CN110525655B - 一种基于飞行器的柔性智能投放装置及投放方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于飞行器的柔性智能投放装置及投放方法，属于多旋翼无人机技术领域。基于飞行器的柔性智能投放装置，包括一个安装在飞行器上的回收投放坞，回收投放坞下方设有用于抓取包裹的抓取部；所述的飞行器上设有激光测距装置，投放点环境安全检测装置；激光测距装置用于测量飞行器及抓取部与地面的高度；投放点环境安全检测装置用于采集投放点的图像数据。本发明提供的基于飞行器的柔性智能投放装置及投放方法，通过四指机械爪实现各类货物的柔性抓取投放；可与现有各类多旋翼无人机匹配。应用于快递运输行业，能大量缩短快递派送时间，降低人力成本。

Description

一种基于飞行器的柔性智能投放装置及投放方法

技术领域

本发明涉及一种基于飞行器的柔性智能投放装置及投放方法，属于多旋翼无人机技术领域。

背景技术

随着人工智能的飞速发展，以及互联网技术的日新月异，使得网络经济成为国民经济的生力军。传统运输行业再也无法满足人们对高效性、便携性、安全性提出的更高的要求。利用多旋翼无人机运输解决了传统的火车、汽车、轮船、飞机运输无法到达末梢的局限性，释放了劳动力，打破了运输行业的壁垒，为运输行业的智能化发展提供了契机。

目前大型快递公司也在积极进行无人机快递的尝试，但通过大量的观察和市场分析，现阶段的无人机投递从根本上缺少一个能够满足自主控制、高适用性、低自重、高载荷等要求的智能投放系统。该系统应能与各类多旋翼飞行器完美适配，能够实现对包裹的柔性抓取。这一系统的缺失，极大地阻碍了快递行业的智能化运作和发展。

随着科技的进步多旋翼无人机已经进入人们的生活，但是现有的无人机基本上还停留在娱乐和游戏的定位，仅具有手动遥控和航拍功能且售价较高，为数不多的多旋翼无人机可以对物品进行投放，但投放方式过于传统无法自主取货投放，投放过程不可控，而且无法采集投放点图像确定投放地点是否平坦干燥，往往采用的都是刚性投放，容易造成被投放物品的损坏无法应用于日常生活和工业领域。

发明内容

本发明针对上述不足提供了一种基于飞行器的柔性智能投放装置及投放方法。

本发明采用如下技术方案：

本发明所述的一种基于飞行器的柔性智能投放装置，包括一个安装在飞行器上的回收投放坞，回收投放坞下方设有用于抓取包裹的抓取部；所述的飞行器上设有激光测距装置，投放点环境安全检测装置；

所述的激光测距装置用于测量飞行器及抓取部与地面的高度；

所述的投放点环境安全检测装置用于采集投放点的图像数据。

本发明所述的基于飞行器的柔性智能投放装置，所述的回收投放坞包括盖帽状的回收舱，所述的回收舱顶端设有驱动电机，驱动电机的驱动轴端设有绕线辊，绕线辊上缠绕收放线，收放线的一端与抓取部相连；

所述的抓取部包括机械爪平台，机械爪平台的上端面设有投放坞固定机构，投放坞固定机构的顶部与收放线相连，投放坞固定机构内设有抓取电机；机械爪平台的下端面设有多连杆机械爪，多连杆机械爪至少为四个，每两个多连杆机械爪相对布置，其中两两所述的多连杆机械爪组成对角式抓取布局；所述的抓取电机驱动多连杆机械爪作动抓取包裹。

本年发明所述的基于飞行器的柔性智能投放装置，所述的多连杆机械爪包括两根相互平行布置的连杆一，相互平行的连杆一的一端通铰接座固定在机械爪平台上，相互平行的连杆一的另一端与两根相互平行的连杆二相铰接，两根相互平行的连杆二的顶端之间设有拖杆；

