CN207780608U - 一种四旋翼自主飞行器 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于飞行器技术领域，具体涉及一种四旋翼自主飞行器。本实用新型所要解决的技术问题是提出一种四旋翼自主飞行器，解决飞行器不能自动跟踪目标的问题。为了解决上述技术问题，本实用新型提出这样一种四旋翼自主飞行器，包括主控模块、姿态传感模块、探测跟踪模块、飞行控制模块、动力装置和电源模块。本实用新型具有自动跟踪目标，自动寻路的效果。

Description

一种四旋翼自主飞行器

技术领域

本实用新型属于飞行器技术领域，具体涉及一种四旋翼自主飞行器。

背景技术

飞行器自研制成功至今已有80多年，经历过五次局部战争的实战使用考验，因其具有成本低廉，操作灵活，不惧伤亡，操作灵活，生命力强等特点，各国都竞相研发使用，最早的无人机就被人们用于军事侦察，至今飞行器已发展到了社会的各个领域。

飞行器因其制造难度相对较低，获得渠道广泛，侦察更方便。例如在抢劫等犯罪行为发生时，犯罪人员在实施犯罪后就开始逃窜，追踪很麻烦，而且如果直接动用卫星等设施的话，成本很高，消耗大量的人力物力，而且调用时间也比较长，往往会错过最佳的时机，这时飞行器的作用就显而易见了。

然而，大多传统的飞行器不具有追踪功能，及时少数传统的飞行器具有可追踪目标的功能，也不能检测其与追踪目标之间的距离，不方便全方位的追踪工作。

发明内容

根据以上现有技术的不足，本实用新型所要解决的技术问题是提出一种四旋翼自主飞行器，通过采用OpenMV机器视觉模块和超声波识别障碍物的技术，解决了飞行器不能自动跟踪目标的问题，具有自动跟踪目标，自动寻路的效果。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案为：

一种四旋翼自主飞行器,包括主控模块、姿态传感模块、探测跟踪模块、飞行控制模块、动力装置和电源模块；

电源模块分别与主控模块、姿态传感模块、探测跟踪模块、飞行控制模块和动力装置相连，为各用电部件供电；

主控模块分别与姿态传感模块和探测跟踪模块相连，并通过动力装置与飞行控制模块相连；

所述四旋翼自主飞行器还包括遥控装置和无线通讯模块，遥控装置通过无线通讯模块与主控模块进行通讯；

所述探测追踪模块采用OpenMV机器视觉模块。

优选的，所述姿态传感模块采用9轴组合传感器，所述9轴组合传感器采用GY-8610DOF飞控传感器模块，所述GY-8610DOF飞控传感器模块包括轴陀螺仪、三轴加速度计、三轴磁场、气压计和GPS模块。

优选的，所述动力装置包括无动力装置包括无刷电机和螺旋桨，螺旋桨安装在无刷电机上，无刷电机与飞行控制模块相连。

优选的，所述无刷电机的型号为2212型号的电机。

优选的，所述四旋翼自主飞行器还包括障碍躲避模块，用于自动躲避障碍物；所述障碍躲避模块包括发射驱动电路和与发射驱动电路输出端相接的超声波发射探头，还包括用于无线接收超声波发射探头发射信号的超声波接收探头和与超声波接收探头输出端相接的超声波接收处理电路，所述超声波接收处理电路包括依次相接的一级放大电路、二级放大电路、滤波电路和比较电路，所述一级放大电路与超声波接收探头相接，所述发射驱动电路的输入端与主控模块的输出端相接，所述比较电路的输出端与主控模块的输入端相接；所述超声测距模块还包括定时器，定时器与主控模块连接，用于统计超声波发射探头发射时间和超声波接收探头接收时间的时间差。

优选的，所述控制装置安装有显示器，用于显示所述探测追踪模块探测的图像信息。

优选的，所述电源模块采用太阳能电池，以增强续航能力。

优选的，所述飞行控制模块由4个可以单独控制的电子调速器组成，电子调速器的一端与主控模块连接，另一端与动力装置连接。

本实用新型有益效果是:通过探测跟踪模块拍摄并识别目标物体，并能根据目标物体的移动自动生成引导路径，以便控制飞行器沿引导路径自主飞行，能够在无人为干预的情况下实时跟踪目标物体，智能化程度较高。

