CN108803664A - 一种自主飞行投物无人机及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种自主飞行投物无人机及控制方法,属于无人机领域。所述无人机包括：无人机主体、摄像头、超声波测距模块和电磁铁模块；所述控制方法包括：1)接通所述电磁铁驱动电路，使电磁铁吸住挂载物；2)设定投放目标位置、目标飞行高度、目标投放高度和目标降落位置；3)控制系统根据投放目标位置、飞行高度、目标投放高度和目标降落位置的设定使无人机机身起飞并自主飞行至指定投放位置；4)到达投放目标位置后，所述主控制器控制电磁铁断电，实现挂载物投放；5)无人机机身返回起飞位置并降落。本发明可以在无法人工遥控的环境下执行相应比较危险的投掷任务，一旦飞行器无法返航或被攻击，对于操作人员自身并无损害。
Description
技术领域
本发明属于无人机领域，具体涉及一种自主飞行投物无人机及控制方法。
技术背景
自主飞行投物四旋翼是基于当前市面流行的多通道遥控控制飞行四旋翼而设计制作的，旨在实现四旋翼飞行器的自主飞行。其实质在于用单片机处理传感器的数据后输出相应的控制飞行器的信号，从而实现飞行器的自主飞行。
当前四旋翼飞行器多是基于多通道遥控进行人为控制飞行，其飞行过程必须有人用遥控器操作，然后完成相应的动作和任务。这类飞行器一旦处于电磁干扰强烈的地带，则无法飞行或失控。现有投物无人机在飞行过程中，需要人工全程操作，人员占用大，不利于工作效率的提升。
发明内容
针对上述存在的技术问题，本发明提供一种自主飞行投物无人机，包括：包括无人机主体、摄像头、超声波测距模块、电磁铁模块；
所述无人机主体为多旋翼无人机，包括无人机机身和基站；
所述无人机机身的控制系统包括主控制器、飞行控制器、转接板、电调和电机；所述基站以无线通讯的方式与所述控制系统连接；
所述主控制器通过转接板与飞行控制器连接；
所述电机通过电调与飞行控制器连接；
所述转接板承载所述主控制器和飞行控制器，其中主控制器通过转接板分别与所述摄像头和超声波测距模块连接，飞行控制器通过转接板与所述电调连接；
所述摄像头通过转接板与主控制器连接；
所述超声波测距模块通过转接板与主控制器连接；
所述电磁铁模块安装在无人机机身上；
所述电磁铁模块包括电磁铁和电磁铁驱动电路，其中电磁铁由电磁铁驱动电路进行驱动；
所述电磁铁驱动电路通过转接板与主控制器连接。
所述主控制器采用瑞萨RL78/G13R5F100LE单片机，为5V单片机，具有64个引脚，64KB ROM，4KB RAM，具备输出6路PWM、处理超声波和摄像头数据的能力，具备方便使用的编译软件。
所述飞行控制器为APM2.8开源飞控。
所述转接板为PCB板。
所述摄像头为Omnivision公司的1/3英寸数字式CMOS彩色/黑白图像传感器OV7620；
其总有效像素单元为664(水平方向)×492(垂直方向)像素；
其内置10位双通道A/D转换器，输出8位图像数据；
其具有自动增益和自动白平衡控制功能，并具有进行亮度、对比度、饱和度、γ校正调节功能；
其视频时序产生电路可产生行同步、场同步、混合视频同步等多种同步信号和像素时钟等多种时序信号；
其采用5V电源供电，工作时功耗<120mW，待机时功耗<10μW；
其支持连续和隔行扫描方式，VGA与QVGA两种图像格式；
其帧速率为30fps；
其数据格式包括YUV、YCrCb、RGB三种；
其内部采用FIFO做数据缓冲。
所述超声波测距模块为US-100超声波测距模块；
其可实现2cm～4.5m的非接触测距功能，具有2.4～5.5V的电压输入范围，静态功耗低于2mA；具有GPIO，串口等多种通信方式；
其自带温度传感器能够对测距结果进行校正；
