CN206892666U - 一种基于视觉导航的四旋翼无人机的自主飞行系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及多旋翼无人机技术领域，尤其涉及一种基于视觉导航的自主飞行四旋翼无人机。本实用新型采用的技术方案是：一种基于视觉导航的四旋翼无人机的自主飞行系统，其特征在于：包括飞行控制板，所述飞行控制板外接电源模块、驱动模块、高度测量模块和视觉导航模块，所述飞行控制板上设有飞控处理器模块、飞行姿态采集模块、显示模块和通讯模块。本实用新型的优点是：本实用新型的四旋翼无人机的自主飞行系统，扩大了无人机的室内导航能力和应用的范围，同时提高了无人机躲避障碍的能力，以及无人机的机动性、智能性。无人机室内飞行技术对于防恐侦查，室内营救、拾取室内目标等具有重要意义。

Description

一种基于视觉导航的四旋翼无人机的自主飞行系统

技术领域

本实用新型涉及多旋翼无人机技术领域，尤其涉及一种基于视觉导航的四旋翼无人机的自主飞行系统。

背景技术

在室内环境中，小型无人机往往采用微机电惯性导航装置。微机电惯性导航依靠内部的加速度计测得三个轴向的运动加速度，积分运算后得到无人机位置信息，在短时间内有很高的定位精度。但微机电惯性系统的零漂较严重，随时间的延长，误差积累使得测量精度不断降低，从而逐渐偏离准确值，不宜单独使用。目前室内环境导航常用的是采用测距传感器来获取外界环境信息，如声纳传感器、激光测距仪等。声纳传感器利用发射一列声波与接受发射波的时间间隔来感知周围环境的距离信息。声纳传感器有价格低廉、数据处理简单、实时性好的优点而被广泛使用，但声纳传感器存在测量误差较大，容易受环境因素如温度、湿度和反射声纳材料等影响。声纳传感器在发射声波时，是按着一个散射角发射的扇形区域，无法确定障碍在扇形区域的准确位置。使用多个声纳传感器时，由于室内环境较拥挤可能产生串扰，即一个声纳传感器发射的声波被另一个声纳传感器接受。声波在复杂环境中多次反射造成能量损耗，如毛後等吸收声能量，使反射的声波能量迅速减少，导致返回时的声波信号低于接受的响应阈值，而错误反馈障碍物的距离。根据声纳传感器的特点，感知环境的信息量少、精度不高和可能出现错误距离反馈，因此声纳传感器在室内导航上无法满足精确度的要求。激光测距仪利用发射一列光束和接受光束的时间间隔来感知周围环境的距离信息。由于光束的传输速度快于声波的传输速度，激光测距仪的测量速度更快，激光测距仪的测量速度主要受仪器中机械结构的电机转速限制。激光测距仪发射的光束散射角小，光波的发射性能好，不会有多次反射和错误反射情况，保证了数据的确定性，可以直接读出真实距离。与声纳传感器相比，激光测距仪在测量一倾数据时，可以测量较大角度和较多数据点，更能准确感知环境的距离信息。但是，激光测距仪价格昂贵，特别是测量三维距离信息的激光雷达。对于一般激光测距仪只能提供一个高度平面上一定测量角度的距离信息，激光接受不了镜面反射损失的光束，对于环境中的玻璃或非常光滑表面的物体无法检测，导致信息缺失。在室内环境中的导航，由于大部分障碍物都垂直地面，可以釆用与地面平行的平面距离信息进行导航。激光测距仪具有测量速度快，测量精度高，对环境中的噪声、光照强度不敏感的特点，满足无人机导航需要的实时性和精确性。但在导航中的路径规划缺乏智能性，在复杂楼道多房间导航时，无法比较判断正确目标房间，在定位目标时，无法计算目标位置。因此，应该提供一种新的技术方案解决上述问题。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是：针对目前室内导航装置存在的不足，提供一种基于视觉导航的自主导航系统。

本实用新型通过以下技术方案来实现：

一种基于视觉导航的四旋翼无人机的自主飞行系统，包括飞行控制板，所述飞行控制板外接电源模块、驱动模块、高度测量模块和视觉导航模块，所述飞行控制板上设有飞控处理器模块、飞行姿态采集模块、显示模块和通讯模块，

