CN207380555U - 面向自主搬运任务的无人机系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种面向自主搬运任务的无人机系统，包括无人机、设置在无人机上的机械爪抓取系统，动作捕捉系统，以及与所述的无人机的飞行控制系统通讯连接的地面控制站，所述的动作捕捉系统包括多个布置在工作区间内部和/或环周的摄像机，对应固定设置在无人机上的机载标志点，所述的摄像机与所述的地面控制站通讯连接。本实用新型利用多个摄像机对工作区间内的无人机及待抓取的目标物体的位姿信息并进行相应编号，可根据设定好的放置点进行轨迹设定，在各个抓取过程利用摄像机作为无人机的定位系统，定位的精度能够达到毫米级，远高于GPS等其他定位系统的精度。能够自主完成一些危险的抓取任务，降低人类受伤害的可能性，提升工作效率。

Description

面向自主搬运任务的无人机系统

技术领域

本实用新型涉及无人机控制技术领域，特别是涉及一种面向自主搬运任务的无人机系统。

背景技术

随着微电子技术，MEMS,GPS,自主控制技术和数字通讯技术的不断发展，无人机逐渐成为了一种新型的空中力量，使其在军事、民用、科研和商业上得到了广泛的应用。在军事上，四轴飞行器可以代替士兵进行军事侦察、目标搜索以及战后的结果评估，以便减少人员的损伤。在民用和科研上，微小型的四轴飞行器，可以用于建筑的科学测量、天气和地质勘测、大型灾后现场的救援以及大范围农业的监控等任务。在商业上，四轴飞行器多会携带高清摄像头进行航拍，以便达到多角度拍摄效果，提高观赏度。

虽然无人机在我们社会生活的各个方面，已经得到了广泛的应用，但主要还限制在对环境的监控和拍摄层面，还不能和环境进行主动“接触”，对周围环境的物体进行一些操作。如果给无人机装上机械爪，让无人机自主控制机械爪，无人机的功能将会更加强大，应用的范围也将会更广。无人机自主抓取的典型应用有，在事故现场快速运走爆炸装置，对桥梁和建筑物进行维修等，这样做可以降低危险发生的可能，减少二次危害。

在社会生活中，发生危险和自然灾害的现场十分危险，人类无法进入。因此，装有机械爪无人机可以进入危险现场，进行自主作业，极大地降低了工作的危险性，提高救灾的工作效率。

如中国专利CN 106882363公开了一种用于医院血液样本运输的无人机运输系统及运输方法，其中无人机运输系统，包括:布置在各病区的血液样本采集终端；分布在各检验区的血液样本接收终端；用于放置血液样本的样本箱；在血液样本采集终端和血液样本接收终端之间运送样本箱的无人机，所述无人机的底部设有样本箱抓取装置，以及样本箱保护装置，利用无人机运输，提高了效率，但是其基本依靠自身姿态定位，抗干扰性差，不利于要求精细的场合。

实用新型内容

本实用新型的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种面向自主搬运任务的无人机系统。

为实现本实用新型的目的所采用的技术方案是：

一种面向自主搬运任务的无人机系统，包括无人机、设置在无人机上的机械爪抓取系统，动作捕捉系统，以及与所述的无人机的飞行控制系统通讯连接的地面控制站，所述的动作捕捉系统包括多个布置在工作区间内部和/或环周的摄像机，对应固定设置在无人机上的机载标志点，所述的摄像机与所述的地面控制站通讯连接。