其自带看门狗，工作稳定可靠。
一种自主飞行投物无人机的控制方法，采用上述的自主飞行投物无人机，包括以下步骤：
步骤1，所述无人机在起飞前接通所述电磁铁驱动电路，使电磁铁吸住挂载物；
步骤2，操作人员在所述基站上完成投放目标位置、目标飞行高度、目标投放高度和目标降落位置的设定，并通过无线通讯上传至所述无人机机身的控制系统；其中，目标飞行高度大于30cm；
步骤3，操作人员通过基站向所述无人机机身的控制系统发送起飞指令，控制系统根据投放目标位置、飞行高度、目标投放高度和6目标降落位置的设定使无人机机身起飞并自主飞行至指定投放位置；
飞行过程中，将所述摄像头拍摄到的图像数据及所述超声波模块的测量数据作为状态数据发送至所述控制系统的主控制器，主控制器根据状态数据得出无人机机身的飞行高度，并与目标飞行高度进行对比，根据对比结果生成控制指令，控制所述飞控与电机的动作，保证无人机机身按目标飞行高度飞行；
同时，所述主控制器根据状态数据得出飞行路径及相应的控制指令，使无人机机身按所述飞行路径飞行；
步骤4，到达投放目标位置后，所述摄像头及所述超声波模块测量无人机的飞行高度，与目标投放高度进行对比，主控制器根据对比结果生成控制指令，使无人机机身自主到达目标投放高度，所述主控制器控制电磁铁断电，实现挂载物投放；
步骤5，主控制器按照来时路径生成控制指令，使无人机机身返回起飞位置并降落。
本发明的有益效果：
本发明提出一种自主飞行投物无人机及控制方法，可以实现一键起飞后自主飞行，并完成预先设置的投放任务，可以根据设定自动飞行到相应位置，执行相应任务并返航，整个飞行过程和执行任务过程无需人为干预。
采用摄像头识别路径和超声波定高两个关键技术。摄像头识别路径技术，保证了飞行器自主飞行路径的正确；超声波定高技术，保证了飞行器自主飞行的高度和稳定性。这两项技术的应用，使无人机不再依靠人工遥控，可以飞行到操作人员视线外的地带，也可以飞行到电磁干扰强烈的地带。
本发明可以执行相应比较危险的任务，比如将物品携带到人类无法前往的地带进行救援或侦查，一旦飞行器无法返航或被攻击，对于操作人员自身并无损害。
本发明可以节省人工操作的时间，节省劳动力。如选用大型无人机主体，则可以执行喷洒农药等任务。
本发明设计合理，易于实现，具有很好的实用价值。
附图说明
图1为本发明具体实施方式中所述自主飞行投物无人机的结构示意图；
图2为本发明具体实施方式中所述自主飞行投物无人机的控制方法流程图。
图中：1、摄像头；2、超声波测距模块；3、电磁铁模块；3-1、电磁铁；3-2、电磁铁驱动电路；4、无人机机身；4-1、主控制器；4-2、飞行控制器；4-3、转接板；4-4、电调；4-5、电机。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施实例，对本发明做出进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提出一种自主飞行投物无人机，如图1所示，包括无人机主体、摄像头1、超声波测距模块2、电磁铁模块3；
所述无人机主体为具有独立飞行功能的多旋翼无人机，包括无人机机身4和基站；
所述无人机机身4的控制系统包括主控制器4-1、飞行控制器4-2、转接板4-3、电调4-4和电机4-5；
所述基站以无线通讯的方式与所述控制系统连接；
所述主控制器4-1通过转接板4-3与飞行控制器4-2连接；
所述主控制器4-1采用瑞萨RL78/G13R5F100LE单片机，为5V单片机，具有64个引脚，64KB ROM，4KB RAM，具备输出6路PWM、处理摄像头1和超声波测距模块2的数据的能力，具备方便使用的编译软件；
所述飞行控制器4-2为APM2.8开源飞控；
