CN106444840A - 一种基于嵌入式cps的超声波实时避障防撞无人机装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于嵌入式CPS的超声波实时避障防撞无人机装置，属于无人机技术领域。本发明包括电源模块、控制模块、电机驱动模块、无线通信模块、姿态测量模块、防撞结构、超声波测距模块、外围辅助设备接口模块；其中电源模块分别与控制模块、电机驱动模块相连接，控制模块分别与电源模块、电机驱动模块、无线通信模块、姿态测量模块、防撞结构、超声波测距模块、外围辅助设备接口模块相连接。本发明解决了现有市场上无人机无法实现自主飞行的障碍物自动躲避问题，进一步提高了无人机本身自带的机动性、便携性、可操作性。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于嵌入式CPS的超声波实时避障防撞无人机装置，属于无人机技术领域。
背景技术
四旋翼无人机是一种智能机器人。在动力来源和姿态控制两方面，四旋翼飞行器以电机带动旋翼作为驱动力来源，其空气动力学原理与传统固定翼飞行器及基于桨距控制的直升机系统有很大区别——得益于近几十年来，在纳米技术低雷诺数空气动力学和MEMS 技术方面研究的深入、科技的发展和应用的普及，四轴飞行器采用多种微传感器、微处理器以及众多子系统（导航、通信、动力和飞行控制等）构成的高集成系统，飞行器结构极为简化，重量大幅减轻，而制造及装配也十分容易。除此以外，飞行器拥有垂直起降能力，不需要配置反扭矩桨，通过结构对称的旋翼产生的反扭矩即可使飞行器平衡。通过搭载的功能传感器，它能够轻松驾驭例如对障碍物的识别、避让、围绕等在此之前其他类型飞行器难以完成的任务。飞行特性方面四轴飞行器体现出了强大优势和潜力，因而在军事领域和民用领域都显示出了极高的研究和应用价值。该发明由国家自然科学基金项目（61562051）、云南省应用基础研究计划重点项目（2014FA029）资助研究，主要在于探索CPS等实时嵌入式控制系统时序建模方法在四旋翼无人机超声波实时避障防撞上的应用与推广，解决超声波实时避障防撞无人机装置欠驱动控制与连续时间行为的关联转换难题，为超声波实时避障防撞无人机装置计算进程逻辑时间与物理进程物理时间的一致性提供理论依据。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：本发明提供一种基于嵌入式CPS的超声波实时避障防撞无人机装置，首先，电机的驱动电路采用三相六臂全桥电路，控制电路的管理控制芯片采用单片机STM32实现，以充分发挥其高性能、资源丰富的特点，因而外围电路结构简单，实现电机的启动和稳定运行，大大提高四旋翼无人机无刷直流电机的调速和控制性能，解决了现有电路结构复杂成本高，缺乏经济性等不足；其次通过超声波测距模块，实时监测无人机与障碍物的距离，实现无人机自在主飞行时的自动避障功能，解决了现有市场上无人机无法实现自主飞行的障碍物自动躲避问题，进一步提高了无人机本身自带的机动性、便携性、可操作性，能够更好的实现、完成、解决现有无人机应用领域的各种实际问题。
本发明技术方案是：一种基于嵌入式CPS的超声波实时避障防撞无人机装置，包括电源模块1、控制模块2、电机驱动模块3、无线通信模块4、姿态测量模块5、防撞结构6、超声波测距模块7、外围辅助设备接口模块8；其中电源模块1分别与控制模块2、电机驱动模块3相连接，控制模块2分别与电源模块1、电机驱动模块3、无线通信模块4、姿态测量模块5、防撞结构6、超声波测距模块7、外围辅助设备接口模块8相连接。
所述电源模块1包括3S聚合物锂离子电池（自带电池消除电路BEC, BatteryEliminating Circuit）、5V-3.3V 转换电路、分流板；其中，3S聚合物锂离子电池分别与5V-3.3V 转换电路、分流板相连，5V-3.3V 转换电路与控制模块2中单片机模块相连，为其提供工作电源，分流板直接与电机驱动模块3相连，为电机工作提供电源。
所述5V-3.3V 转换电路包括线性电源稳压芯片AMS1117、电容C1、C2、C3、C4；其中由3S聚合物锂离子电池通过自带BEC直流输出5V电压与线性电源稳压芯片AMS1117的+VIN引脚，电容C1的一端与线性电源稳压芯片AMS1117的+VIN引脚相连；电容C1的另一端直接接入大地GND；电容C2的一端与线性电源稳压芯片AMS1117的+VIN引脚相连，电容C2的另一端直接接入大地GND；线性电源稳压芯片AMS1117的GND引脚直接接入大地GND；电容C3的一端与线性电源稳压芯片AMS1117的OUT引脚相连，电容C3的另一端直接接入大地GND；电容C4的一端与线性电源稳压芯片AMS1117的OUT引脚相连，电容C4的另一端直接接入大地GND；线性电源稳压芯片AMS1117的OUT引脚直接作为3.3V电压的正极VCC。
所述控制模块2包括放大电路12、升压电路13、驱动控制电路、滤波电路15、5V-3.3V转换电路、单片机模块；其中，单片机模块分别与放大电路12、升压电路13、驱动控制电路、滤波电路15、5V-3.3V转换电路相连。
所述放大电路12包括74HC04放大器Q7、Q9、Q10、Q11、Q12、上拉电阻R13、R14；其中，74HC04放大器Q7的输入端与74HC04放大器Q11的输入端并联，并作为放大电路12的输入端，且与单片机模块中单片机的P1.0方波脉冲信号输出端口相连接，74HC04放大器Q7的输出端与74HC04放大器Q9的输入端相连接，74HC04放大器Q9的输出端与上拉电阻R13的一端相连接，上拉电阻的R13的另一端与电源VCC相连接，74HC04放大器Q10的输入端与74HC04放大器Q9的输入端相连接，74HC04放大器Q10的输出端与超声波发射器19的一端相连接，74HC04放大器Q11的另一端与超声波发射器19相连接，74HC04放大器Q12的输入端与74HC04放大器Q11的输入端相连接，74HC04放大器Q12的另一端与上拉电阻R14的一端、超声波发射器19相连接，上拉电阻R14的另一端与电源VCC相连接，电源VCC为3.3V电压源。