所述的机载标志点包括分别与所述的无人机表面固定连接的至少3个球形点，所述的球形点上涂覆有反光材料。

所述的无人机为四旋翼无人机。

所述的球形点粘结在所述的无人机底部和顶部。

所述的摄像机固定在框架上且呈立体布局。

所述的机械爪抓取系统为所述的无人机的飞行控制系统可控连接的机械爪。

还包括与所述的飞行控制系统通讯连接的遥控器。

一种面向自主抓取任务的抓取方法，包括以下步骤，

1)地面控制站通过动作捕捉系统获取工作区间内的无人机以及待抓取的目标物体的位姿信息；

2)地面控制站计算无人机飞行轨迹并生成控制指令，然后将所述的控制指令发送至无人机，

3)无人机的飞行控制系统参照所述的控制指令飞至目标物体并执行抓取，

4)无人机携带目标物体至工作区间内的放置点并释放；

5)重复步骤1)-4)直至目标物体抓取完毕。

所述的飞行轨迹为直线轨迹或圆弧形轨迹。

所述的步骤3)和步骤4)中动作捕捉系统实时捕捉无人机的位姿信息并生成新的控制指令，飞行控制系统在保持无人机位姿稳定的同时实时接收地面控制站的新的控制指令以进行轨迹控制。

包括通过接收遥控器信号脱离所述的飞行轨迹进行遥控飞行的步骤。

所述的圆弧形轨迹的生成方法包括以下步骤，

1)设定辅助轨迹点，

2)根据无人机的位置点、辅助点及目标位置的水平面内坐标生成一个水平面圆弧，所述的目标位置为目标物体位置或放置位置；

3)按起始位置的高度差均匀选取坐标点的Z值并与所述的水平面圆弧相结合生成所述的圆弧形轨迹。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

本实用新型利用多个摄像机对工作区间内的无人机及待抓取的目标物体的位姿信息并进行相应编号，可根据设定好的放置点进行轨迹设定，在各个抓取过程利用摄像机作为无人机的定位系统，定位的精度能够达到毫米级，远高于GPS等其他定位系统的精度。能够自主完成一些危险的抓取任务，降低人类受伤害的可能性，提升工作效率。

附图说明

图1所示为本实用新型的面向自主搬运任务的无人机系统的示意图；

图2所示为摄像机布局示意图。

图3所示为飞行控制系统的控制流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

如图所示，本实用新型的面向自主搬运任务的无人机系统，包括无人机，如四旋翼无人机、设置在无人机上的机械爪抓取系统103，如与所述的无人机的飞行控制系统可控连接的机械爪，动作捕捉系统，以及与所述的无人机通讯连接的地面控制站，所述的动作捕捉系统包括多个布置在工作区间环周的摄像机，对应固定设置在无人机上的机载标志点，所述的摄像机与所述的地面控制站通讯连接。无线通信系统负责地面站控制系统106和飞行控制系统102间的相互通信，本实用新型的无线通信系统104以RS9113无线通信模块为核心，在5G网络下进行数据传输，

本实用新型利用多个摄像机对工作区间内的无人机及待抓取的目标物体的位姿信息并进行相应编号，可根据设定好的放置点进行轨迹设定，在各个抓取过程利用摄像机作为无人机的定位系统，定位的精度能够达到毫米级，远高于GPS等其他定位系统的精度。能够自主完成一些危险的抓取任务，降低人类受伤害的可能性，提升工作效率。

具体地说，所述的机载标志点包括分别与所述的无人机底部固定连接的至少3个球形点，一般为5-7个，所述的球形点上涂覆有反光材料以便被摄像头精确感知。球形点的安装可安装在无人机底部或顶面上，即需要安装在无人机的表面且摄像机能够拍摄到的地方，其在普通球状物体上喷涂上反光材料即可构成所述的球形点，如喷涂伯骑士牌的CFXY0015型的反光喷雾。

标志性球形点分别与无人机固定连接，如粘结，即多点组成一个刚体，只要这个刚体的同时被至少两台摄像机追踪拍摄到，便可以得到刚体的位姿信息。这个刚体位姿代表了无人机的位姿，因此得到无人机的位姿信息。位姿信息包括位置信息和飞行姿态的信息，姿态包括无人机的俯仰角，横滚角和偏航角。基于此，地面控制站可进行轨迹的计算。同时，在目标物体上也可设置一定的标志信息，如二维码等，通过对其进行标识分别，可由摄像头获取其内容物信息，实现搬运的同时分类存放。