所述转接板4-3为PCB板，承载所述主控制器4-1和飞行控制器4-2，其中主控制器4-1通过转接板4-3分别与所述摄像头1和超声波测距模块2连接，飞行控制器4-2通过转接板4-3与所述电调4-4连接；
所述电机4-5与电调4-4连接；
所述摄像头1通过转接板4-3与主控制器4-1连接；
所述摄像头1采用Omnivision公司的1/3英寸数字式CMOS彩色/黑白图像传感器OV7620；
其总有效像素单元为664(水平方向)×492(垂直方向)像素；
其内置10位双通道A/D转换器，输出8位图像数据；
其具有自动增益和自动白平衡控制功能，并具有进行亮度、对比度、饱和度、γ校正调节功能；
其视频时序产生电路可产生行同步信号、场同步信号、混合视频同步信号和像素时钟时序信号；
其采用5V电源供电，工作时功耗<120mW，待机时功耗<10μW；
其支持连续和隔行扫描方式，支持VGA与QVGA两种图像格式；
其帧速率为30fps；
其数据格式包括YUV、YCrCb和RGB；
其内部采用FIFO做数据缓冲，方便于数据采集；
所述超声波测距模块2为US-100超声波测距模块；
其可实现2cm～4.5m的非接触测距功能，具有2.4～5.5V的电压输入范围，静态功耗低于2mA；具有GPIO和串口通信方式；
其自带温度传感器，用于对测距结果进行校正；
其自带看门狗，工作稳定可靠；
所述电磁铁模块3安装在无人机机身4上；
所述电磁铁模块3包括电磁铁3-1和电磁铁驱动电路3-2，其中电磁铁3-1与电磁铁驱动电路3-2连接，电磁铁3-1由电磁铁驱动电路3-2进行驱动；
所述电磁铁驱动电路3-2通过转接板4-3与主控制器4-1连接；
本发明提出一种自主飞行投物无人机的控制方法，如图2所示，其采用上述自主飞行投物无人机，包括以下步骤：
步骤1，所述无人机在起飞前接通所述电磁铁驱动电路3-2，使电磁铁3-1吸住挂载物；
步骤2，操作人员在所述基站上完成飞行目标数据的设定，并通过无线通讯将飞行目标数据上传至所述无人机机身4的控制系统；其中，目标飞行高度大于30cm；
所述飞行目标数据包括投放目标位置、目标飞行高度、目标投放高度和目标降落位置；
步骤3，操作人员通过基站向所述无人机机身4的控制系统发送起飞指令，控制系统根据起飞指令和飞行目标数据使无人机机身4起飞并自主飞行至指定投放位置；
飞行过程中，将所述摄像头1拍摄到的图像数据及所述超声波模块的测量数据作为状态数据发送至所述控制系统的主控制器4-1，主控制器4-1根据状态数据得出无人机机身4的飞行高度，并与目标飞行高度进行对比，根据对比结果生成控制指令，控制所述飞行控制器4-2与电机4-5的动作，保证无人机机身4按目标飞行高度飞行；
同时，所述主控制器4-1根据状态数据得出飞行路径及相应的控制指令，使无人机机身4按所述飞行路径飞行；
步骤4，到达投放目标位置后，所述摄像头1及所述超声波模块测量无人机的飞行高度，与目标投放高度进行对比，主控制器4-1根据对比结果生成控制指令，使无人机机身4自主到达目标投放高度，所述主控制器4-1控制电磁铁3-1断电，实现挂载物投放。
步骤5，主控制器4-1按照来时路径生成控制指令，使无人机机身4返回起飞位置并降落。
采用所述控制方法，使所述无人机能够根据设定的目标飞行高度、目标投放高度和目标降落位置连续稳定地完成起飞、指定高度水平飞行、指定地点投物、平稳降落的动作，无需以任何方式进行人工干预。
Claims (8)
1.一种自主飞行投物无人机，其特征在于，包括：包括无人机主体、摄像头、超声波测距模块、电磁铁模块；
所述无人机主体为具有独立飞行功能的多旋翼无人机，包括无人机机身和基站；所述基站与无人机机身无线连接；
所述无人机机身的控制系统包括主控制器、飞行控制器、转接板、电调和电机；所述基站以无线通讯的方式与所述控制系统连接；
