CN108415033A - 一种无人机巡航系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无人机巡航系统，包括中央处理单元、位置数据采集单元、图像采集单元及动力单元，位置数据采集单元包括光流传感器、超声波传感器、惯性传感器、气压传感器及红外传感器，图像采集单元为激光雷达，动力单元包括电机驱动模块及无刷电机，光流传感器、超声波传感器、惯性传感器、气压传感器、红外传感器、激光雷达及电机驱动模块分别与中央处理单元连接，无刷电机与电机驱动模块连接；本发明通过激光雷达扫描并进行3D成像、位置信息提取，通过多组红外传感器、超声波传感器、气压传感器及惯性传感器采集的数据融合实现定位、巡航，单片机通过光强度传感器采集的数据智能切换激光雷达或光流传感器进行定位，合理利用电能。

Description

一种无人机巡航系统
技术领域
本发明涉及无人机技术领域，尤其涉及一种无人机巡航系统。
背景技术
无人驾驶飞机，简称无人机(UAV)，是一种处在迅速发展中的新概念武器装备，其具有机动灵活、反应快速、无人飞行、操作要求低的优点；无人机通过搭载多类传感器，可以实现影像实时传输、高危地区探测功能，是卫星遥感与传统航空遥感的有力补充。目前，无人机的使用范围已经扩宽到军事、科研、民用三大领域，具体在电力、通信、气象、农业、海洋、勘探、摄影、防灾减灾、农作物估产、缉毒缉私、边境巡逻、治安反恐等领域应用甚广。但目前的民用无人机多采用GPS定位及遥控控制飞行路线，无法做到智能巡航且一旦GPS信号不稳定如室内、洞穴、隧道或者其它没有精确GPS信号可用的地方，就无法准确定位。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出一种可智能巡航、定位的无人机巡航系统，采用激光雷达扫描并进行3D成像、通过SLAM算法绘制地图，通过多组红外传感器、超声波传感器、气压传感器及惯性传感器采集的数据融合实现定位、巡航；单片机通过光强度传感器采集的数据智能切换激光雷达或光流传感器进行定位，合理利用电能。
具体的，一种无人机巡航系统，包括中央处理单元、位置数据采集单元、图像采集单元及动力单元，所述位置数据采集单元包括光流传感器、超声波传感器、惯性传感器、气压传感器及红外传感器，所述图像采集单元为激光雷达，所述动力单元包括电机驱动模块及无刷电机，所述光流传感器、超声波传感器、惯性传感器、气压传感器、红外传感器、激光雷达及电机驱动模块分别与所述中央处理单元连接，所述电机与所述电机驱动模块连接。
进一步的，所述激光雷达包括发射端、接收端、电动云台、图像处理单元及微控制器，所述发射端、接收端、图像处理单元及电动云台分别与所述微控制器连接，所述发射端及接收端均设置在所述电动云台上，所述微控制器与所述中央处理单元通过网线连接。
进一步的，所述发射端为一字线激光器，所述接收端为摄像头，所述图像处理单元为DSP图像处理模块，所述微控制器为AVR单片机，所述电动云台的控制端与AVR单片机通过RS232串口线连接。
进一步的，所述中央处理单元为AVR32单片机。
进一步的，所述系统还包括光强度传感器，所述光强度传感器与所述中央处理单元通过A/D转换模块连接。
进一步的，所述红外传感器包括长距离红外传感器和短距离红外传感器，所述长距离红外传感器和短距离红外传感器分别通过A/D转换模块与所述中央处理单元连接。
进一步的，所述系统还包括蓝牙模块，所述蓝牙模块通过USART串口与所述中央处理单元连接。
进一步的，所述系统还包括数字频谱调制无线接收器，所述数字频谱调制无线接收器通过USART串口与所述中央处理单元连接。
进一步的，所述超声波传感器、惯性传感器、气压传感器及电机驱动模块通过I2C总线与所述中央处理单元连接，所述光流传感器通过SPI总线与所述中央处理单元连接。
本发明的有益效果在于：采用激光雷达扫描并进行3D成像、位置信息提取，通过多组红外传感器、超声波传感器、气压传感器及惯性传感器采集的数据融合实现定位、巡航；单片机通过光强度传感器采集的数据智能切换激光雷达或光流传感器进行定位，合理利用电能。
附图说明
图1是本发明的一种无人机巡航系统的系统示意图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。
如图1所示，一种无人机巡航系统，包括中央处理单元、位置数据采集单元、图像采集单元及动力单元，所述位置数据采集单元包括光流传感器、超声波传感器、惯性传感器、气压传感器及红外传感器，所述图像采集单元为激光雷达，所述动力单元包括电机驱动模块及无刷电机，所述光流传感器、超声波传感器、惯性传感器、气压传感器、红外传感器、激光雷达及电机驱动模块分别与所述中央处理单元连接，所述无刷电机与所述电机驱动模块连接。
进一步的，所述激光雷达包括发射端、接收端、电动云台、图像处理单元及微控制器，所述发射端、接收端、图像处理单元及电动云台分别与所述微控制器连接，所述发射端及接收端均设置在所述电动云台上，所述微控制器与所述中央处理单元通过网线连接。
进一步的，所述发射端为一字线激光器，所述接收端为摄像头，所述图像处理单元为DSP图像处理模块，所述微控制器为单片机，具体为AVR单片机，通过基于视觉的SLAM(实时定位与地图构建)算法对采集到的图像信息进行地图构建、定位，所述电动云台的控制端与单片机通过RS232串口线连接。
进一步的，所述中央处理单元为AVR32单片机。
具体的，超声波传感器为SRF02、惯性传感器为IMU3000、气压传感器为BMP085、远距离红外传感器为GP2Y0A710F、AVR32单片机为UC3A0512、短距离红外传感器为GP2Y0A02YK、光流传感器为ADNS3080。
本实施例中，ADNS-3080是一款光电鼠标传感器，可用于带SPI接口的分线板，作为具备两个自由度的现成光流传感器，该传感器分辨率为30×30像素，帧速率达到6400fps，本实施例中，为了更短的快门速度和在不良照明条件下获得更好的结果，ADNS-3080设置的参数为2400fps、30×30分辨率、400CPI及自动快门速度，镜头焦距为16mm。
进一步的，所述系统还包括光强度传感器，具体为HA2003，所述光强度传感器与所述中央处理单元通过A/D转换模块连接，UC3A0512根据预设的光强度阈值，控制激光雷达的开、关，当光强度传感器采集的数据低于阈值时，启动激光雷达，反之，关闭，由于光流传感器对光强度较敏感，光强度不足时，会严重影响其性能，而激光雷达则具有更高的能耗，采用光流传感器和激光雷达切换的方式，可很好的控制能耗。
进一步的，所述红外传感器包括长距离红外传感器和短距离红外传感器，所述长距离红外传感器和短距离红外传感器分别通过A/D转换模块与所述中央处理单元连接。
进一步的，所述系统还包括蓝牙模块，所述蓝牙模块通过USART串口与所述中央处理单元连接。
进一步的，所述系统还包括数字频谱调制无线接收器，所述数字频谱调制无线接收器通过USART串口与所述中央处理单元连接。
进一步的，所述超声波传感器、惯性传感器、气压传感器及电机驱动模块通过I2C总线与所述中央处理单元连接，所述光流传感器通过SPI总线与所述中央处理单元连接。
本实施例还包括6个PID控制器，用于控制无人机飞行姿态，3个位置PID控制器分别用于根据光流位置估计值计算x轴、y轴、z轴方向的位置计算，3个姿态PID控制器分别用于根据位置PID控制器的计算结果输出roll（绕y轴旋转的角度）、pitch（绕x轴旋转的角度）、yaw（绕z轴旋转的角度）方向的姿态期望值，从而控制电机，调整姿态。
需要说明的是，对于前述的各个方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本申请并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本申请，某一些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和单元并不一定是本申请所必须的。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详细描述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、ROM、RAM等。
以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (9)

