CN106708080A - 一种基于云端控制的无人机快递自动投放系统 - Google Patents
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Abstract
一种基于云端控制的无人机快递自动投放系统，包括自紧式桨叶(1)，卫星定位模块(2)，摄像头模块(3)，三轴云台(4)，无人机总控模块(5)，起落支架(6)，高性能无刷电机(7)，光流传感器(8)，超声波模块(9)，高性能电子调速器(10)，快递装载盒(11)，快递装载盒控制器(12)，红外光栅(13)，指纹扫描模块(14)，高精度步进电机(15),锂电池组(16)。本发明采用云端对无人机进行统一控制，无人机借助各种传感器感知周围环境，实现自主飞行，飞行安全性高，可准确的将快递送至预定地点，并且核实快递接收人身份，投放快递后通过搭载的摄像头模块(3)对快递接收人进行拍照取证，保证了快递安全准确送达。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于云端控制的无人机快递自动投放系统，属于无人机和自动控制领域。
背景技术
随着网购和电子商务的兴起，快递行业也随之蓬勃发展，越来越多的货物需要快递运送和分发，并且大多数货物具有体积小重量轻的特点，近年来用工成本不断提高，导致快递费用居高不下，快递公司利润缩水，并且目前大多数快递采用车辆运输，车辆在行驶中的颠簸，快递之间的挤压等种种原因导致快递运送过程中的时常发生损坏问题。
目前快递无人机均是人为操控，智能化程度低，飞行和投放过程需要人为控制，飞行安全度不高，受人为因素影响较大，且飞行过程中由于人为控制的不确定性造成飞机抖动颠簸甚至坠毁事故，照成不必要的财产损失，对地面人员也会造成一定危险。
目前快递无人机在投放快递时准确度不高，不能保证快递的准确送达，送达后没有相应的送达取证，在发生投递纠纷时，无法找到有利证据
云控制技术：云控制技术是指在广域网或局域网内将硬件、软件、网络等系列资源统一起来，实现数据的计算、储存、处理和共享并且对特定的实体进行相关控制。
卫星定位：卫星定位是使用卫星对某物进行准确定位的技术。只要保证在任意时刻，地球上任意一点可以同时观测到4颗卫星，便可实现导航、定位、授时等功能。可以用来引导无人机飞行。但是在天气云层厚，有遮挡物等状态下，不能实现准确定位，而且即使在接收状态良好的状态下，定位精度也达不到无人机定点定高悬停的精度要求。以上不足之处对无人机的飞行以及定高定点悬停有重大影响。
自紧式桨叶：四旋翼无人机在飞行时如果桨叶突然脱落飞出，就会产生射桨的安全事故，这对无人机的飞行安全以及周围群众的安全都会造成威胁，自紧式桨叶可以在飞行时自动锁紧，不会产生射桨事故。
超声波测距：由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，如测距仪等均可以通过超声波来实现。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制。
光流传感器：光流是一种简单实用的图像运动的表达方式，光流传感器可以通过测定景物的运动来获得无人机的运动状态，如运动距离、运动速度等。
红外光栅：红外光栅是主动红外对射的一种，采用多束红外光对射，发射器向接收器以“低频发射、时分检测”方式发出红外光，接收器不断检测是否有红外光照射。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术不足,提供一种基于云端控制的无人机快递自动投放系统，以实现快递由无人机迅速、安全、无损的送到预设地点或人员手中。