所述升压电路13包括电感L1、VNPN型三极管Q8、二极管B1、电容C5；其中，电感L1的一端作为升压电路13的输入端与滤波电路15的输出端相连接，电感L1的另一端与VNPN型三极管Q8的基极相连接；VNPN型三极管Q8的发射极与二极管B1的阳极相连接，VNPN型三极管Q8的集电极直接接入大地GND；二极管B1的阴极与电容C5的一端相连接，并且作为升压电路13的输出端与控制模块2中的单片机模块相连接；电容C5的另一端直接接入大地GND。
所述驱动控制电路包括定值电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10、R11、R12，PNP型晶体管T1、T2、T3，NPN型三极管Q1、Q2、Q3，PNP型三极管Q4、Q5、Q6；其中定值电阻R1的一端为驱动控制电路A的A1端，另一端接入PNP型晶体管T1的基极，PNP型晶体管T1的集电极通过定值电阻R2与NPN型三极管Q1的并联电路连接至电源模块1的稳压直流电源VCC，PNP型晶体管T1的发射极直接入大地GND，定值电阻R3的一端为驱动控制电路A的B1端，另一端与定值电阻R4和PNP型三极管Q4的并联电路串联，PNP型三极管Q4的集电极与NPN型三极管Q1的发射极相连接，PNP型三极管Q4的发射极直接接入大地GND；定值电阻R5的一端为驱动控制电路B的A2端，另一端接入PNP型晶体管T2的基极，PNP型晶体管T2的集电极通过定值电阻R6与NPN型三极管Q2的并联电路连接至电源模块1的稳压直流电源VCC，PNP型晶体管T2的发射极直接入大地GND，定值电阻R7的一端为驱动控制电路B的B2端，另一端与定值电阻R8和PNP型三极管Q5的并联电路串联，PNP型三极管Q5的集电极与NPN型三极管Q2的发射极相连接，PNP型三极管Q5的发射极直接接入大地GND；定值电阻R9的一端为驱动控制电路C的A3端，另一端接入PNP型晶体管T3的基极，PNP型晶体管T3的集电极通过定值电阻R10与NPN型三极管Q3的并联电路连接至电源模块1的稳压直流电源VCC，PNP型晶体管T3的发射极直接入大地GND，定值电阻R11的一端为驱动控制电路C的B3端，另一端与定值电阻R12和PNP型三极管Q6的并联电路串联，PNP型三极管Q6的集电极与NPN型三极管Q3的发射极相连接，PNP型三极管Q6的发射极直接接入大地GND；驱动控制电路中的A1引脚、A2引脚、A3引脚与控制模块2中单片机模块中的PWM驱动信号相接，B1引脚、B2引脚、B3引脚与控制模块2中单片机模块中的I/O口相连接。
所述滤波电路15包括电阻R15、R16、R17、R18、R19、电容C6、C7、C8、放大器Q13；其中电阻R15一端与电容C6的一端相连接作为滤波电路15的输入端，与超声波测距模块7中超声波接收器20的输出端相连，电阻15另一端与电阻R16的一端相连接，电阻R16的另一端与放大器Q13的“-”级相连接，电容C6的另一端与电阻R17的一端、电容C7的一端相连，电容C7的另一端与电阻R16的另一端、放大器Q13的“-”级相连接，电阻R17的另一端与电阻R19的一端相连接，电阻R19的另一端与电阻R18的一端、放大器Q13的“+”级相连接，电阻R18的另一端直接接入大地GND，电容C8的一端与电阻R15的一端、电阻R16的一端相连，电容C8的另一端直接接入大地GND，放大器Q13的基极作为滤波电路15的输出端与控制模块2中单片机模块相连接。
所述无线通信模块4采用通用的2.4G无线通讯模块。
所述姿态测量模块5采用MPU6050传感器、HMC5883L三轴地磁传感器罗盘，MPU6050传感器整合了六轴运动跟踪设备，包括三轴陀螺仪、三轴加速度传感器。
所述防撞结构6包括防护罩17、防护网18；其中防护罩17采用含有1-3%缬氨酸薯蓣皂苷元酯的塑料外壳，防护网18所用网线的线芯采用特制合成多路纤维束，网线外层采用特制螺旋编制合成纤维，防撞结构的绕制以羽毛球拍的球拍线与球拍体绕制的方式绕制。
所述超声波测距模块7包括超声波发射器19、放大电路12、超声波接收器20、升压电路13、滤波电路15、超声波测距模块外壳21；其中，超声波发射器19的底部通过聚餐酸酯和硅胶与超声波测距模块外壳21无缝连接，超声波接收器20的底部通过聚餐酸酯和硅胶与超声波测距模块外壳21连接再和超声波发射器19所在同一平面无缝连接，超声波发射器19发射端与超声波接收器20的接收端与所在平面成90度角垂直向外；超声波发射器19的下方设有放大电路12，且超声波发射器19与放大电路12输入端相连接，放大电路12的输出端与控制模块2中单片机模块相连接；超声波接收器20下方设有升压电路13、滤波电路15，且超声波接收器20与升压电路13输入端相连接，升压电路13的输出端与滤波电路15的输入端相连接，滤波电路15的输出端与控制模块2中单片机模块相连接。
所述外围辅助设备接口模块8采用四线制I2C扩展板。
本发明的工作原理是：
