CN110736451A - 基于超声波的恶劣视觉环境无人机探测系统及其探测方法 - Google Patents

基于超声波的恶劣视觉环境无人机探测系统及其探测方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于超声波的恶劣视觉环境无人机探测系统，包括机载探测系统、无人机和地面站；机载探测系统包含基座、控制单元、电源模块、竖轴电机模块、第一连接臂、横轴电机模块、第二连接臂和超声波测距模块。本发明还公开了基于超声波的恶劣视觉环境无人机探测系统的探测方法。本发明采用空中无人机进行复杂地形测量，针对如浓烟、多雾等恶劣视觉环境的具有很大优势。本发明采用无人机进行探测和数据收发，测量效率高，操作方便，可靠性高。

Description

基于超声波的恶劣视觉环境无人机探测系统及其探测方法
技术领域
本发明属于工程测量技术领域，尤其涉及一种基于超声波的恶劣视觉环境无人机探测系统及其探测方法。
背景技术
环境地形数据的获取对于消防作业、灾害救援、工业建设、国防军事等领域具有重要的意义。目前以光电式传感器、红外传感器、超声波传感器等为基础的测量设备常用于中短距离测量及环境地形探测。然而，光电式传感器和红外传感器在恶劣视觉条件下，例如浓烟、多雾、火灾等环境，会受到很大的干扰甚至无法使用，若环境温度高更会造成红外传感设备失效。因此，上述技术受到了环境限制。相比而言，超声波具有穿透性好，指向性强，可靠性高，成本低等优点，适合在一些浓烟多雾等视觉恶劣条件下的测量。
并且，随着无人机技术的日臻完善，依靠其强大的功能推出了多样化的应用，而基于无人机系统，在恶劣视觉条件下运用超声波技术，可实现对距离及地形的探测，可以替代人力对恶劣环境进行探测。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于超声波的恶劣视觉环境无人机探测系统及其探测方法，适配于无人机，主要针对恶劣成像环境的地形探测任务，并且轻便灵活，对无人机承重负担小，不影响无人机机动性。
本发明提供的基于超声波的恶劣视觉环境无人机探测系统，包括机载探测系统、无人机和地面站；机载探测系统包含基座、控制单元、电源模块、竖轴电机模块、第一连接臂、横轴电机模块、第二连接臂和超声波测距模块；
所述竖轴电机模块固定安装在基座上，所述第一连接臂的一端与竖轴电机模块的输出轴连接，第一连接臂的另一端与横轴电机模块固定连接，横轴电机模块的输出轴与第二连接臂的一端固定连接，所述第二连接臂的另一端与超声波测距模块固定连接，所述竖轴电机模块的输出轴延伸方向与横轴电机模块的输出轴延伸方向在空间中呈正交分布；
所述控制单元与电源模块、竖轴电机模块、横轴电机模块和超声波测距模块相连；
所述竖轴电机模块内置角度位置传感器，在控制单元的输出信号控制下，实现竖轴电机模块的输出轴按指定角度偏转；
所述横轴电机模块内置角度位置传感器，在控制单元的输出信号控制下，实现横轴电机模块的输出轴按指定角度偏转；
所述无人机包含惯性测量单元、GPS、数据接口、用于与地面站进行数据通讯机载收发模块和包含电源输出接口的充电式机载电源；
所述地面站包含控制计算机、用于向无人机发送控制命令及接收数据的地面收发模块和包含供电输出接口的充电式移动电源。
进一步，所述无人机的充电式机载电源和机载探测系统的电源模块可连接地面站的充电式移动电源的电源输出接口进行充电。
进一步，所述基座采用碳纤维材料，基座四个角设有用于固定连接无人机的安装孔位。
进一步，所述控制单元包含数据接口，可以与无人机上的数据接口进行连接，通过无人机的机载收发模块与地面站进行数据通讯。
进一步，所述电源模块内置充电式锂电池，可单独为控制单元、竖轴电机模块、横轴电机模块、超声波测距模块供电。
进一步，所述电源模块还包括电源输入接口，可以连接无人机的充电式机载电源的电源输出接口和地面站的充电式移动电源的电源输出接口，对控制单元、竖轴电机模块、横轴电机模块和超声波测距模块供电，同时对内置锂电池进行充电。