本发明所述自动投放系统包括：自紧式桨叶(1)、卫星定位模块(2)、摄像头模块(3)、三轴云台(4)、无人机总控模块(5)、起落支架(6)、高性能无刷电机(7)、光流传感器(8)、超声波模块(9)、高性能电子调速器(10)、快递装载盒(11)、快递装载盒控制器(12)、红外光栅(13)、指纹扫描模块(14)、高精度步进电机(15)、锂电池组(16)。自紧式桨叶(1)安装在高性能无刷电机(7)上，摄像头模块(3)固定在三轴云台(4)上，快递装载盒(11)悬挂在无人机机腹后部，起落支架(6)安装在无人机左右两边，超声波模块(9)和光流传感器(8)分别安装在无人机的左右两侧。
所述无人机总控模块(5)为本无人机快递自动投放系统的核心控制模块，由无人机总控模块(5)控制高性能电子调速器(10)、卫星定位模块(2)、摄像头模块(3)、三轴云台(4)、高性能无刷电机(7)、光流传感器(8)、超声波模块(9)、指纹扫描模块(14)。
所述高性能电子调速器(10)与高性能无刷电机(7)相连，控制高性能无刷电机(7)的转速，从而改变各个桨叶所产生的升力，最终实现调节无人机飞行状态。
所述锂电池组(16)与卫星定位模块(2)、摄像头模块(3)、三轴云台(4)、无人机总控模块(5)、光流传感器(8)、超声波模块(9)、高性能电子调速器(10)、快递装载盒控制器(12)、红外光栅(13)、指纹扫描模块(14)相连，为上述各部分提供电能。
所述卫星定位模块(2)与无人机总控模块(5)相连，不断将无人机的位置信息传给无人机总控模块(5)；在卫星定位模块(2)的下方粘贴锡箔纸，防止其他电子设备对卫星定位模块(2)干扰。
所述光流传感器(8)和超声波模块(9)和无人机总控模块(5)相连，将无人机的运动数据和高度数据传给无人机总控模块(5)。
所述快递装载盒控制器(12)负责监控装载盒内快递情况，以及接收无人机总控模块(5)发来的指令打开或关闭快递装载盒(11)门。
所述红外光栅(13)装在快递装载盒(11)的内壁上，监控快递装载盒(11)中的快递是否被拿出。
所述指纹扫描模块(14)与无人机总控模块(5)相连，安装在快递装载盒(11)外，可以扫描取快递者的指纹，将指纹数据传给无人机总控模块(5)，以确定取快递者身份。
所述三轴云台(4)包括云台支架、减震垫以及三个高精度舵机，减震垫可使摄像头模块(3)拍摄稳定，云台可使摄像头模块(3)拍摄不同角度方向的图像，使其对周围的观察更加详细和全面。
所述摄像头模块(3)与无人机总控模块(5)相连，在其控制下拍摄无人机周围的图像并传送给无人机总控模块(5)。
所述快递装载盒控制器(12)的核心控制芯片采用STC89C52单片机，此单片机与51单片机的指令集相容，在运行时打开其WATCH_DOG功能，在受到强电磁干扰等恶劣情况下导致跑飞时可以自动复位，提高系统稳定性。此单片机具有价格低廉、运行速度快、能耗低、运行稳定等特点。
本发明所述自动投放系统工作原理为: 无人机接收来自云端的相关数据，包括航线、快递投放地点、快递接收人信息等数据，待快递被放入快递装载盒(11)中后，无人机自动起飞，不断读取卫星定位模块(2)数据以及其它各传感器数据，不断修正无人机航线和飞行姿态，安全准确的飞到预定地点，到达预定地点后，通过光流传感器(8)，无人机实现定点悬停并读取卫星定位模块(2)数据，确定无误后，无人机总控模块(5)控制摄像头模块(3)和三轴云台(4)配合拍摄地面以及周围情况，并且通过无线传输传到云端，云端确认无误后向无人机下达降落指令，随即无人机开始下降高度，并且无人机中控模块不断读取超声波模块(9)数据，确定无人机的高度和下降速度，以通过高性能电子调速器(10)调整高性能无刷电机(7)转速，以调整无人机下降速度，使无人机平稳的降落。随后无人机提示快递接收人指纹确认身份，然后读取指纹扫描模块(14)数据，在确定收件人身份准确无误后，无人机总控模块(5)控制摄像头模块(3)拍摄收件人图像取证，随后给快递装载盒控制器(12)发送开启快递装载盒(11)门命令。
由于超声波模块(9)测距受温度影响较大，所以在超声波模块(9)传回数据时，根据温度不同为超声波提供温度补偿，以修正超声波的温漂现象，提高测量精度，使无人机降落更加稳定、安全。
由于卫星定位精度有限，仅能满足查询无人机位置，而不能满足无人机高精度定点悬停的要求，所以为无人机加装了光流传感器(8)，通过光流传感器(8)来测定无人机运动，从而实现高精度的定点悬停。