所述的连杆一与连杆二的杆臂上设有若干个通孔，通孔沿连杆一与连杆二延伸方向成直线排列。

本发明所述的基于飞行器的柔性智能投放装置，所述的抓取电机的驱动端延伸至机械爪平台的下端面，驱动端上设有旋转盘。

本发明所述的基于飞行器的柔性智能投放装置，所述的多连杆机械爪通过绳索与旋转盘相互固定；

所述绳索的一端固定在两根连杆二的通孔上，绳索缠绕至两根连杆一的通孔上并向两根连杆一之间的中心处延伸汇集成整根绳索盘绕在旋转盘上。

本发明所述的基于飞行器的柔性智能投放装置，每个所述多连杆机械爪上分别设有激光测距装置，

所述的激光测距装置内置角度测量模块；

所述的投放点环境安全检测装置包括摄像头及主控模块，摄像头布置在飞行器上，摄像头将获取的图像信息传输至主控模块进行处理并控制飞行器。

本发明所述的基于飞行器的柔性智能投放装置的投放方法，投放步骤如下：

步骤一、飞行器携带包裹到制定投放点，开启激光测距装置对地面高度进行测量，并将测量数据传输至主控制系统；

步骤二、投放点环境安全检测装置对投放点环境进行图像获取并传输至主控制系统；

步骤三、根据步骤一及步骤二反馈的数据满足投放条件后进行投放及回收。

本发明所述的基于飞行器的柔性智能投放装置的投放方法，步骤一中每个多连杆机械爪上的激光测距装置分别进行测量。

本发明所述的基于飞行器的柔性智能投放装置的投放方法，步骤一中每个多连杆机械爪上的激光测距装置分别进行测量；

所述的投放条件为：

一、每个多连杆机械爪上的激光测距装置测得的与地面高度数值相同；

二、激光测得的距离值处于规定的投放安全范围内；该投放安全范围为多连杆机械爪距离投放端面的高度为1cm-10cm。

本发明所述的基于飞行器的柔性智能投放装置的投放方法，通过角度测量模块判断出多连杆机械爪的偏移角度是否超过30°；

如超出设定角度则系统判定包裹为危险状态，回收投放坞收回抓取部，并将信号传递至无人机；

如未超出设定角度则系统维持当前状态不变。

有益效果

本发明提供的基于飞行器的柔性智能投放装置及投放方法，通过四指机械爪实现各类货物的柔性抓取投放；借助超声波传感器、加速度传感器、角度传感器实现投放过程的全天候全自主控制；通过集成式设计，实现数据传输、电源供应的一体化。整套系统自重600g，能投递1.5kg下各类货物。可与现有各类多旋翼无人机匹配。应用于快递运输行业，能大量缩短快递派送时间，降低人力成本。同时因其机构简单可靠，适应性强，也能广泛用于物资勘探、医药急救以及灾害救援与高危环境采样探测等，具有广阔的应用前景与市场潜力。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的抓取部结构示意图；

图3是本发明的机械爪平台结构示意图；

图4是本发明的落地感知系统控制流程图；

图5是本发明的极端环境感知控制流程图；

图6是本发明的电机变速调节系统流程图；

图7是本发明的识别地形图像的神经网络的构建示意图；

图8是本发明的地形识别流程图；

图9是本发明投放点环境安全检测装置的卷积神经网络图；

图10是本发明的激光测距原理图。

图中1是驱动电机，2是主控模块，3是回收舱，4是投放坞固定机构，5是收纳罩，6是抓取电机，7是支撑座，8是多连杆机械爪，81是铰接座，82是连杆一，83是连杆二，84是拖杆，85是通孔，9是绳索。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示：一种基于飞行器的柔性智能投放装置，包括一个安装在飞行器上的回收投放坞，回收投放坞下方设有用于抓取包裹的抓取部；所述的飞行器上设有激光测距装置，投放点环境安全检测装置；激光测距装置用于测量飞行器及抓取部与地面的高度；投放点环境安全检测装置用于采集投放点的图像数据。

本发明提供的激光测距装置：激光测距装置采用四串口单片机来控制四个激光测距仪。将四个激光测距仪分别固定在无人机四根机架上，使得激光测距仪与地面垂直，保证激光测距仪能够向地面发射稳定垂直的激光。将四个激光测距仪接收发送端口分别接在单片机的每个串口上，当到达指定投放点时，控制单片机向激光测距仪发送打开激光指令来打开激光，再通过各个串口接收端接收每个激光测距仪测得的距离。通过单片机来比较四个测距仪测得的距离，只有满足以下两个条件时关闭激光并开始进行投放：(1)、当四个测距仪测得的距离相同即无人机与地面平行；(2)、激光测得的距离值处于规定的投放安全范围内。

