收的信号进行分析，并判断处理得出与障碍物之间的距离参数，并将处理后的信息通过无线收发模块传到遥控端，遥控端通过其显示模块显示系留式无人飞行装置的当前工作状态。

而对于具有电磁辐射、且尺寸比较小的障碍物比如高压线而言，为了准确地对其进行探测，则还可以通过电磁传感器的功能，将磁信号转换成电信号，控制模块通过分析电信号的强弱并对电信号和距离参数做仿真即可以得出系留式无人飞行装置的装置对障碍物的准确探测。

当地面工作端的人发现系留式无人飞行装置距离障碍物较近时，也可以手动的控制遥控端，遥控端通过无线收发模块向接收端发送消息，接收端的控制模块接收到信息后，启动舵机2运作，舵机2能够通过齿轮3给销钉4一个旋转力；使销钉4脱离电源线1。

弹性机构给电源线1一个远离供电模块的弹力，电源线1在弹力的作用下脱离供电模块，并退出壳体6，实现自动脱线；当系留式无人飞行装置的电源线1自动脱开后，接收端的控制模块控制接收端的供电模块给整个接收端供电，操作人员再通过遥控端操作有效避开障碍物。

参考图5，图5示出了系留式无人飞行装置的避障方法流程图500；如图5所示，该系留式无人飞行装置的避障方法包括步骤501至步骤504：

在步骤501中，获取系留式无人飞行装置的环境参数；当信息采集模块只由相互配合的超声波发射器和超声波传感器组成时，此时获取系留式无人飞行装置的环境参数的具体步骤为：

超声波发射器不间断地向外发射超声波信号，接收端的控制模块记录下发射时间；

接收端的控制模块判断超声波传感器是否收到与已发射的超声波信号相匹配的反射超声波信号，若收到，接收端的控制模块记录下接收时间。

当信息采集模块还包括与控制模块连接、用于对有辐射障碍物进行探测的电磁传感器时，此时获取系留式无人飞行装置的环境参数还包括以下步骤：

电磁传感器时刻判断系留式无人飞行装置周围是否存在电磁场，若存在，记录下当前电磁场的磁感应强度。

在步骤502中，根据环境参数，计算系留式无人飞行装置与障碍物之间的距离：

当信息采集模块只由相互配合的超声波发射器和超声波传感器组成时，根据超声波的速度、超声波的发射时间和接收时间，计算系留式无人飞行装置与障碍物之间的距离。

若是信息采集模块还包括与控制模块连接、用于对有辐射障碍物进行探测的电磁传感器时，根据记录的磁感应强度和毕奥-萨伐尔定律，计算系留式无人飞行装置与有辐射效应的障碍物的距离。

下面结合图6的系留式无人飞行装置与障碍物之间距离的示意图，对上面提到的步骤501和步骤502的具体内容做进一步说明：

系留式无人飞行装置加载的超声波发射器不断地向周围发射超声波信号，障碍物对声波信号具有反射作用，同时系留式无人飞行装置通过超声波传感器时刻接收采集超声波信号。针对于无辐射效应的障碍物，具体的理论和方案步骤如下：

当系留式无人飞行装置与障碍物之间的距离为S时，超声波发射器发射一次超声波脉冲信号，记录此次超声波信号的发射时间t1，然后通过超声波传感器接收反射回来的超声波信号，记录接收到该次超声波信号对应的时间t2，就此可建立等式：

2S＝V₀(t₂-t₁) (1.1)

式中，S表示多旋翼与建筑物之间的距离，V₀表示超声波在空气中的传播速度，由此可以计算出：

$S=\frac{1}{2}{V}_0(t_2-t_1)---\left(1.2\right)$

对于有辐射的线缆而言，由于其尺寸相对比较小，为了更准确地对线缆类障碍物进行探测，可以采用电磁传感器进行探测，其具体实现步骤如下：

根据麦克斯韦电磁场理论，交变电流会在周围产生交变的电磁场，导线周围的电场和磁场，按照一定规律分布。通过检测相应的电磁场的强度和方向可以计算得到与导线之间的距离。

由毕奥-萨伐尔定律知：通有稳恒电流I长度为L的直导线周围会产生磁场，距离导线距离为r处P点的磁感应强度为：

$B=\underset{{\mathrm{\θ}}_1}{\overset{{\mathrm{\θ}}_2}{\∫}}\frac{u_{0}I}{4\mathrm{\π}r}sin\mathrm{\θ}d\mathrm{\θ}(u_0=4\mathrm{\π}\×{10}^{-7}{\mathrm{TmA}}^{-1})---\left(1.3\right)$

式中，θ₁和θ₂为导线、导线两端与P点之间连线形成的夹角，u₀，I，r为常量，B表示磁感应强度。

当导线为无限长通电导线时，其周围存在的磁场由式1.3可以得出：

$B=\frac{u_{0}I}{4\mathrm{\π}r}({\mathrm{cos\θ}}_1-{\mathrm{cos\θ}}_2)---\left(1.4\right)$

对于无限长直导线来说，上式中θ₁＝0,θ₂＝π，则有用S表示距离r，高架线可以理想成为无限长的模型，则可得到多旋翼无人机与带有辐射效应的障碍物之间的距离：

$S=\frac{4\mathrm{\π}B}{u_{0}I}---\left(1.5\right)$

式中，磁感应强度B可以检测到，电流大小I可以检测到，u₀为常量。

如图7所示，下面以系留式无人飞行装置的电源线1与障碍物之间安全距离进行说明：

以系留式无人飞行装置起飞位置作为原点，通过地面控制遥控端可以实时观测到系留式无人当前位置坐标(x，y，z)，由发明中提供的算法可以得到系留式无人飞行装置与高架线之间的当前距离参数S，同时，我们通过高架线架设的标准得到高压线的高度H。