在快递装载盒(11)中加装了红外光栅(13)，可以实时监控快递状态，避免因无人机飞行过于颠簸损坏快递。
卫星定位模块(2)采用可接受GPS和北斗双信号的设计，可保证在一种卫星定位系统信号不佳的状态下继续精确飞行，提高了飞行的安全性和稳定性。
本发明的有益效果: 本发明采用云端对无人机进行统一控制，无人机借助各种传感器感知周围环境，实现自主飞行，飞行安全性高，可准确的将快递送至预定地点，并且核实快递接收人身份，投放快递后通过搭载的摄像头模块(3)对快递接收人进行拍照取证，保证了快递安全准确送达。
附图说明
图1为本实施例的立体结构示意图；
图中:1.自紧式桨叶、2卫星定位模块、3摄像头模块、4三轴云台、5无人机总控模块、6起落支架、7高性能无刷电机、8光流传感器、9超声波模块、10高性能电子调速器、11快递装载盒、12快递装载盒控制器、13红外光栅、14指纹扫描模块、15高精度步进电机、16锂电池组；
图2为本实施例快递装载盒(11)主控制器控制芯片的电路原理图；
图3为本实施例快递装载盒(11)步进电机驱动电路原理图；
图4为本实施例光流相机JTAG接口电路原理图；
图5为本实施例光流相机L3GD20陀螺仪电路原理图；
图6为本实施例光流相机MT9V034摄像头电路原理图；
图7为本实施例快递装载盒(11)电源滤波电路原理图；
图8为本实施例快递装载盒控制器(12)128K EEPROM存储芯片电路原理图。
具体实施方案
本发明所述自动投放系统包括：自紧式桨叶(1)、卫星定位模块(2)、摄像头模块(3)、三轴云台(4)、无人机总控模块(5)、起落支架(6)、高性能无刷电机(7)、光流传感器(8)、超声波模块(9)、高性能电子调速器(10)、快递装载盒(11)、快递装载盒控制器(12)、红外光栅(13)、指纹扫描模块(14)、高精度步进电机(15)、锂电池组(16)。自紧式桨叶(1)安装在高性能无刷电机(7)上，摄像头模块(3)固定在三轴云台(4)上，快递装载盒(11)悬挂在无人机机腹后部，起落支架(6)安装在无人机左右两边，超声波模块(9)和光流传感器(8)分别安装在无人机的左右两侧。
所述无人机总控模块(5)为本无人机快递自动投放系统的核心控制模块，由无人机总控模块(5)控制高性能电子调速器(10)、卫星定位模块(2)、摄像头模块(3)、三轴云台(4)、高性能无刷电机(7)、光流传感器(8)、超声波模块(9)、指纹扫描模块(14)。
所述高性能电子调速器(10)与高性能无刷电机(7)相连，控制高性能无刷电机(7)的转速，从而改变各个桨叶所产生的升力，最终实现调节无人机飞行状态。
所述锂电池组(16)与卫星定位模块(2)、摄像头模块(3)、三轴云台(4)、无人机总控模块(5)、光流传感器(8)、超声波模块(9)、高性能电子调速器(10)、快递装载盒控制器(12)、红外光栅(13)、指纹扫描模块(14)相连，为上述各部分提供电能。
所述卫星定位模块(2)与无人机总控模块(5)相连，不断将无人机的位置信息传给无人机总控模块(5)；在卫星定位模块(2)的下方粘贴锡箔纸，防止其他电子设备对卫星定位模块(2)的干扰。
所述光流传感器(8)和超声波模块(9)和无人机总控模块(5)相连，将无人机的运动数据和高度数据传给无人机总控模块(5)。
所述快递装载盒控制器(12)负责监控装载盒内快递情况，以及接收无人机总控模块(5)发来的指令打开或关闭快递装载盒(11)门。
所述红外光栅(13)装在快递装载盒(11)的内壁上，监控快递装载盒(11)中的快递是否被拿出。
所述指纹扫描模块(14)与无人机总控模块(5)相连，安装在快递装载盒(11)外，扫描取快递者的指纹，将指纹数据传给无人机总控模块(5)，以确定取快递者身份。
所述三轴云台(4)包括云台支架、减震垫以及三个高精度舵机，减震垫使摄像头模块(3)拍摄稳定，三轴云台(4)使摄像头模块(3)拍摄不同角度方向的图像，使其对周围的观察更加详细和全面。