当本无人机切换至自主飞行时，无人机中的电源模块1首先开始工作，由于无人机自身特性的限制，电源模块采用3S聚合物锂离子电池，并且该类型电池自带电池消除电路BEC,Battery Eliminating Circuit），3S聚合物锂离子电池提供11.1V电压，通过BEC直接输出5V电压，由于控制模块2、外围辅助设备接口模块8的工作电压为3.3V，无线通信模块4、姿态测量模块5、超声波测距模块7的工作电压为5V，电机驱动模块3的工作电压为11V；故将3S聚合物锂离子电池直接通过分流板直接与电机驱动模块3连接，作为无刷直流电机的工作电压，将BEC的5V输出电压直接作为无线通信模块4、姿态测量模块5、超声波测距模块7的工作电压，将BEC的5V输出电压作为5V-3.3V 转换电路的输入，将5V电压转换为3.3V电压作为控制模块2、外围辅助设备接口模块8的工作电压；此时，控制模块2、电机驱动模块3、无线通信模块4、姿态测量模块5、超声波测距模块7、外围辅助设备接口模块8上电，开始工作。
当控制模块2上电工作后，实时监测姿态测量模块5、超声波测距模块7的数据，这些数据被单片机模块读取后，经过单片机模块的处理后反馈给执行器电机驱动模块3，用以调整无人机的飞行姿态。
当电机驱动模块3上电工作后，单片机模块根据检测到的电机转子位置，利用MOSFET的开关特性，实现电机的通电控制，例如，当Q1、Q5打开时，AB相导通，此时电流流向为电源正极→Q1→绕组A→绕组B→Q5→电源负极。类似的，当MOSFET打开顺序分别为Q1、Q5，Q1、Q6，Q2、Q6，Q2、Q4，Q3、Q4，Q3、Q5时，只要在合适的时机进行准确换向，就可实现无刷直流电机的连续运转。无刷直流电机能够正常连续运转，就要对转子位置进行检测，从而实现准确换向，由于无刷直流电机要求系统结构简单、重量轻，因而采用无位置传感器的方式，利用第三相产生的感生电动势过零点时刻延迟30°换向，由于无刷直流电机的两相导通模式，因而可以利用不导通的第三相检测反电势的大小；反电势检测电路，中性点N 与单片机的AIN0 相接，Ain，Bin，Cin分别接单片机的ADC0，ADC1，ADC2.不停地比较中性点N电压与A，B，C三相三个端点电压的大小，以检测出每相感应电动势的过零点。单片机模块16模拟比较器的正向输入端为AIN0，负向输入端则根据ADMUX寄存器的配置而选择ADC0，ADC1，ADC2，从而利用了单片机模块自带的模拟比较器的复用功能。当A，B相通电期间，C相反电势与中性点N进行比较，类似的，就可以成功检测出各相的过零事件，当电机的反电势检测出来后，就可以找到反电势的过零点，在反电势过零后延迟30°电角度进行换向操作。无刷直流电机的驱动电路采用三相六臂全桥驱动方式，采用此方式可以减少电流波动和转矩脉动，使得电机输出较大的转矩。在电机驱动部分使用6个功率场效应管控制输出电压，直流无刷电机驱动电路电源电压为11V驱动电路中，三极管Q1-Q3采用IRFR 5305（P沟道），三极管Q4-Q6为IRFR 1205（N 沟道）。该场效应管内藏续流二极管，为场效应管关断时提供电流通路，以避免管子的反向击穿；A1-A3 提供三相全桥上桥臂栅极驱动信号，并与单片机模块的硬件PWM驱动信号相接，通过改变PWM信号的占空比来实现电机转速控制，B1-B3提供下桥臂栅极驱动信号，由单片机的I/O口直接提供，具有导通与截止两种状态；无刷直流电机驱动控制采用三相六状态控制策略，功率管具有六种触发状态，每次只有两个管子导通，每60°电角度换向一次，例如某一时刻AB 相导通时，C 相截至，无电流输出。此时，电机驱动模块3正常工作。
当姿态测量模块5上电工作后，MPU6050作为惯导传感器，实时检测无人机姿态信息，并以数字输出6轴或9轴的旋转矩阵、四元数、欧拉角格式的融合演算数据，达到131LSBs/°/sec的分辨率，并将实时检测到的数据传输到控制模块2中的单片机模块，待单片机模块处理、反馈给电机驱动模块3；同时，三轴地磁传感器罗盘HMC5883L本身内置HMC118X系列磁阻传感器和霍尼韦尔专利的专门设计集成电路（ASIC），自带自动消磁驱动器、置位/复位和偏执驱动器、偏差校准和12位模数转换器，可将实时检测到的地球磁场等低磁场方向和大小数据，以高灵敏度、高线性精度的形式，通过自身12位模数传感器传输到控制模块2中的单片机模块，待单片机模块处理、反馈给电机驱动模块3，用以调整无人机的飞行姿态。
当超声波测距模块7上电工作后，超声波发射器19采用超声波发射换能器TCT40-16T，超声波发射器19通过控制模块2中单片机模块软件编程的方式向外界发出40kHz左右的方波脉冲信号，但由于单片机模块的端口输出功率不够，故在单片机模块的输出端口接入放大电路12，放大电路是由74HC04组成的推挽式电路进行功率放大，该放大电路12的输出端接有上拉电阻R13、R14，一方面可以提供方想起74HC04输出高电平的驱动能力，另一方面可以增加超声波发射器19的阻尼效果，缩短其自由振荡的时间，能够发射距离足够远，满足测量距离要求的功率，最后将放大电路12的输出与超声波发射器19相连，最后通过超声波发射器19以声波的形式发射到空气中，当声波在空气中遇到障碍物就会返回，通过超声波接收器20顺利接收到回波，其中，超声波接收器20采用超声波接收换能器TCT40-16R，是与超声波发射换能器TCT40-16T配套的超声波接收换能器，超声波接收器20接收后将物理信号转换成电信号，并将电信号通过升压电路13、滤波电路15进行放大、滤波、整形等处理，最后将调整后的信号传输到控制模块2中的单片机模块，并通过单片机模块处理反馈给执行器驱动控制电路（电机驱动电路）控制无人机的飞行姿态，实现躲避障碍物的功能。