本发明提供的投放点环境安全检测装置：在无人机上固定一个摄像头，在到达投放点时打开摄像头对投放点进行图像采集，在将采集好的图像输入到训练好的神经网络模型中进行图像识别，以此来确定投放点是否平坦，是否有水坑、土坡、沙地这类可能会在投放过程中弄脏磨损甚至毁坏货物的地形存在，保证货物能够安全投放，不会有弄脏磨损的情况发生。一旦发现投放点地形不适合投放货物，即发送取消投放指令，取消投放。等待新的投放指令。

回收投放坞包括盖帽状的回收舱，投放坞主要的功能为导向和固定作用，“锥形导向”机构的设计，证了机械爪回收过程中定位的准确性。在投放坞内安装了电机、凯夫拉线固定装置，电源模块、电机控制模块、功能控制模块均采用一体化控制模式，安装在投放坞内控制电机的旁边。充分考虑到机构的紧凑性和受力特点，采用分段式连接固定罩，在槽口内安置有滚珠轴承，保证机构运行的平稳性。

回收投放坞采用分离式回收装置：分离式回收装置安装在投放坞回收投放装置下方。投放系统的上下运动和包裹抓取采用独立式运动设计，提升了系统的稳定性。上部电机固定部分，采用双轴承连接，确保机构的平滑运动。电机直驱式运转方式，机构紧凑型设计，有效地控制了系统空载总重量，确保了系统的轻便性，有效地提高了使用寿命。“锥形导向”回收装置与下部的机械爪回收装置分体运动，两模块互不干涉，巧妙配合运动。投放系统的下降与回收，主要依靠上部舵机控制，下部机械爪的运动，则由下部控制模块驱动。

回收舱顶端设有驱动电机，驱动电机的驱动轴端设有绕线辊，绕线辊上缠绕收放线，收放线的一端与抓取部相连；抓取部包括机械爪平台，机械爪平台的上端面设有投放坞固定机构，投放坞固定机构的顶部与收放线相连，投放坞固定机构内设有抓取电机；机械爪平台的下端面设有多连杆机械爪，多连杆四指机械爪：多连杆四指机械爪安装在分离式回收装置下方，各机械爪用高强度凯夫拉线经多指连杆机械爪主要分为三部分：机械爪手指、机械爪底板、驱动电机及控制模块，机械爪手指有两个自由度，利用多连杆运动特性能够牢固抓取各类尺寸包裹。四个机械爪由一个电机联动通过高强度拉线连接控制，确保可靠抓取的同时也实现了较低的重量。

多连杆机械爪至少为四个，每两个多连杆机械爪相对布置，其中两两所述的多连杆机械爪组成对角式抓取布局；所述的抓取电机驱动多连杆机械爪作动抓取包裹。多连杆机械爪包括两根相互平行布置的连杆一，相互平行的连杆一的一端通铰接座固定在机械爪平台上，相互平行的连杆一的另一端与两根相互平行的连杆二相铰接，两根相互平行的连杆二的顶端之间设有拖杆；连杆一与连杆二的杆臂上设有若干个通孔，通孔沿连杆一与连杆二延伸方向成直线排列。

抓取电机的驱动端延伸至机械爪平台的下端面，驱动端上设有旋转盘。多连杆机械爪通过绳索与旋转盘相互固定；绳索的一端固定在两根连杆二的通孔上，绳索缠绕至两根连杆一的通孔上并向两根连杆一之间的中心处延伸汇集成整根绳索盘绕在旋转盘上。