1.一种无人机巡航系统，其特征在于，包括中央处理单元、位置数据采集单元、图像采集单元及动力单元，所述位置数据采集单元包括光流传感器、超声波传感器、惯性传感器、气压传感器及红外传感器，所述图像采集单元为激光雷达，所述动力单元包括电机驱动模块及无刷电机，所述光流传感器、超声波传感器、惯性传感器、气压传感器、红外传感器、激光雷达及电机驱动模块分别与所述中央处理单元连接，所述无刷电机与所述电机驱动模块连接。
2.根据权利要求1所述的一种无人机巡航系统，其特征在于，所述激光雷达包括发射端、接收端、电动云台、图像处理单元及微控制器，所述发射端、接收端、图像处理单元及电动云台分别与所述微控制器连接，所述发射端及接收端均设置在所述电动云台上，所述微控制器与所述中央处理单元通过网线连接。
3.根据权利要求2所述的一种无人机巡航系统，其特征在于，所述发射端为一字线激光器，所述接收端为摄像头，所述图像处理单元为DSP图像处理模块，所述微控制器为单片机，所述电动云台的控制端与单片机通过RS232串口线连接。
4.根据权利要求1所述的一种无人机巡航系统，其特征在于，所述中央处理单元为AVR32单片机。
5.根据权利要求1所述的一种无人机巡航系统，其特征在于，所述系统还包括光强度传感器，所述光强度传感器与所述中央处理单元通过A/D转换模块连接。
6.根据权利要求1所述的一种无人机巡航系统，其特征在于，所述红外传感器包括长距离红外传感器和短距离红外传感器，所述长距离红外传感器和短距离红外传感器分别通过A/D转换模块与所述中央处理单元连接。
7.根据权利要求1所述的一种无人机巡航系统，其特征在于，所述系统还包括蓝牙模块，所述蓝牙模块通过USART串口与所述中央处理单元连接。
8.根据权利要求1所述的一种无人机巡航系统，其特征在于，所述系统还包括数字频谱调制无线接收器，所述数字频谱调制无线接收器通过USART串口与所述中央处理单元连接。
9.根据权利要求1所述的一种无人机巡航系统，其特征在于，所述超声波传感器、惯性传感器、气压传感器及电机驱动模块通过I2C总线与所述中央处理单元连接，所述光流传感器通过SPI总线与所述中央处理单元连接。
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