所述飞行控制板采用STM32F407飞控处理器模块，用于通过MPU-6050整合的 3轴陀螺仪、3轴加速器以及地磁传感器来采集姿态数据并且采取PID控制，调制 PWM信号输出不同的占空比信号驱动无刷直流电机，控制飞行姿态；

所述飞行姿态采集模块包括加速度传感器和角速度传感器用于对四旋翼无人机进行姿态测量；

所述高度测量模块采用US-100超声波传感器用于测量飞行高度，通过测量超声波模块返回的高电平时间，得到高度，再通过低通滤波进行数据平滑处理，得到稳定的高度信息作为反馈，对四旋翼飞行器飞行高度的进行控制；

所述视觉导航模块采用K60单片机控制OV7725摄像头，用于处理图像数据，并通过串口将路线信息发送给飞行控制板使其调整飞行路线达到巡线的目的，使四旋翼飞行器自主循迹，在规定区域起降、悬停；

所述驱动模块采用无刷电机和电调作为四旋翼无人机的驱动模块，用于实现四旋翼飞行器的稳定运行；

所述通讯模块用于实现数据接收和数据发送；

所述显示模块用于显示实时的数据输出。

进一步的技术方案：

所述四旋翼无人机为四轴飞行器，四轴飞行器配有四个旋浆，四个旋浆两两相对交叉呈十字交叉结构，每个旋浆配有一个无刷直流电机和电调，飞行控制板采调制PWM信号输出不同的占空比信号驱动无刷直流电机，控制飞行姿态。

由于上述技术方案的采用，本实用新型与现有技术相比，具有如下优点：

本实用新型的四旋翼无人机的自主飞行系统，扩大了无人机的室内导航能力和应用的范围，同时提高了无人机躲避障碍的能力，以及无人机的机动性、智能性。无人机室内飞行技术对于防恐侦查，室内营救、拾取室内目标等具有重要意义。

附图说明

图1是本实用新型飞行器自主飞行系统方框图。

其中：1、飞行控制板，2、电源模块，3、驱动模块，4、高度测量模块，5、视觉导航模块，6、飞控处理器模块，7、飞行姿态采集模块，8、显示模块，9、通讯模块。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

如图1所示，一种基于视觉导航的四旋翼无人机的自主飞行系统，包括飞行控制板1，所述飞行控制板1外接电源模块2、驱动模块3、高度测量模块4 和视觉导航模块5，所述飞行控制板1上设有飞控处理器模块6、飞行姿态采集模块7、显示模块8和通讯模块9，

所述飞行控制板1采用STM32F407飞控处理器模块6，用于通过MPU-6050整合的3轴陀螺仪、3轴加速器以及地磁传感器来采集姿态数据并且采取PID控制，调制PWM信号输出不同的占空比信号驱动无刷直流电机，控制飞行姿态；

所述飞行姿态采集模块7包括加速度传感器和角速度传感器用于对四旋翼无人机进行姿态测量；

所述高度测量模块4采用US-100超声波传感器用于测量飞行高度，通过测量超声波模块返回的高电平时间，得到高度，再通过低通滤波进行数据平滑处理，得到稳定的高度信息作为反馈，对四旋翼飞行器飞行高度的进行控制；

所述视觉导航模块5采用K60单片机控制OV7725摄像头，用于处理图像数据，并通过串口将路线信息发送给飞行控制板1使其调整飞行路线达到巡线的目的，使四旋翼飞行器自主循迹，在规定区域起降、悬停；

所述驱动模块3采用无刷电机和电调作为四旋翼无人机的驱动模块，用于实现四旋翼飞行器的稳定运行；

所述通讯模块9用于实现数据接收和数据发送；

所述显示模块8用于显示实时的数据输出。

在本实施中飞行控制板1采用STM32F407飞控处理器，该芯片搭载ARM公司的Cortex-M3内核，内部集成1MB Flash和192KBRAM，内置高速片上振荡器时钟，最高频率可达168MHz，支持看门狗定时器，内置上电复位、按键中断、时钟输出、蜂鸣器输出控制电路等，该芯片具有出色的实时性和优越的功耗控制；同时，它还有丰富的外设，如IIC接口、USART接口等，方便连接数传、超声波、GPS、WiFi、OSD等模块，大大提高系统的拓展性。