本发明的有益效果是：此装置能充分发挥STM32单片机高性能、资源丰富的特点，外围电路结构设计简单，大大提高四旋翼无人机无刷直流电机的调速和控制性能，解决了现有电路结构复杂成本高，缺乏经济性等不足；其次通过超声波测距模块，实时监测无人机与障碍物的距离，实现无人机自在主飞行时的自动避障功能，解决了现有市场上无人机无法实现自主飞行的障碍物自动躲避问题，进一步提高了无人机本身自带的机动性、便携性、可操作性，能够更好的实现、完成、解决现有无人机应用领域的各种实际问题。
附图说明
图1为本发明的装置结构图；
图2为本发明的装置俯视图；
图3为本发明的装置侧视图；
图4为本发明的5V-3.3V转换电路原理图；
图5为本发明的RC环形振荡电路原理图；
图6为本发明的超声波测距模块装置图；
图7为本发明的放大电路原理图；
图8为本发明的控制模块结构图；
图9为本发明的滤波电路原理图；
图10为本发明的升压电路原理图；
图11-13为本发明的驱动控制电路原理图。
图1-10中各标号：1-电源模块，2-控制模块，3-电机驱动模块，4-无线通信模块，5-姿态测量模块，6-防撞结构，7-超声波测距模块，8-外围辅助设备接口模块，12-放大电路，13-升压电路，15-滤波电路，17-防护罩，18-防护网，19-超声波发射器，20-超声波接收器，21-超声波测距模块外壳。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步说明。
实施例1：如图1-13所示，一种基于嵌入式CPS的超声波实时避障防撞无人机装置，包括电源模块1、控制模块2、电机驱动模块3、无线通信模块4、姿态测量模块5、防撞结构6、超声波测距模块7、外围辅助设备接口模块8；其中电源模块1分别与控制模块2、电机驱动模块3相连接，控制模块2分别与电源模块1、电机驱动模块3、无线通信模块4、姿态测量模块5、防撞结构6、超声波测距模块7、外围辅助设备接口模块8相连接。
实施例2：如图1-13所示，一种基于嵌入式CPS的超声波实时避障防撞无人机装置，包括电源模块1、控制模块2、电机驱动模块3、无线通信模块4、姿态测量模块5、防撞结构6、超声波测距模块7、外围辅助设备接口模块8；其中电源模块1分别与控制模块2、电机驱动模块3相连接，控制模块2分别与电源模块1、电机驱动模块3、无线通信模块4、姿态测量模块5、防撞结构6、超声波测距模块7、外围辅助设备接口模块8相连接。
所述电源模块1包括3S聚合物锂离子电池（自带电池消除电路BEC, BatteryEliminating Circuit）、5V-3.3V 转换电路、分流板；其中，3S聚合物锂离子电池分别与5V-3.3V 转换电路、分流板相连，5V-3.3V 转换电路与控制模块2中单片机模块相连，为其提供工作电源，分流板直接与电机驱动模块3相连，为电机工作提供电源。
实施例3：如图1-13所示，一种基于嵌入式CPS的超声波实时避障防撞无人机装置，本实施例与实施例2相同，其中，
所述5V-3.3V 转换电路包括线性电源稳压芯片AMS1117、电容C1、C2、C3、C4；其中由3S聚合物锂离子电池通过自带BEC直流输出5V电压与线性电源稳压芯片AMS1117的+VIN引脚，电容C1的一端与线性电源稳压芯片AMS1117的+VIN引脚相连；电容C1的另一端直接接入大地GND；电容C2的一端与线性电源稳压芯片AMS1117的+VIN引脚相连，电容C2的另一端直接接入大地GND；线性电源稳压芯片AMS1117的GND引脚直接接入大地GND；电容C3的一端与线性电源稳压芯片AMS1117的OUT引脚相连，电容C3的另一端直接接入大地GND；电容C4的一端与线性电源稳压芯片AMS1117的OUT引脚相连，电容C4的另一端直接接入大地GND；线性电源稳压芯片AMS1117的OUT引脚直接作为3.3V电压的正极VCC。
实施例4：如图1-13所示，一种基于嵌入式CPS的超声波实时避障防撞无人机装置，本实施例与实施例3相同，其中，
所述控制模块2包括放大电路12、升压电路13、驱动控制电路、滤波电路15、5V-3.3V转换电路、单片机模块；其中，单片机模块分别与放大电路12、升压电路13、驱动控制电路、滤波电路15、5V-3.3V转换电路相连。
所述放大电路12包括74HC04放大器Q7、Q9、Q10、Q11、Q12、上拉电阻R13、R14；其中，74HC04放大器Q7的输入端与74HC04放大器Q11的输入端并联，并作为放大电路12的输入端，且与单片机模块中单片机的P1.0方波脉冲信号输出端口相连接，74HC04放大器Q7的输出端与74HC04放大器Q9的输入端相连接，74HC04放大器Q9的输出端与上拉电阻R13的一端相连接，上拉电阻的R13的另一端与电源VCC相连接，74HC04放大器Q10的输入端与74HC04放大器Q9的输入端相连接，74HC04放大器Q10的输出端与超声波发射器19的一端相连接，74HC04放大器Q11的另一端与超声波发射器19相连接，74HC04放大器Q12的输入端与74HC04放大器Q11的输入端相连接，74HC04放大器Q12的另一端与上拉电阻R14的一端、超声波发射器19相连接，上拉电阻R14的另一端与电源VCC相连接，电源VCC为3.3V电压源。
实施例5：如图1-13所示，一种基于嵌入式CPS的超声波实时避障防撞无人机装置，本实施例与实施例4相同，其中，
所述升压电路13包括电感L1、VNPN型三极管Q8、二极管B1、电容C5；其中，电感L1的一端作为升压电路13的输入端与滤波电路15的输出端相连接，电感L1的另一端与VNPN型三极管Q8的基极相连接；VNPN型三极管Q8的发射极与二极管B1的阳极相连接，VNPN型三极管Q8的集电极直接接入大地GND；二极管B1的阴极与电容C5的一端相连接，并且作为升压电路13的输出端与控制模块2中的单片机模块相连接；电容C5的另一端直接接入大地GND。