其中，所述的摄像机固定在框架上且与地面保持预定高度，优选地，所述的摄像机呈立体布局以实现对不同高度位置的无人机实时有效监测。在对摄像机进行了校准与标定工作之后，则不再移动摄像机相机。作为一个具体实施例，多台摄像机，如16台摄像机安装在高度为2.5米的矩形框架上，平面安装示意图如图2所示，利用固定的摄像机圈定出一个工作区域，利用摄像机的固定位置进行无人机和目标物体的位姿信息获取，通过对视觉信息的采集处理得到无人机的位姿信息，并对应地根据位姿信息发出控制指令给无人机的飞控。精确性高而且获取速度快，能实现自主抓取。当然工作区间可以设置为任意形状，不一定要矩形，也可以是圆形等其他形状。摄像机的数目不固定，但是摄像机的数目越多，工作区间则会越大。当然，对于较大的工作区间，在工作区间内部也可以增设摄像头，利用多点布局的摄像头增大捕捉空间实现任意位置的位姿信息采集，无人机飞行的时候摄像头也会实时获取无人机的位置，并反馈给无人机形成闭环控制。有效保证飞行精度。

进一步地，为确保实验安全，配有与无人机的飞行控制系统直接通讯遥控模块，如RC遥控器模块101，随时切换控制模式，手动控制无人机。

本实用新型还同时公开了一种抓取方法，包括以下步骤，

1)地面控制站通过动作捕捉系统获取工作区间内的无人机的位姿信息以及待抓取的目标物体的位置信息；

2)地面控制站计算无人机飞行轨迹并生成控制指令，然后并将所述的控制指令发送至无人机，飞行轨迹轨迹包含水平位置，高度及航向角信息；

3)无人机参照所述的控制指令飞至目标物体并执行抓取，所述飞行控制系统负责保持无人机的位姿稳定以确保沿预定的飞行轨迹行进，同时通过无线通信系统接收来自地面控制系统的控制指令，用于控制无人机飞行以及发送抓取指令；即，无人机到达抓取位置点时，飞行控制系统发送抓取命令，机械爪抓取系统抓住目标物体，无人机携带物体自主飞向物体放置点，所述飞行控制系统(102)负责保持无人机的位姿稳定，本实用新型采用的飞行控制系统102是开源飞控PIXHAWK，同时增加无线通讯模块，而且对PIXHAWK内部的软件结构进行二次开发，软件流程图如图3所示，通过无线通信系统接收来自地面控制系统(106)的控制指令，用于控制无人机飞行以及发送抓取指令；在pixhawk中加入了两个新的线程，加入了RS9113无线通讯模块的驱动线程，加入了机械爪的控制线程。

4)无人机携带目标物体至工作区间内的放置点并释放；无人机到达物体放置点时，飞行控制系统发送放下命令，机械爪抓取系统放下目标物体；

5)重复步骤1)-4)直至目标物体抓取完毕；

6)无人机空载飞回原点。

本实用新型可以持续抓取多个目标，可用于物流，救援及运输等场景，可以基于对目标物体的分析，进行自动分类搬运，搬运完毕后基于没有目标物体信息的反馈自动回到原点如机场或者充电场等降落，实现完全自动化完全运行。

其中，所述的飞行轨迹为直线轨迹或圆弧形轨迹。如果无人机的位置点与目标物体的位置点的直线上存在障碍物，采用直线轨迹，无人机则可能会撞上障碍物则可采用弧形轨迹。

所述步骤2)地面站控制系统106自主建立出一条弧线飞行轨迹的方法为：地面站控制系统106根据无人机的位置点、目标物体的位置点和辅助轨迹点确定一个圆形方程，从而建立一个弧线的飞行轨迹，辅助轨迹点是一个相对障碍物为安全高度为0的标志点，其为根据障碍物位置事先设定，不会影响无人机的飞行，它和无人机的初始位置点以及目标物体位置点生成弧形轨迹。无人机会从辅助轨迹点的上方经过，从而避开障碍物。因此，弧形轨迹的通用性优于直线轨迹。