在本实施例中，驱动模块3采用无刷电机和电调作为四旋翼无人机的驱动模块，无刷直流电机由电动机主体和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。由于无刷直流电动机是以自控式运行的，不会像变频调速下重载启动的同步电机那样在转子上另加启动绕组，也不会在负载突变时产生振荡和失步。无刷电机具有低干扰，噪声低，运转顺畅，寿命长等优点。而且无刷电机转速快且平稳，这些优点对于模型运行稳定性是一个巨大的支持，完全可以适合本设计要求。

在本实施例中，所述飞行姿态采集模块7包括加速度传感器和角速度传感器用于对四旋翼无人机进行姿态测量，用加速度的测量数据来互补角速度传感器测量的不足，本设计采用6轴运动处理组件MPU-6050，其特点有：

a.内部3轴角速度传感器具有±250、±500、±1000与±2000(°/s)全格测量范围；3轴加速度量程可程序控制，控制范围为±2g、±4g、±8g和±16g。

b.具备较低功耗：芯片供电电压VDD为2.5V±5％、3.0V±5％、3.3V±5％；陀螺仪工作电流5mA，待机电流仅5μA；加速计工作电流500μA，在10Hz低功耗模式下仅40μA。

c.陀螺仪和加速计都具备16位ADC同步采样；另外陀螺仪具备增强偏置和温度稳定的功能，减少了用户校正操作，且具备改进的低频噪声性能；加速计则具备可编程中断和自由降落中断的功能。

d.接口采用可高达400KHz的快速模式IIC，内建频率发生器在所有温度范围仅有1％频率变化。

e.具备较小的4mm×4mm的QFN封装，减少占据面积；

在本实施例中，使用OV7725模块作为飞行器的图像采集模块，OV7725是一款CMOS摄像头器件，属于硬件二值化摄像头，速率可达150帧每秒，去噪点能力极强，二值化效果非常理想。输出8位图像数据，具有自动增益和自动白平衡控制,能进行亮度、对比度、饱和度、γ校正等多种调节功能。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。5V电源供电,工作时功耗<120mW，待机时功耗<10μW。针对于本次设计，OV7725能够采集相应场地情况，在姿态较为平稳的条件，实现场地数据读取，可姿态飞行控制，是实现巡线起飞降落等多个功能的关键因素。

优选的，作为第二个实施例，本实施例是对实施例一的进一步限定，所述四旋翼无人机为四轴飞行器，四轴飞行器配有四个旋浆，四个旋浆两两相对交叉呈十字交叉结构，每个旋浆配有一个无刷直流电机和电调，飞行控制板采调制PWM信号输出不同的占空比信号驱动无刷直流电机，控制飞行姿态。

Claims (2)

1.一种基于视觉导航的四旋翼无人机的自主飞行系统，其特征在于：包括飞行控制板，所述飞行控制板外接电源模块、驱动模块、高度测量模块和视觉导航模块，所述飞行控制板上设有飞控处理器模块、飞行姿态采集模块、显示模块和通讯模块，

所述飞行控制板采用STM32F407飞控处理器模块，用于通过MPU-6050整合的3轴陀螺仪、3轴加速器以及地磁传感器来采集姿态数据并且采取PID控制，调制PWM信号输出不同的占空比信号驱动无刷直流电机，控制飞行姿态；

所述飞行姿态采集模块包括加速度传感器和角速度传感器用于对四旋翼无人机进行姿态测量；

所述高度测量模块采用US-100超声波传感器用于测量飞行高度，通过测量超声波模块返回的高电平时间，得到高度，再通过低通滤波进行数据平滑处理，得到稳定的高度信息作为反馈，对四旋翼飞行器飞行高度的进行控制；

所述视觉导航模块采用K60单片机控制OV7725摄像头，用于处理图像数据，并通过串口将路线信息发送给飞行控制板使其调整飞行路线达到巡线的目的，使四旋翼飞行器自主循迹，在规定区域起降、悬停；

所述驱动模块采用无刷电机和电调作为四旋翼无人机的驱动模块，用于实现四旋翼飞行器的稳定运行；

所述通讯模块用于实现数据接收和数据发送；

所述显示模块用于显示实时的数据输出。

2.根据权利要求1所述的一种基于视觉导航的四旋翼无人机的自主飞行系统，其特征在于：所述四旋翼无人机为四轴飞行器，四轴飞行器配有四个旋浆，四个旋浆两两相对交叉呈十字交叉结构，每个旋浆配有一个无刷直流电机和电调，飞行控制板采调制PWM信号输出不同的占空比信号驱动无刷直流电机，控制飞行姿态。