实施例6：如图1-13所示，一种基于嵌入式CPS的超声波实时避障防撞无人机装置，本实施例与实施例5相同，其中，
所述驱动控制电路包括定值电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10、R11、R12，PNP型晶体管T1、T2、T3，NPN型三极管Q1、Q2、Q3，PNP型三极管Q4、Q5、Q6；其中定值电阻R1的一端为驱动控制电路A的A1端，另一端接入PNP型晶体管T1的基极，PNP型晶体管T1的集电极通过定值电阻R2与NPN型三极管Q1的并联电路连接至电源模块1的稳压直流电源VCC，PNP型晶体管T1的发射极直接入大地GND，定值电阻R3的一端为驱动控制电路A的B1端，另一端与定值电阻R4和PNP型三极管Q4的并联电路串联，PNP型三极管Q4的集电极与NPN型三极管Q1的发射极相连接，PNP型三极管Q4的发射极直接接入大地GND；定值电阻R5的一端为驱动控制电路B的A2端，另一端接入PNP型晶体管T2的基极，PNP型晶体管T2的集电极通过定值电阻R6与NPN型三极管Q2的并联电路连接至电源模块1的稳压直流电源VCC，PNP型晶体管T2的发射极直接入大地GND，定值电阻R7的一端为驱动控制电路B的B2端，另一端与定值电阻R8和PNP型三极管Q5的并联电路串联，PNP型三极管Q5的集电极与NPN型三极管Q2的发射极相连接，PNP型三极管Q5的发射极直接接入大地GND；定值电阻R9的一端为驱动控制电路C的A3端，另一端接入PNP型晶体管T3的基极，PNP型晶体管T3的集电极通过定值电阻R10与NPN型三极管Q3的并联电路连接至电源模块1的稳压直流电源VCC，PNP型晶体管T3的发射极直接入大地GND，定值电阻R11的一端为驱动控制电路C的B3端，另一端与定值电阻R12和PNP型三极管Q6的并联电路串联，PNP型三极管Q6的集电极与NPN型三极管Q3的发射极相连接，PNP型三极管Q6的发射极直接接入大地GND；驱动控制电路中的A1引脚、A2引脚、A3引脚与控制模块2中单片机模块中的PWM驱动信号相接，B1引脚、B2引脚、B3引脚与控制模块2中单片机模块中的I/O口相连接。
实施例7：如图1-13所示，一种基于嵌入式CPS的超声波实时避障防撞无人机装置，本实施例与实施例6相同，其中，
所述滤波电路15包括电阻R15、R16、R17、R18、R19、电容C6、C7、C8、放大器Q13；其中电阻R15一端与电容C6的一端相连接作为滤波电路15的输入端，与超声波测距模块7中超声波接收器20的输出端相连，电阻15另一端与电阻R16的一端相连接，电阻R16的另一端与放大器Q13的“-”级相连接，电容C6的另一端与电阻R17的一端、电容C7的一端相连，电容C7的另一端与电阻R16的另一端、放大器Q13的“-”级相连接，电阻R17的另一端与电阻R19的一端相连接，电阻R19的另一端与电阻R18的一端、放大器Q13的“+”级相连接，电阻R18的另一端直接接入大地GND，电容C8的一端与电阻R15的一端、电阻R16的一端相连，电容C8的另一端直接接入大地GND，放大器Q13的基极作为滤波电路15的输出端与控制模块2中单片机模块相连接。
实施例8：如图1-13所示，一种基于嵌入式CPS的超声波实时避障防撞无人机装置，本实施例与实施例7相同，其中，
所述无线通信模块4采用通用的2.4G无线通讯模块。
所述姿态测量模块5采用MPU6050传感器、HMC5883L三轴地磁传感器罗盘，MPU6050传感器整合了六轴运动跟踪设备，包括三轴陀螺仪、三轴加速度传感器。
实施例9：如图1-13所示，一种基于嵌入式CPS的超声波实时避障防撞无人机装置，本实施例与实施例8相同，其中，
所述防撞结构6包括防护罩17、防护网18；其中防护罩17采用含有1-3%缬氨酸薯蓣皂苷元酯的塑料外壳，防护网18所用网线的线芯采用特制合成多路纤维束，网线外层采用特制螺旋编制合成纤维，防撞结构的绕制以羽毛球拍的球拍线与球拍体绕制的方式绕制。
实施例10：如图1-13所示，一种基于嵌入式CPS的超声波实时避障防撞无人机装置，本实施例与实施例9相同，其中，
所述超声波测距模块7包括超声波发射器19、放大电路12、超声波接收器20、升压电路13、滤波电路15、超声波测距模块外壳21；其中，超声波发射器19的底部通过聚餐酸酯和硅胶与超声波测距模块外壳21无缝连接，超声波接收器20的底部通过聚餐酸酯和硅胶与超声波测距模块外壳21连接再和超声波发射器19所在同一平面无缝连接，超声波发射器19发射端与超声波接收器20的接收端与所在平面成90度角垂直向外；超声波发射器19的下方设有放大电路12，且超声波发射器19与放大电路12输入端相连接，放大电路12的输出端与控制模块2中单片机模块相连接；超声波接收器20下方设有升压电路13、滤波电路15，且超声波接收器20与升压电路13输入端相连接，升压电路13的输出端与滤波电路15的输入端相连接，滤波电路15的输出端与控制模块2中单片机模块相连接。
实施例11：如图1-13所示，一种基于嵌入式CPS的超声波实时避障防撞无人机装置，包括电源模块1、控制模块2、电机驱动模块3、无线通信模块4、姿态测量模块5、防撞结构6、超声波测距模块7、外围辅助设备接口模块8；其中电源模块1分别与控制模块2、电机驱动模块3相连接，控制模块2分别与电源模块1、电机驱动模块3、无线通信模块4、姿态测量模块5、防撞结构6、超声波测距模块7、外围辅助设备接口模块8相连接。