如图7所示，首先可以求得到系留式无人飞行装置与高架线之间的高度差h为：

h＝Z-H (1.6)

然后由三角公式计算可得供电线缆与高架线之间的安全距离X为：

$X=\sqrt{S^2-{(Z-H)}^2}---\left(1.7\right)$

在步骤503中，判断距离是否是危险的障碍物距离，控制模块将上述计算得到的与障碍物之间的距离与内部设置的距离进行对比。

在步骤504中，若系留式无人飞行装置的控制模块对比后，若发现与障碍物之间的距离为控制模块内部设置的距离，启动自动脱线装置，使电源线1脱离系留式无人飞行装置。

上述电源线1脱离系留式无人飞行装置步具体为，舵机2通过齿轮3给销钉4一个旋转力；销钉4在旋转力作用下向外运动，使销钉4脱离电源线1；弹性机构给电源线1一个远离供电模块的弹力，电源线1在弹力的作用下脱离供电模块，并退出壳体6；之后再通过输入模块操控系留式无人飞行装置安全着陆。

在步骤505中，通过遥控端控制系留式无人飞行装置避开障碍物。

该系留式无人飞行装置在检测到系留式无人飞行装置与障碍物之间的距离位于危及到系留式无人飞行装置的安全范围内时，控制模块便会控制自动脱线装置启动，使连接供电模块和地面上电源的电源线1脱离系留式无人飞行装置，而达到避障的目的，保障了系留式无人飞行装置的有效安全工作。

Claims (8)

1.自动脱线装置，其特征在于：包括壳体和与系留式无人飞行装置的控制模块连接的舵机；所述壳体上设置有与壳体内部的电源线配合、用于使电源线与系留式无人飞行装置的供电模块连接在一起的销钉；所述销钉位于壳体外部的端部设置有一段螺纹段；所述舵机安装在所述壳体上，其输出轴上设置的齿轮与所述销钉的螺纹段配合；所述销钉与壳体顶部之间的电源线上套装有销钉退出壳体时、用于使电源线与系留式无人飞行装置的供电模块分离的弹性机构；位于弹性机构下方的电源线上包裹有一层保护层，所述保护层上设置有与所述销钉顶端配合的槽孔。

2.根据权利要求1所述的自动脱线装置，其特征在于：所述弹性机构为一弹簧；弹簧一端位于保护层顶面与电源线形成的台阶上，另一端与壳体顶部接触。

3.系留式无人飞行装置，包括设置在系留式无人飞行装置上的接收端和通过无线与所述接收端进行通信的遥控端，所述接收端包括控制模块、与控制模块连接的信号采集模块和给所述接收端供电的供电模块；所述供电模块通过电源线与地面上的电源连接；其特征在于：

还包括权利要求1或2所述的自动脱线装置，所述自动脱线装置与供电模块连接。

4.根据权利要求3所述的系留式无人飞行装置，其特征在于：所述信号采集模块为分别与控制模块连接、且相互配合的超声波发射器和超声波传感器。

5.根据权利要求4所述的系留式无人飞行装置，其特征在于：所述信号采集模块还包括与控制模块连接、用于对有辐射障碍物进行探测的电磁传感器。

6.一种权利要求3-5任一所述的系留式无人飞行装置的避障方法，其特征在于，包括：

获取所述系留式无人飞行装置的环境参数；

根据所述环境参数，计算所述系留式无人飞行装置与障碍物之间的距离；

判断所述距离是否是危险的障碍物距离：

若是，启动自动脱线装置，使电源线脱离系留式无人飞行装置；

控制系留式无人飞行装置避开障碍物；

所述启动自动脱线装置，使电源线脱离系留式无人飞行装置步骤进一步包括：

舵机通过齿轮给销钉一个旋转力；销钉在旋转力作用下向外运动，使销钉脱离电源线；弹性机构给电源线一个远离供电模块的弹力，电源线在弹力的作用下脱离供电模块，并退出壳体。

7.根据权利要求6所述的系留式无人飞行装置的避障方法，其特征在于，

所述获取所述系留式无人飞行装置的环境参数的步骤进一步包括：

不间断地向外发射超声波信号，并记录下发射时间；

判断是否收到与已发射的超声波信号相匹配的反射超声波信号，若收到，记录下接收时间；

所述根据所述环境参数，计算所述系留式无人飞行装置与所述障碍物之间的距离进一步包括：

根据超声波的速度、超声波的发射时间和接收时间，计算系留式无人飞行装置与所述障碍物之间的距离。

8.根据权利要求7所述的系留式无人飞行装置的避障方法，其特征在于，

所述获取所述系留式无人飞行装置的环境参数的步骤还包括：

判断系留式无人飞行装置周围是否存在电磁场，若存在，记录下当前电磁场的磁感应强度；

所述根据所述环境参数，计算所述系留式无人飞行装置与所述障碍物之间的距离进一步包括：

根据记录的磁感应强度和毕奥-萨伐尔定律，计算系留式无人飞行装置与有辐射效应的障碍物的距离。