本发明还公开了基于超声波的恶劣视觉环境无人机探测系统的探测方法：工作时，控制单元通过数据接口，从无人机的机载收发模块获取来自地面站的控制计算机的指令信号，对竖轴电机模块和横轴电机模块发送控制信号，使得超声波测距模块以指定角度向被测物体发射超声波脉冲信号，随后超声波测距模块将测得的距离数据返回至控制单元，再经由数据接口，通过无人机的机载收发模块传回地面站；地面站的控制计算机根据无人机惯性测量单元和GPS返回的姿态、海拔高度及位置数据，机载探测系统测得的距离数据，以及竖轴电机模块与横轴电机模块的输出轴转角数据，计算被测物体的高度和相对于无人机的水平位置；被测物体高度H为：H=h 0-L·sinθ，被测物体相对于无人机的水平位置(x r , y r )为：x r =L·cosθ·sinφ， y r =L·cosθ·cosφ， (x r , y r )坐标分别以东和北为正方向。
其中：φ=φ 0+α，θ=θ 0-β，h 0为无人机的海拔高度，L为机载探测系统测得的距离数据，φ为超声波测距模块的指向方向与正北方向的偏角，α为竖轴电机模块的输出轴转角，φ 0为无人机的航向角，θ为超声波测距模块的指向方向与水平方向的夹角，β为横轴电机模块的输出轴转角，θ 0无人机的俯仰角。
选取无人机在工作现场任何一点位置作为参考原点，比如特定的建筑物上方或者起飞地点，GPS返回其经纬度坐标为 (cl 0, ca 0)，无人机在探测过程中的经纬度坐标为(cl t, ca t)；地面站的控制计算机根据上述两组经纬度坐标值，计算出无人机在探测过程中相对于参考原点的水平位置(x t , y t )，(x t , y t )坐标分别以东和北为正方向。
最后再根据被测物体相对于无人机的水平位置(x r , y r )，得到被测物体相对于参考原点的水平位置(x a , y a )为：x a =x t +x r , y a =y t +y r , (x a , y a )坐标分别以东和北为正方向。
地面站的控制计算机发送指令，改变无人机的位置、高度、姿态、竖轴电机模块的输出轴转角和横轴电机模块的输出轴转角，可以对不同区域的物体实现探测；最终地面站的控制计算机将所有被探测物体的高度数据和相对于参考原点的水平位置，建立三维地形模型。
本发明的优点：与现有技术相比，本发明对于浓烟、浓雾等恶劣视觉环境保持良好的探测条件。搭载的机载探测系统适配于无人机，轻便灵活，对无人机承重负担小，不影响无人机机动性。
附图说明
图1是本发明的整体示意图；
图2是本发明的机载探测系统结构示意图；
图3是本发明的物体水平位置探测示意图；
图4是本发明的物体高度探测示意图。
附图标记：
1——机载探测系统；102——控制单元；103——电源模块；104——竖轴电机模块；
105——第一连接臂；106——横轴电机模块；107——第二连接臂；108——超声波测距模块；2——无人机； 3——地面站；101——基座。
具体实施方式
以下结合说明书附图对本发明做出进一步详细说明。
如图1，图2，图3，图4所示：本发明提供的基于超声波的恶劣视觉环境无人机探测系统，包括机载探测系统1、无人机2和地面站3；机载探测系统1包含基座101、控制单元102、电源模块103、竖轴电机模块104、第一连接臂105、横轴电机模块106、第二连接臂107和超声波测距模块108；
所述竖轴电机模块104固定安装在基座101上，所述第一连接臂105的一端与竖轴电机模块104的输出轴连接，第一连接臂105的另一端与横轴电机模块106固定连接，横轴电机模块106的输出轴与第二连接臂107的一端固定连接，所述第二连接臂107的另一端与超声波测距模块108固定连接，所述竖轴电机模块104的输出轴延伸方向与横轴电机模块106的输出轴延伸方向在空间中呈正交分布；
所述控制单元102与电源模块103、竖轴电机模块104、横轴电机模块106和超声波测距模块108相连；
所述竖轴电机模块104内置角度位置传感器，在控制单元102的输出信号控制下，实现竖轴电机模块104的输出轴按指定角度偏转；所述横轴电机模块106内置角度位置传感器，在控制单元102的输出信号控制下，实现横轴电机模块106的输出轴按指定角度偏转；
所述无人机2包含惯性测量单元、GPS、数据接口、用于与地面站3进行数据通讯机载收发模块和包含电源输出接口的充电式机载电源；
所述地面站3包含控制计算机、用于向无人机2发送控制命令及接收数据的地面收发模块和包含供电输出接口的充电式移动电源。