所述电源模块1包括3S聚合物锂离子电池（自带电池消除电路BEC, BatteryEliminating Circuit）、5V-3.3V 转换电路、分流板；其中，3S聚合物锂离子电池分别与5V-3.3V 转换电路、分流板相连，5V-3.3V 转换电路与控制模块2中单片机模块相连，为其提供工作电源，分流板直接与电机驱动模块3相连，为电机工作提供电源。
所述5V-3.3V 转换电路包括线性电源稳压芯片AMS1117、电容C1、C2、C3、C4；其中由3S聚合物锂离子电池通过自带BEC直流输出5V电压与线性电源稳压芯片AMS1117的+VIN引脚，电容C1的一端与线性电源稳压芯片AMS1117的+VIN引脚相连；电容C1的另一端直接接入大地GND；电容C2的一端与线性电源稳压芯片AMS1117的+VIN引脚相连，电容C2的另一端直接接入大地GND；线性电源稳压芯片AMS1117的GND引脚直接接入大地GND；电容C3的一端与线性电源稳压芯片AMS1117的OUT引脚相连，电容C3的另一端直接接入大地GND；电容C4的一端与线性电源稳压芯片AMS1117的OUT引脚相连，电容C4的另一端直接接入大地GND；线性电源稳压芯片AMS1117的OUT引脚直接作为3.3V电压的正极VCC。
所述控制模块2包括放大电路12、升压电路13、驱动控制电路、滤波电路15、5V-3.3V转换电路、单片机模块；其中，单片机模块分别与放大电路12、升压电路13、驱动控制电路、滤波电路15、5V-3.3V转换电路相连。
所述放大电路12包括74HC04放大器Q7、Q9、Q10、Q11、Q12、上拉电阻R13、R14；其中，74HC04放大器Q7的输入端与74HC04放大器Q11的输入端并联，并作为放大电路12的输入端，且与单片机模块中单片机的P1.0方波脉冲信号输出端口相连接，74HC04放大器Q7的输出端与74HC04放大器Q9的输入端相连接，74HC04放大器Q9的输出端与上拉电阻R13的一端相连接，上拉电阻的R13的另一端与电源VCC相连接，74HC04放大器Q10的输入端与74HC04放大器Q9的输入端相连接，74HC04放大器Q10的输出端与超声波发射器19的一端相连接，74HC04放大器Q11的另一端与超声波发射器19相连接，74HC04放大器Q12的输入端与74HC04放大器Q11的输入端相连接，74HC04放大器Q12的另一端与上拉电阻R14的一端、超声波发射器19相连接，上拉电阻R14的另一端与电源VCC相连接，电源VCC为3.3V电压源。
所述升压电路13包括电感L1、VNPN型三极管Q8、二极管B1、电容C5；其中，电感L1的一端作为升压电路13的输入端与滤波电路15的输出端相连接，电感L1的另一端与VNPN型三极管Q8的基极相连接；VNPN型三极管Q8的发射极与二极管B1的阳极相连接，VNPN型三极管Q8的集电极直接接入大地GND；二极管B1的阴极与电容C5的一端相连接，并且作为升压电路13的输出端与控制模块2中的单片机模块相连接；电容C5的另一端直接接入大地GND。
所述驱动控制电路包括定值电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10、R11、R12，PNP型晶体管T1、T2、T3，NPN型三极管Q1、Q2、Q3，PNP型三极管Q4、Q5、Q6；其中定值电阻R1的一端为驱动控制电路A的A1端，另一端接入PNP型晶体管T1的基极，PNP型晶体管T1的集电极通过定值电阻R2与NPN型三极管Q1的并联电路连接至电源模块1的稳压直流电源VCC，PNP型晶体管T1的发射极直接入大地GND，定值电阻R3的一端为驱动控制电路A的B1端，另一端与定值电阻R4和PNP型三极管Q4的并联电路串联，PNP型三极管Q4的集电极与NPN型三极管Q1的发射极相连接，PNP型三极管Q4的发射极直接接入大地GND；定值电阻R5的一端为驱动控制电路B的A2端，另一端接入PNP型晶体管T2的基极，PNP型晶体管T2的集电极通过定值电阻R6与NPN型三极管Q2的并联电路连接至电源模块1的稳压直流电源VCC，PNP型晶体管T2的发射极直接入大地GND，定值电阻R7的一端为驱动控制电路B的B2端，另一端与定值电阻R8和PNP型三极管Q5的并联电路串联，PNP型三极管Q5的集电极与NPN型三极管Q2的发射极相连接，PNP型三极管Q5的发射极直接接入大地GND；定值电阻R9的一端为驱动控制电路C的A3端，另一端接入PNP型晶体管T3的基极，PNP型晶体管T3的集电极通过定值电阻R10与NPN型三极管Q3的并联电路连接至电源模块1的稳压直流电源VCC，PNP型晶体管T3的发射极直接入大地GND，定值电阻R11的一端为驱动控制电路C的B3端，另一端与定值电阻R12和PNP型三极管Q6的并联电路串联，PNP型三极管Q6的集电极与NPN型三极管Q3的发射极相连接，PNP型三极管Q6的发射极直接接入大地GND；驱动控制电路中的A1引脚、A2引脚、A3引脚与控制模块2中单片机模块中的PWM驱动信号相接，B1引脚、B2引脚、B3引脚与控制模块2中单片机模块中的I/O口相连接。
所述滤波电路15包括电阻R15、R16、R17、R18、R19、电容C6、C7、C8、放大器Q13；其中电阻R15一端与电容C6的一端相连接作为滤波电路15的输入端，与超声波测距模块7中超声波接收器20的输出端相连，电阻15另一端与电阻R16的一端相连接，电阻R16的另一端与放大器Q13的“-”级相连接，电容C6的另一端与电阻R17的一端、电容C7的一端相连，电容C7的另一端与电阻R16的另一端、放大器Q13的“-”级相连接，电阻R17的另一端与电阻R19的一端相连接，电阻R19的另一端与电阻R18的一端、放大器Q13的“+”级相连接，电阻R18的另一端直接接入大地GND，电容C8的一端与电阻R15的一端、电阻R16的一端相连，电容C8的另一端直接接入大地GND，放大器Q13的基极作为滤波电路15的输出端与控制模块2中单片机模块相连接。