本发明的多连杆机械爪由单电机四爪联动装置控制：单电机四爪联动装置采用了分线式连接控制，在电机上安装高强度凯夫拉线固定装置，电机正向旋转后会收紧拉线，反向旋转会放松拉线，从而控制机械爪的上升和下降，机械爪的抓取角度由凯夫拉线穿过机械爪上的走线孔调节，在分离式回收装置中，安装有纵向放置的电机，电机上同样安装有凯夫拉线固定装置，当电机正向转动时收紧拉线，机械爪将会收拢抓取货物，电机反转时拉线放松机械爪在重力作用下松开，通过控制电机旋转从而实现对包裹的抓取。在装置中使用的高强度凯夫拉线可以承受重可达1.5千克的货物，其强度高达20.92cN/dtex；抗切割，热稳定性好，拉伸性能好，断裂伸长率达3.55％；且价格相对便宜，节约成本。接线连接方式为四合一式接法，四线牵引确保每个机械爪的独立自由度，单线回收确保降低回收角度的偏差。固定处采用“8字结”，分线处采用“接绳结”，确保灵活性和稳定性。

如图5所示：落地感知控制：无人机飞行到达货物上空时将释放机械爪抓取货物，在此过程中，通过检测加速度来释放机械爪，当机械爪释放加速度小于设定值时调节释放速度，同时通过激光测距仪对机械爪的位置进行检测，当释放高度达到设定值时，停止机械爪的释放，无人机保持悬停状态。当机械爪高度未达到设定值时将循环检测加速度并增加释放电机的转速，直至超声波检测出机械爪位置和设定值一致后无人机进入悬停状态机械爪进入抓取准备。

如图6所示：极端天气感知控制机械手抓爪下落过程中，机械抓爪借助自身的角度测量模块判断出分离式回收装置偏移角度是否超过30°，如果超出，则系统判定包裹为危险状态，分离式回收装置将给投放坞发出快速回收指令，使其上升至上部平台，同时给无人机发送报警信号，使其采取相应措施。若分离式回收装置偏移角度没有超过30°则将维持当前状态不变并将报警状态取消。

如图7所示：变速调节控制在机械爪的抓取和释放过程中，通过单片机对电机进行速度调节，利用激光测距仪对机械爪位置进行检测，在投放过程中若机械爪高度大于总高度的30％则通过单片机发出PWM波控制电机转速增加，若检测出机械爪的位置小于等于总高度的30％则单片机发出PWM波控制电机转速下降至设定值后匀速释放。在回收过程中若机械爪高度小于总高度的70％则通过单片机发出PWM波控制电机转速增加，若检测出机械爪的位置大于等于总高度的70％则单片机发出PWM波控制电机转速下降至设定值后匀速回收。

如图8与图9所示：投放点地形识别控制：本发明采用卷积神经网络对图像进行识别。首先我们先要搭建好一个可以识别地形图像的卷积神经网络。收集多种地形图像作为训练集。首先构建卷积神经网络的构架，确定卷积层、池化层、全连接层的组成，本发明卷积神经网络构架组成为输入层、卷积层、池化层、卷积层、池化层、全连接层、输出层。将训练集随机抽取输入卷积神经网络中，神经网络中，卷积层用于特征提取，将输入的特征向量与一个卷积核进行卷积乘加操作，结果再与激励函数变换，得到新的特征图，公式为：

其中n代表当前层，

表示当前层的第j个特征图，f()表示激励函数，M_j代表输入图的集合，

表示第j个特征图对应的偏置项，

表示当前层第j个特征图与前一层第i个特征图的卷积核，Y_i ^(n-1)表示前一层第i个特征图，*表示卷积运算；

池化层将输入特征图进行压缩，简化网络计算，提取主要特征，公式为：

和

表示当前层和前一层的第j个特型；down()表示采样函数；

和

表示当前层第j个特征图的乘性偏置和加性偏置；

全连接层每个神经元与之前一层所有神经元进行全连接，进行整合局部信息，将输出值送给softmax分类器进行分类，公式为：

h(x)＝f(ω^Tx+b)

h(x)表示神经元的输出值；x表示神经元输入特征向量；w表示权值向量；b表示偏置，T代表矩阵转置。若输出结果与实际值不同，则更改权值参数，重新输入训练集进行训练，如此循环直到输出值与实际值相同，得到卷积神经网络识别地形图像模型。

在投放点打开摄像头，对投放点地形进行图像采集。采集完毕后将图像输入到训练好的地形图像识别卷积神经网络，输出地形识别结果，输入单片机中进行判断，如果地形属于平坦，干燥，满足投递条件，则准备开始投放，否则就取消投放。