如图所示，具体过程如下：

设定无人机的位置点坐标为A(x₁,y₁)，辅助轨迹点的坐标为B(x₂,y₂),目标物体的位置点的坐标为C(x₃,y₃)，假设圆心坐标为O(x₀,y₀),圆的半径为r，那么这个圆的方程可写为：

(x-x₀)²+(y-y₀)²＝r²

并且A,B,C满足以下的方程组：

公式(1)(2)相减，(1)(3)相减之后经过化简可以得到：

关于(x_0,y₀)的方程组具有唯一解的调节是方程组的系数行列式不为0,即：

求解圆心(x₀,y₀)，

其中,

然后可以求得圆弧的半径，

求得圆的轨迹方程之后，从中截取一段作为无人机的飞行轨迹的二维投影段。而坐标Z，是按照高度差均匀选取的坐标点，两者结合组成空间的弧形轨迹的坐标点。

因为在规划轨迹时，轨迹的坐标X,Y是按照那个平面的圆形轨迹来选取的，而坐标Z，是按照高度差均匀选取的坐标点，其可以采用各个点同一高度值，即将目标物体垂直升起，然后沿水平圆弧行进，然后到达目的地后垂直下降的方式，也可根据起始位置的高度差，使其在绕弧形行进的过程中在高度上做均匀变化，均匀变化包括均匀的升起和均匀的降落，这么做既可以满足实际需求，可满足不同高度的位置点、目标物体和放置位置，也能简化规划规划的程序，直接构造一个空间弧形轨迹的程序复杂度比较大。

同时，为提高控制的灵活性和安全性，还包括通过接收遥控器信号脱离所述的飞行轨迹进行遥控飞行的步骤。

通过摄像头组获取放置在工作区间内的无人机和目标物体的视觉信息，经过地面站软件处理得到精准的位姿信息，并发送给地面站控制系统；进行规划轨迹以及生成控制指令，而且无人机和目标物体的位姿信息的序号不同，地面站控制系统会进行识别。本实用新型的飞行控制系统、遥控器、地面站及无人机之间采用无线链路的方式进行无线通信，实现了更方便的控制功能。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (7)

1.一种面向自主搬运任务的无人机系统，其特征在于，包括无人机、设置在无人机上的机械爪抓取系统，动作捕捉系统，以及与所述的无人机的飞行控制系统通讯连接的地面控制站，所述的动作捕捉系统包括多个布置在工作区间内部和/或环周的摄像机，对应固定设置在无人机上的机载标志点，所述的摄像机与所述的地面控制站通讯连接。

2.如权利要求1所述的面向自主搬运任务的无人机系统，其特征在于，所述的机载标志点包括分别与所述的无人机表面固定连接的至少3个球形点，所述的球形点上涂覆有反光材料。

3.如权利要求1所述的面向自主搬运任务的无人机系统，其特征在于，所述的无人机为四旋翼无人机。

4.如权利要求2所述的面向自主搬运任务的无人机系统，其特征在于，所述的球形点粘结在所述的无人机底部和顶部。

5.如权利要求1所述的面向自主搬运任务的无人机系统，其特征在于，所述的摄像机固定在框架上且呈立体布局。

6.如权利要求1所述的面向自主搬运任务的无人机系统，其特征在于，所述的机械爪抓取系统为所述的无人机的飞行控制系统可控连接的机械爪。

7.如权利要求1所述的面向自主搬运任务的无人机系统，其特征在于，还包括与所述的飞行控制系统通讯连接的遥控器。