本实施例中，控制单元102采用ARM处理器，竖轴电机模块104和横轴电机模块106均采用内置霍尔角度位置传感器的无刷电机。无人机2采用IMU惯性测量单元内置加速度计、陀螺仪、磁罗盘与气压传感器。
进一步，所述无人机2的充电式机载电源和机载探测系统1的电源模块103可连接地面站3的充电式移动电源的电源输出接口进行充电。
进一步，所述基座101采用碳纤维材料，基座101四个角设有用于固定连接无人机2的安装孔位；所述控制单元102包含数据接口，可以与无人机2上的数据接口进行连接，通过无人机2的机载收发模块与地面站3进行数据通讯；所述电源模块103内置充电式锂电池，可单独为控制单元102、竖轴电机模块104、横轴电机模块106、超声波测距模块108供电；所述电源模块103还包括电源输入接口，可以连接无人机2的充电式机载电源的电源输出接口和地面站3的充电式移动电源的电源输出接口，对控制单元102、竖轴电机模块104、横轴电机模块106和超声波测距模块108供电，同时对内置锂电池进行充电。
基于超声波的恶劣视觉环境无人机2探测系统的探测方法：工作时，控制单元102通过数据接口，从无人机2的机载收发模块获取来自地面站3的控制计算机的指令信号，对竖轴电机模块104和横轴电机模块106发送控制信号，使得超声波测距模块108以指定角度向被测物体发射超声波脉冲信号，随后超声波测距模块108将测得的距离数据返回至控制单元102，再经由数据接口，通过无人机2的机载收发模块传回地面站3；地面站3的控制计算机根据无人机2惯性测量单元和GPS返回的姿态、海拔高度及位置数据，机载探测系统1测得的距离数据，以及竖轴电机模块104与横轴电机模块106的输出轴转角数据，计算被测物体的高度和相对于无人机2的水平位置。
选取无人机2在工作现场任何一点位置作为参考原点，比如特定的建筑物上方或者起飞地点，GPS返回其经纬度坐标，以及无人机2在探测过程中的经纬度坐标；地面站3的控制计算机根据上述两组经纬度坐标值，计算出无人机2在探测过程中相对于参考原点的水平位置；最后再根据被测物体相对于无人机2的水平位置，得到被测物体相对于参考原点的水平位置。
本实施例中，地面站3的控制计算机发送指令，改变无人机2的位置、高度、姿态、竖轴电机模块104的输出轴转角和横轴电机模块106的输出轴转角，可以对不同区域的物体实现探测；最终地面站3的控制计算机将所有被探测物体的高度数据和相对于参考原点的水平位置，建立三维地形模型。
本实施例中，地面站3的控制计算机发送指令，保持竖轴电机模块104的输出轴转角和横轴电机模块106的输出轴转角不变，例如竖轴电机模块104的输出轴转角保持为0°，横轴电机模块106的输出轴转角保持为90°，使得超声波测距模块108以竖直方向向下探测，无人机2的高度、姿态不变，仅改变无人机2的位置，可以实现对无人机2正下方的地形探测。
本实施例中，地面站3的控制计算机发送指令，保持无人机2的位置、高度和姿态不变，竖轴电机模块104的输出轴转角不变，例如0°，仅改变横轴电机模块106的输出轴转角，使得超声波测距模块108在竖平面内摆动工作，实现对纵向区域的地形探测。
本实施例中，地面站3的控制计算机发送指令，保持无人机2的位置、高度和姿态不变，横轴电机模块106的输出轴转角不变，例如45°，仅改变竖轴电机模块104的输出轴转角，使得超声波测距模块108在横平面内摆动工作，实现对横向弧形区域的地形探测。
由此，可以按特定的需求设定指令，让无人机2和机载探测系统1协同运作，实现对特定区域的探测。
最后说明的是，以上所揭露的仅为本发明的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围。对本领域技术人员而言，在没有偏离所附权利要求书中阐明的本发明的精神和范围的情况下，可以在形式和细节上进行各种改变，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.基于超声波的恶劣视觉环境无人机探测系统，包括机载探测系统、无人机和地面站；机载探测系统包含基座、控制单元、电源模块、竖轴电机模块、第一连接臂、横轴电机模块、第二连接臂和超声波测距模块；
所述竖轴电机模块固定安装在基座上，所述第一连接臂的一端与竖轴电机模块的输出轴连接，第一连接臂的另一端与横轴电机模块固定连接，横轴电机模块的输出轴与第二连接臂的一端固定连接，所述第二连接臂的另一端与超声波测距模块固定连接，所述竖轴电机模块的输出轴延伸方向与横轴电机模块的输出轴延伸方向在空间中呈正交分布；