本发明考虑物品投放过程中的损坏问题和投放精度的问题，通过GPS定位系统与北斗定位系统构成双星差分式定位系统保证精度，采用多指机械爪对物品实施抓取与投放，物品不易滑落且极大地减小对物品的损伤，投放过程中机械爪沿导向杆下滑投放，回收机械爪时不会受到如大风之类的外部环境影响。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种基于飞行器的柔性智能投放装置，其特征在于：包括一个安装在飞行器上的回收投放坞，回收投放坞下方设有用于抓取包裹的抓取部；所述的飞行器上设有激光测距装置，投放点环境安全检测装置；

所述的激光测距装置用于测量飞行器及抓取部与地面的高度；

所述的投放点环境安全检测装置用于采集投放点的图像数据；

所述的回收投放坞包括盖帽状的回收舱，所述的回收舱顶端设有驱动电机，驱动电机的驱动轴端设有绕线辊，绕线辊上缠绕收放线，收放线的一端与抓取部相连；所述的抓取部包括机械爪平台，机械爪平台的上端面设有投放坞固定机构，投放坞固定机构的顶部与收放线相连，投放坞固定机构内设有抓取电机；机械爪平台的下端面设有多连杆机械爪，多连杆机械爪至少为四个，每两个多连杆机械爪相对布置，其中两两所述的多连杆机械爪组成对角式抓取布局；所述的抓取电机驱动多连杆机械爪作动抓取包裹；

所述的抓取电 机的驱动端延伸至机械爪平台的下端面，驱动端上设有旋转盘；

所述的多连杆机械爪通过绳索与旋转盘相互固定；所述绳索的一端固定在两根连杆二的通孔上，绳索缠绕至两根连杆一的通孔上并向两 根连杆一之间的中心处延伸汇集成整根绳索盘绕在旋转盘上；绳索接线连接方式为四合一式接法，四线牵引确保每个机械爪的独立自由度，固定处采用8字结，分线处采用接绳结；

每个所述多连杆机械爪上分别设有激光测距装置；所述的激光测距装置内置角度测量模块；所述的投放点环境安全检测装置包括摄像头及主控模块，摄像头布置在飞行器上，摄像头将获取的图像信息传输至主控模块进行处理并控制飞行器。

2.根据权利要求1所述的基于飞行器的柔性智能投放装置，其特征在于：所述的多连杆机械爪包括两根相互平行布置的连杆一，相互平行的连杆一的一端通铰接座固定在机械爪平台上，相互平行的连杆一的另一端与两根相互平行的连杆二相铰接，两根相互平行的连杆二的顶端之间设有拖杆； 所述的连杆一与连杆二的杆臂上设有若干个通孔，通孔沿连杆一与连杆二延伸方向成 直线排列。

3.根据权利要求1至2任意一项所述的基于飞行器的柔性智能投放装置的投放方法，其特征在于：投放步骤如下：

步骤一、飞行器携带包裹到制定投放点，开启激光测距装置对地面高度进行测量，并将测量数据传输至主控制系统；

步骤二、投放点环境安全检测装置对投放点环境进行图像获取，将图像输入到训练好的地形图像识别卷积神经网络，输出地形识别结果，并传输至主控制系统；

步骤三、根据步骤一及步骤二反馈的数据满足投放条件后通过双星差分式定位系统保证精度的条件下进行投放及回收。

4.根据权利要求3所述的基于飞行器的柔性智能投放装置的投放方法，其特征在于：步骤一中每个多连杆机械爪上的激光测距装置分别进行测量；所述的投放条件为：

一、每个多连杆机械爪上的激光测距装置测得的与地面高度数值相同；

二、激光测得的距离值处于规定的投放安全范围内。

5.根据权利要求3所述的基于飞行器的柔性智能投放装置的投放方法，其特征在于：通过角度测量模块判断出多连杆机械爪的偏移角度是否超过30°；如超出设定角度则系统判定包裹为危险状态，回收投放坞收回抓取部，并将信号传递 至无人机；如未超出设定角度则系统维持当前状态不变。

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