所述摄像头模块(3)与无人机总控模块(5)相连，在无人机总控模块(5)的控制下拍摄无人机周围的图像并传送给无人机总控模块(5)。
所述快递装载盒控制器(12)的核心控制芯片采用STC89C52单片机，此单片机与51单片机的指令集相容，在运行时打开其WATCH_DOG功能，在受到强电磁干扰等恶劣情况下导致跑飞时自动复位，提高系统稳定性。此单片机具有价格低廉、运行速度快、能耗低、运行稳定等特点。
在本实施例中，无人机接收来自云端的相关数据，包括航线、快递投放地点、快递接收人信息等数据，待快递被放入快递装载盒(11)中后，无人机自动起飞，不断读取卫星定位模块(2)数据以及其它各传感器数据，不断修正无人机航线和飞行姿态，安全准确的飞到预定地点，到达预定地点后，通过光流传感器(8)，无人机实现定点悬停并读取卫星定位模块(2)数据，确定无误后，无人机总控模块(5)控制摄像头模块(3)和三轴云台(4)配合拍摄地面以及周围情况，并且通过无线传输传到云端，云端确认无误后向无人机下达降落指令，随即无人机开始下降高度，并且无人机总控模块(5)不断读取超声波模块(9)数据，确定无人机的高度和下降速度，以通过高性能电子调速器(10)调整高性能无刷电机(7)转速，以调整无人机下降速度，使无人机平稳的降落。随后无人机提示快递接收人指纹确认身份，然后读取指纹扫描模块(14)数据，在确定收件人身份准确无误后，无人机总控模块(5)控制摄像头模块(3)拍摄收件人图像取证，随后给快递装载盒控制器(12)发送开启快递装载盒(11)门命令。
在本实施例中，快递装载盒控制器(12)接收无人机总控模块(5)的指令，当接收到开启快递装载盒(11)门的指令时，快递装载盒控制器(12)控制高精度步进电机(15)打开快递装载盒(11)门，待红外光栅(13)感应到快递被取走后，快递装载盒控制器(12)控制高精度步进电机(15)关闭快递装载盒(11)门，并将快递已被取走以及快递装载盒(11)门已关闭等信息传给无人机总控模块(5)，无人机总控模块(5)接收到快递装载盒控制器(12)信息后随即起飞，按预定航线飞回。
在本实施例中图2为快递装载盒控制器(12)控制芯片的电路原理图，主控制芯片采用STC89C52单片机，此单片机与51单片机的指令集相容，在运行时打开其WATCH_DOG功能，在受到强电磁干扰等恶劣情况下导致跑飞时可以自动复位，提高系统稳定性，所以此单片机具有价格便宜、运行速度快、能耗低、运行稳定等特点。按照原理图搭建快递装载盒控制器(12)主控芯片电路。
在本实施例中图3高精度步进电机(15)驱动电路原理图，步进电机驱动芯片型号为ULN2003 是高耐压、大电流复合晶体管阵列，由七个硅NPN 复合晶体管组成。按着原理图搭建高精度步进电机(15)驱动电流
在本实施例中图4为光流传感器(8)JTAG接口电路原理图，JTAG是联合测试工作组，JTAG接口可用于对FLASH等器件进行编程，JTAG编程方式大大加快工程进度，按照如图所示搭建JTAG接口的外部电路图。
在本实施例中图5为光流传感器(8)L3GD20陀螺仪电路原理图，陀螺仪可感知光流传感器(8)的姿态，修正光流传感器(8)对移动速度的计算，安装原理图搭建L3GD20外围电路。
在本实施例中图6为光流传感器(8)MT9V034摄像头电路原理图，摄像头是光流传感器(8)最主要部件，光流传感器(8)通过分析摄像头图像的变化来确定无人机的运动状况，从而使无人机自动修正运动状态，按照原理图搭建电路。
在本实施例中图7为快递装载盒控制器(12)电源滤波电路原理图，通过该滤波电路可以滤除电流中含有的交流成分，为控制器的各芯片提供纯净的直流电，按照原理图搭建电路。
在本实施例中图8为快递装载盒控制器(12)128K EEPROM存储芯片电路原理图，由于主控制芯片内部存储空间有限，所以必须外加存储器，存储部分数据或程序，按照原理图搭建电路。
Claims (1)