所述主控制器通过转接板与飞行控制器连接；
所述转接板承载所述主控制器和飞行控制器，其中主控制器通过转接板分别与所述摄像头和超声波测距模块连接，飞行控制器通过转接板与所述电调连接；
所述电机与电调连接；
所述摄像头通过转接板与主控制器连接；
所述电磁铁模块安装在无人机机身上；
所述电磁铁模块包括电磁铁和电磁铁驱动电路，其中电磁铁与电磁铁驱动电路连接，电磁铁由电磁铁驱动电路进行驱动；
所述电磁铁驱动电路通过转接板与主控制器连接。
2.根据权利要求1所述的自主飞行投物无人机，其特征在于，所述主控制器采用瑞萨RL78/G13R5F100LE单片机，为5V单片机，具有64个引脚，64KB ROM，4KB RAM，具备输出6路PWM、处理摄像头和超声波测距模块的数据的能力，具备编译软件。
3.根据权利要求1所述的自主飞行投物无人机，其特征在于，所述飞行控制器为APM2.8开源飞控。
4.根据权利要求1所述的自主飞行投物无人机，其特征在于，所述转接板为PCB板。
5.根据权利要求1所述的自主飞行投物无人机，其特征在于，所述摄像头1采用1/3英寸数字式CMOS彩色/黑白图像传感器；其总有效像素单元为664(水平方向)×492(垂直方向)像素；其内置10位双通道A/D转换器，输出8位图像数据；其具有自动增益和自动白平衡控制功能，并具有进行亮度、对比度、饱和度、γ校正调节功能；其视频时序产生电路可产生行同步信号、场同步信号、混合视频同步信号和像素时钟时序信号；其采用5V电源供电，工作时功耗<120mW，待机时功耗<10μW；其支持连续和隔行扫描方式，支持VGA与QVGA两种图像格式；其帧速率为30fps；其数据格式包括YUV、YCrCb和RGB；其内部采用FIFO做数据缓冲。
6.根据权利要求1所述的自主飞行投物无人机，其特征在于，所述超声波测距模块为US-100超声波测距模块；其可实现2cm～4.5m的非接触测距功能，具有2.4～5.5V的电压输入范围，静态功耗低于2mA；具有GPIO和串口通信方式；其自带温度传感器，用于对测距结果进行校正；其自带看门狗。
7.一种自主飞行投物无人机的控制方法，其特征在于，采用权利要求1所述的自主飞行投物无人机，包括以下步骤：
步骤1，所述无人机在起飞前接通所述电磁铁驱动电路，使电磁铁吸住挂载物；
步骤2，操作人员在所述基站上完成飞行目标数据的设定，并通过无线通讯将飞行目标数据上传至所述无人机机身的控制系统；
步骤3，操作人员通过基站向所述无人机机身的控制系统发送起飞指令，控制系统根据起飞指令和飞行目标数据使无人机机身起飞并自主飞行至指定投放位置；
飞行过程中，将所述摄像头拍摄到的图像数据及所述超声波模块的测量数据作为状态数据发送至所述控制系统的主控制器，主控制器根据状态数据得出无人机机身的飞行高度，并与目标飞行高度进行对比，根据对比结果生成控制指令，控制所述飞行控制器与电机的动作，保证无人机机身按目标飞行高度飞行；
同时，所述主控制器根据状态数据得出飞行路径及相应的控制指令，使无人机机身按所述飞行路径飞行；
步骤4，到达投放目标位置后，所述摄像头及所述超声波模块测量无人机的飞行高度，与目标投放高度进行对比，主控制器根据对比结果生成控制指令，使无人机机身自主到达目标投放高度，所述主控制器控制电磁铁断电，实现挂载物投放；
步骤5，主控制器按照来时路径生成控制指令，使无人机机身返回起飞位置并降落。
8.根据权利要求7所述的自主飞行投物无人机的控制方法，其特征在于，所述飞行目标数据包括投放目标位置、目标飞行高度、目标投放高度和目标降落位置。
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