所述无线通信模块4采用通用的2.4G无线通讯模块。
所述姿态测量模块5采用MPU6050传感器、HMC5883L三轴地磁传感器罗盘，MPU6050传感器整合了六轴运动跟踪设备，包括三轴陀螺仪、三轴加速度传感器。
所述防撞结构6包括防护罩17、防护网18；其中防护罩17采用含有1-3%缬氨酸薯蓣皂苷元酯的塑料外壳，防护网18所用网线的线芯采用特制合成多路纤维束，网线外层采用特制螺旋编制合成纤维，防撞结构的绕制以羽毛球拍的球拍线与球拍体绕制的方式绕制。
所述超声波测距模块7包括超声波发射器19、放大电路12、超声波接收器20、升压电路13、滤波电路15、超声波测距模块外壳21；其中，超声波发射器19的底部通过聚餐酸酯和硅胶与超声波测距模块外壳21无缝连接，超声波接收器20的底部通过聚餐酸酯和硅胶与超声波测距模块外壳21连接再和超声波发射器19所在同一平面无缝连接，超声波发射器19发射端与超声波接收器20的接收端与所在平面成90度角垂直向外；超声波发射器19的下方设有放大电路12，且超声波发射器19与放大电路12输入端相连接，放大电路12的输出端与控制模块2中单片机模块相连接；超声波接收器20下方设有升压电路13、滤波电路15，且超声波接收器20与升压电路13输入端相连接，升压电路13的输出端与滤波电路15的输入端相连接，滤波电路15的输出端与控制模块2中单片机模块相连接。
所述外围辅助设备接口模块8采用四线制I2C扩展板。
上面结合附图对本发明的具体实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (13)
1.一种基于嵌入式CPS的超声波实时避障防撞无人机装置，其特征在于：包括电源模块（1）、控制模块（2）、电机驱动模块（3）、无线通信模块（4）、姿态测量模块（5）、防撞结构（6）、超声波测距模块（7）、外围辅助设备接口模块（8）；其中电源模块（1）分别与控制模块（2）、电机驱动模块（3）相连接，控制模块（2）分别与电源模块（1）、电机驱动模块（3）、无线通信模块（4）、姿态测量模块（5）、防撞结构（6）、超声波测距模块（7）、外围辅助设备接口模块（8）相连接。
2.根据权利要求1所述的基于嵌入式CPS的超声波实时避障防撞无人机装置，其特征在于：所述电源模块（1）包括3S聚合物锂离子电池、5V-3.3V 转换电路、分流板；其中，3S聚合物锂离子电池分别与5V-3.3V 转换电路、分流板相连，5V-3.3V 转换电路与控制模块（2）中单片机模块相连，分流板直接与电机驱动模块（3）相连。
3.根据权利要求2所述的基于嵌入式CPS的超声波实时避障防撞无人机装置，其特征在于：所述5V-3.3V 转换电路包括线性电源稳压芯片AMS1117、电容C1、C2、C3、C4；其中由3S聚合物锂离子电池通过自带BEC直流输出5V电压与线性电源稳压芯片AMS1117的+VIN引脚，电容C1的一端与线性电源稳压芯片AMS1117的+VIN引脚相连；电容C1的另一端直接接入大地GND；电容C2的一端与线性电源稳压芯片AMS1117的+VIN引脚相连，电容C2的另一端直接接入大地GND；线性电源稳压芯片AMS1117的GND引脚直接接入大地GND；电容C3的一端与线性电源稳压芯片AMS1117的OUT引脚相连，电容C3的另一端直接接入大地GND；电容C4的一端与线性电源稳压芯片AMS1117的OUT引脚相连，电容C4的另一端直接接入大地GND；线性电源稳压芯片AMS1117的OUT引脚直接作为3.3V电压的正极VCC。
4.根据权利要求1所述的基于嵌入式CPS的超声波实时避障防撞无人机装置，其特征在于：所述控制模块（2）包括放大电路（12）、升压电路（13）、驱动控制电路、滤波电路（15）、5V-3.3V转换电路、单片机模块；其中，单片机模块分别与放大电路（12）、升压电路（13）、驱动控制电路、滤波电路（15）、5V-3.3V转换电路相连。
5.根据权利要求4所述的基于嵌入式CPS的超声波实时避障防撞无人机装置，其特征在于：所述放大电路（12）包括74HC04放大器Q7、Q9、Q10、Q11、Q12、上拉电阻R13、R14；其中，74HC04放大器Q7的输入端与74HC04放大器Q11的输入端并联，并作为放大电路（12）的输入端，且与单片机模块中单片机的P1.0方波脉冲信号输出端口相连接，74HC04放大器Q7的输出端与74HC04放大器Q9的输入端相连接，74HC04放大器Q9的输出端与上拉电阻R13的一端相连接，上拉电阻的R13的另一端与电源VCC相连接，74HC04放大器Q10的输入端与74HC04放大器Q9的输入端相连接，74HC04放大器Q10的输出端与超声波发射器（19）的一端相连接，74HC04放大器Q11的另一端与超声波发射器（19）相连接，74HC04放大器Q12的输入端与74HC04放大器Q11的输入端相连接，74HC04放大器Q12的另一端与上拉电阻R14的一端、超声波发射器（19）相连接，上拉电阻R14的另一端与电源VCC相连接，电源VCC为3.3V电压源。
6.根据权利要求4所述的基于嵌入式CPS的超声波实时避障防撞无人机装置，其特征在于：所述升压电路（13）包括电感L1、VNPN型三极管Q8、二极管B1、电容C5；其中，电感L1的一端作为升压电路（13）的输入端与滤波电路（15）的输出端相连接，电感L1的另一端与VNPN型三极管Q8的基极相连接；VNPN型三极管Q8的发射极与二极管B1的阳极相连接，VNPN型三极管Q8的集电极直接接入大地GND；二极管B1的阴极与电容C5的一端相连接，并且作为升压电路（13）的输出端与控制模块（2）中的单片机模块相连接；电容C5的另一端直接接入大地GND。