所述控制单元与电源模块、竖轴电机模块、横轴电机模块和超声波测距模块相连；
所述竖轴电机模块内置角度位置传感器，在控制单元的输出信号控制下，实现竖轴电机模块的输出轴按指定角度偏转；
所述横轴电机模块内置角度位置传感器，在控制单元的输出信号控制下，实现横轴电机模块的输出轴按指定角度偏转；
所述无人机包含惯性测量单元、GPS、数据接口、用于与地面站进行数据通讯机载收发模块和包含电源输出接口的充电式机载电源；
所述地面站包含控制计算机、用于向无人机发送控制命令及接收数据的地面收发模块和包含供电输出接口的充电式移动电源。
2.根据权利要求1所述的基于超声波的无人机载环境地形数据探测系统，其特征在于：所述无人机的充电式机载电源和机载探测系统的电源模块可连接地面站的充电式移动电源的电源输出接口进行充电。
3.根据权利要求1所述的基于超声波的无人机载环境地形数据探测系统，其特征在于：所述基座采用碳纤维材料，基座四个角设有用于固定连接无人机的安装孔位。
4.根据权利要求1所述的基于超声波的无人机载环境地形数据探测系统，其特征在于：所述控制单元包含数据接口，可以与无人机上的数据接口进行连接，通过无人机的机载收发模块与地面站进行数据通讯。
5.根据权利要求1所述的基于超声波的无人机载环境地形数据探测系统，其特征在于：所述电源模块内置充电式锂电池，可单独为控制单元、竖轴电机模块、横轴电机模块、超声波测距模块供电。
6.根据权利要求1所述的基于超声波的无人机载环境地形数据探测系统，其特征在于：所述电源模块还包括电源输入接口，可以连接无人机的充电式机载电源的电源输出接口和地面站的充电式移动电源的电源输出接口，对控制单元、竖轴电机模块、横轴电机模块和超声波测距模块供电，同时对内置锂电池进行充电。
7.根据权利要求1所述的基于超声波的恶劣视觉环境无人机探测系统的探测方法，其特征在于：工作时，控制单元通过数据接口，从无人机的机载收发模块获取来自地面站的控制计算机的指令信号，对竖轴电机模块和横轴电机模块发送控制信号，使得超声波测距模块以指定角度向被测物体发射超声波脉冲信号，随后超声波测距模块将测得的距离数据返回至控制单元，再经由数据接口，通过无人机的机载收发模块传回地面站；地面站的控制计算机根据无人机惯性测量单元和GPS返回的姿态、海拔高度及位置数据，机载探测系统测得的距离数据，以及竖轴电机模块与横轴电机模块的输出轴转角数据，计算被测物体的高度和相对于无人机的水平位置；被测物体高度H为：H=h 0-L·sinθ，被测物体相对于无人机的水平位置(x r ,y r )为：x r =L·cosθ·sinφ， y r =L·cosθ·cosφ，(x r , y r )坐标分别以东和北为正方向，
其中：φ=φ 0+α，θ=θ 0-β，h 0为无人机的海拔高度，L为机载探测系统测得的距离数据，φ为超声波测距模块的指向方向与正北方向的偏角，α为竖轴电机模块的输出轴转角，φ 0为无人机的航向角，θ为超声波测距模块的指向方向与水平方向的夹角，β为横轴电机模块的输出轴转角，θ 0无人机的俯仰角；
选取无人机在工作现场任何一点位置作为参考原点，GPS返回其经纬度坐标为 (cl 0,ca 0)，无人机在探测过程中的经纬度坐标为(cl t, ca t)；地面站的控制计算机根据上述两组坐标值，计算无人机在探测过程中相对于参考原点的水平位置(x t , y t ), (x t , y t )坐标分别以东和北为正方向，最后再根据被测物体相对于无人机的水平位置(x r , y r )，得到被测物体相对于参考原点的水平位置(x a , y a )为：x a =x t +x r , y a =y t +y r , (x a , y a )坐标分别以东和北为正方向；
地面站的控制计算机发送指令，改变无人机的位置、高度、姿态、竖轴电机模块的输出轴转角和横轴电机模块的输出轴转角，可以对不同区域的物体实现探测；最终地面站的控制计算机将所有被探测物体的高度数据和相对于参考原点的水平位置，建立三维地形模型。
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