1.一种基于云端控制的无人机快递自动投放系统,其特征在于:所述自动投放系统包括：自紧式桨叶(1)、卫星定位模块(2)、摄像头模块(3)、三轴云台(4)、无人机总控模块(5)、起落支架(6)、高性能无刷电机(7)、光流传感器(8)、超声波模块(9)、高性能电子调速器(10)、快递装载盒(11)、快递装载盒控制器(12)、红外光栅(13)、指纹扫描模块(14)、高精度步进电机(15)、锂电池组(16)；自紧式桨叶(1)安装在高性能无刷电机(7)上，摄像头模块(3)固定在三轴云台(4)上，快递装载盒(11)悬挂在无人机机腹后部，起落支架(6)安装在无人机左右两边，超声波模块(9)和光流传感器(8)分别安装在无人机的左右两侧；
所述无人机总控模块(5)为本无人机快递自动投放系统的核心控制模块，由无人机总控模块(5)控制高性能电子调速器(10)、卫星定位模块(2)、摄像头模块(3)、三轴云台(4)、高性能无刷电机(7)、光流传感器(8)、超声波模块(9)、指纹扫描模块(14)；
所述高性能电子调速器(10)与高性能无刷电机(7)相连，控制高性能无刷电机(7)的转速，从改变各个桨叶所产生的升力，最终实现调节无人机飞行状态；
所述锂电池组(16)与卫星定位模块(2)、摄像头模块(3)、三轴云台(4)、无人机总控模块(5)、光流传感器(8)、超声波模块(9)、高性能电子调速器(10)、快递装载盒控制器(12)、红外光栅(13)、指纹扫描模块(14)相连，为上述各部分提供电能；
所述卫星定位模块(2)与无人机总控模块(5)相连，不断将无人机的位置信息传给无人机总控模块(5)；在卫星定位模块(2)的下方粘贴锡箔纸，防止其他电子设备对卫星定位模块(2)的干扰；
所述光流传感器(8)和超声波模块(9)和无人机总控模块(5)相连，将无人机的运动数据和高度数据传给无人机总控模块(5)；
所述快递装载盒控制器(12)负责监控装载盒内快递情况，以及接收无人机总控模块(5)发来的指令打开或关闭快递装载盒(11)；
所述红外光栅(13)装在快递装载盒(11)内壁上，监控快递装载盒(11)中快递是否被拿出；
所述指纹扫描模块(14)与无人机总控模块(5)相连，安装在快递装载盒(11)外，扫描取快递者的指纹，将指纹数据传给无人机总控模块(5)，以确定取快递者身份；
所述三轴云台(4)包括云台支架、减震垫以及三个高精度舵机，减震垫使摄像头模块(3)拍摄稳定，三轴云台(4)使摄像头模块(3)拍摄不同角度方向的图像；
所述摄像头模块(3)与无人机总控模块(5)相连，在无人机总控模块(5)的控制下拍摄无人机周围的图像并传送给无人机总控模块(5)；
所述快递装载盒控制器(12)的核心控制芯片采用STC89C52单片机，此单片机与51单片机的指令集相容，在运行时打开其WATCH_DOG功能，在受到强电磁干扰等恶劣情况下导致跑飞时自动复位；
所述自动投放系统工作原理为:无人机接收来自云端的相关数据，包括航线、快递投放地点、快递接收人信息等数据，待快递被放入快递装载盒(11)中后，无人机自动起飞，不断读取卫星定位模块(2)数据以及其它各传感器数据，不断修正无人机航线和飞行姿态，安全准确的飞到预定地点，到达预定地点后，通过光流传感器(8)，无人机实现定点悬停并读取卫星定位模块(2)数据，确定无误后，无人机总控模块(5)控制摄像头模块(3)和三轴云台(4)配合拍摄地面以及周围情况，并且通过无线传输传到云端，云端确认无误后向无人机下达降落指令，随即无人机开始下降高度，并且无人机中控模块不断读取超声波模块(9)数据，确定无人机的高度和下降速度，以通过高性能电子调速器(10)调整高性能无刷电机(7)转速，以调整无人机下降速度，使无人机平稳的降落，随后无人机提示快递接收人指纹确认身份，然后读取指纹扫描模块(14)数据，在确定收件人身份准确无误后，无人机总控模块(5)控制摄像头模块(3)拍摄收件人图像取证，随后给快递装载盒控制器(12)发送开启快递装载盒(11)门命令。
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