7.根据权利要求4所述的基于嵌入式CPS的超声波实时避障防撞无人机装置，其特征在于：所述驱动控制电路包括定值电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10、R11、R12，PNP型晶体管T1、T2、T3，NPN型三极管Q1、Q2、Q3，PNP型三极管Q4、Q5、Q6；其中定值电阻R1的一端为驱动控制电路A的A1端，另一端接入PNP型晶体管T1的基极，PNP型晶体管T1的集电极通过定值电阻R2与NPN型三极管Q1的并联电路连接至电源模块（1）的稳压直流电源VCC，PNP型晶体管T1的发射极直接入大地GND，定值电阻R3的一端为驱动控制电路A的B1端，另一端与定值电阻R4和PNP型三极管Q4的并联电路串联，PNP型三极管Q4的集电极与NPN型三极管Q1的发射极相连接，PNP型三极管Q4的发射极直接接入大地GND；定值电阻R5的一端为驱动控制电路B的A2端，另一端接入PNP型晶体管T2的基极，PNP型晶体管T2的集电极通过定值电阻R6与NPN型三极管Q2的并联电路连接至电源模块（1）的稳压直流电源VCC，PNP型晶体管T2的发射极直接入大地GND，定值电阻R7的一端为驱动控制电路B的B2端，另一端与定值电阻R8和PNP型三极管Q5的并联电路串联，PNP型三极管Q5的集电极与NPN型三极管Q2的发射极相连接，PNP型三极管Q5的发射极直接接入大地GND；定值电阻R9的一端为驱动控制电路C的A3端，另一端接入PNP型晶体管T3的基极，PNP型晶体管T3的集电极通过定值电阻R10与NPN型三极管Q3的并联电路连接至电源模块（1）的稳压直流电源VCC，PNP型晶体管T3的发射极直接入大地GND，定值电阻R11的一端为驱动控制电路C的B3端，另一端与定值电阻R12和PNP型三极管Q6的并联电路串联，PNP型三极管Q6的集电极与NPN型三极管Q3的发射极相连接，PNP型三极管Q6的发射极直接接入大地GND；驱动控制电路中的A1引脚、A2引脚、A3引脚与控制模块（2）中单片机模块中的PWM驱动信号相接，B1引脚、B2引脚、B3引脚与控制模块（2）中单片机模块中的I/O口相连接。
8.根据权利要求4所述的基于嵌入式CPS的超声波实时避障防撞无人机装置，其特征在于：所述滤波电路（15）包括电阻R15、R16、R17、R18、R19、电容C6、C7、C8、放大器Q13；其中电阻R15一端与电容C6的一端相连接作为滤波电路（15）的输入端，与超声波测距模块（7）中超声波接收器（20）的输出端相连，电阻15另一端与电阻R16的一端相连接，电阻R16的另一端与放大器Q13的“-”级相连接，电容C6的另一端与电阻R17的一端、电容C7的一端相连，电容C7的另一端与电阻R16的另一端、放大器Q13的“-”级相连接，电阻R17的另一端与电阻R19的一端相连接，电阻R19的另一端与电阻R18的一端、放大器Q13的“+”级相连接，电阻R18的另一端直接接入大地GND，电容C8的一端与电阻R15的一端、电阻R16的一端相连，电容C8的另一端直接接入大地GND，放大器Q13的基极作为滤波电路（15）的输出端与控制模块（2）中单片机模块相连接。
9.根据权利要求1所述的基于嵌入式CPS的超声波实时避障防撞无人机装置，其特征在于：所述无线通信模块（4）采用通用的2.4G无线通讯模块。
10.根据权利要求1所述的基于嵌入式CPS的超声波实时避障防撞无人机装置，其特征在于：所述姿态测量模块（5）采用MPU6050传感器、HMC5883L三轴地磁传感器罗盘，MPU6050传感器整合了六轴运动跟踪设备，包括三轴陀螺仪、三轴加速度传感器。
11.根据权利要求1所述的基于嵌入式CPS的超声波实时避障防撞无人机装置，其特征在于：所述防撞结构（6）包括防护罩（17）、防护网（18）；其中防护罩（17）采用含有1-3%缬氨酸薯蓣皂苷元酯的塑料外壳，防护网（18）所用网线的线芯采用特制合成多路纤维束，网线外层采用特制螺旋编制合成纤维，防撞结构的绕制以羽毛球拍的球拍线与球拍体绕制的方式绕制。
12.根据权利要求1所述的基于嵌入式CPS的超声波实时避障防撞无人机装置，其特征在于：所述超声波测距模块（7）包括超声波发射器（19）、放大电路（12）、超声波接收器（20）、升压电路（13）、滤波电路（15）、超声波测距模块外壳（21）；其中，超声波发射器（19）的底部通过聚餐酸酯和硅胶与超声波测距模块外壳（21）无缝连接，超声波接收器（20）的底部通过聚餐酸酯和硅胶与超声波测距模块外壳（21）连接再和超声波发射器（19）所在同一平面无缝连接，超声波发射器（19）发射端与超声波接收器（20）的接收端与所在平面成90度角垂直向外；超声波发射器（19）的下方设有放大电路（12），且超声波发射器（19）与放大电路（12）输入端相连接，放大电路（12）的输出端与控制模块（2）中单片机模块相连接；超声波接收器（20）下方设有升压电路（13）、滤波电路（15），且超声波接收器（20）与升压电路（13）输入端相连接，升压电路（13）的输出端与滤波电路（15）的输入端相连接，滤波电路（15）的输出端与控制模块（2）中单片机模块相连接。
13.根据权利要求1所述的基于嵌入式CPS的超声波实时避障防撞无人机装置，其特征在于：所述外围辅助设备接口模块（8）采用四线制I2C扩展板。
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