附图说明

下面对本说明书附图所表达的内容及图中的标记作简要说明：

图1是本实用新型的具体实施方式的结构示意图。

具体实施方式

下面通过对实施例的描述，本实用新型的具体实施方式如所涉及的各构件的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理、制造工艺及操作使用方法等，作进一步详细的说明，以帮助本领域技术人员对本实用新型的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。

如图1所示，一种四旋翼自主飞行器，包括主控模块、姿态传感模块、探测跟踪模块、飞行控制模块、动力装置和电源模块。电源模块分别与主控模块、姿态传感模块、探测跟踪模块、飞行控制模块和动力装置相连，为各用电部件供电。主控模块分别与姿态传感模块和探测跟踪模块相连，并通过动力装置与飞行控制模块相连。所述四旋翼自主飞行器还包括遥控装置和无线通讯模块，无线通讯模块与主控模块相连，遥控装置通过无线通讯模块与主控模块进行通讯。

主控模块采用STM32处理器，负责数据的处理、控制指令的生成，协调其他模块共同运行，本实施例采用的型号为STM32F407系列。

姿态传感模块采用9轴组合传感器，用于感知四旋翼飞行器的飞行姿态，实时低噪声地获取飞行器的姿态信息，并将飞行姿态数据传送给微控制器，微控制器将获得的飞行姿态数据，经过处理后输出最终姿态角，控制无刷电机的转速，保持稳定飞行。

所述9轴组合传感器采用GY-8610DOF飞控传感器模块，GY-8610DOF飞控传感器模块包括轴陀螺仪、三轴加速度计、三轴磁场、气压计和GPS模块。此传感器模块包括MPU6050、HMC5883和MS5611三个传感器。其中，HMC5883是一种表面贴装的高集成模块，并带有数字接口的弱磁传感器芯片，应用于低成本罗盘和磁场检测领域。MS5611气压传感器是集合SPI和I²C(高达20MHz)总线接口的高分辨率气压传感器，分辨率可达到10cm。

探测追踪模块为OpenMV。探测跟踪的功能要求所选探测模块可以快速检测出追踪物的位置坐标，并且需要具有存放一定的数据，供控制芯片进行处理的功能。OpenMV是一个开源、低成本、功能强大的机器视觉模块，通过简单的开发就可轻松实现寻找色块、人脸检测，眼球追踪、边缘检测、标志跟踪等。OpenMV拥有丰富的硬件资源，可引出UART。I²C、SPI、PWM、ADC、DAC以及GPIO等接口方便扩展外围功能。

动力装置包括无刷电机和螺旋桨，螺旋桨安装在无刷电机上，其4个无刷电机带动螺旋桨产生升力与扭力，升力用与抵消飞行器自身重力，扭力用于抵消飞机的陀螺效应，当升力与动力相平衡，扭力相互平衡时，飞行器得以稳定悬停，可以控制扭力差及升力差控制飞行器运动。

飞行控制模块由4个可以单独控制的电子调速器组成，电子调速器的一端与主控模块连接，用于接收主控模块发送来的PWM脉宽调制信号，另一端与无刷电机连接。主控模块通过PWM脉宽调制信号经电子调速器用于控制无刷电机转速，通过调节四个电机转速来改变旋翼转速，实现升力与扭力的变化，进而控制飞行器的姿态和位置。

本实施例的无刷电机采用2212电动机，2212电动机在结构上突破了传统电机的定子结构的形式，采用的是三相无刷的形式。这种新颖的定子结构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。这种结构的变化，不但具有突出的节能特点，更为重要的是使用无刷电子调速器使控制更为灵活。

飞行器稳定飞行的过程中，主控模块使用四元数算法对姿态传感器模块发送来的数据进行处理，得到飞行器当前的飞行状态，通过变速积分PID控制算法和LK光流算法两种控制算法通过飞动力模块驱动飞行控制模块实现对四旋翼飞行器的姿态调整和位置控制。采用PWM脉宽调制技术通过飞行控制模块在对电机转速进行连续调速，从而使飞行器的稳定性、准确性等性能达到最优指标。探测跟踪模块对目标物体进行实时拍摄，通过对每一帧图片进行识别，处理，得出被跟踪的目标物体的运动轨迹，将数据发送给主控模块，主控模块自动生成引导路径，然后控制飞行器沿引导路径进行飞行，从而达到实时自主跟随的目的。

优选的，所述控制装置安装有显示器，用于显示所述探测追踪模块探测的图像信息。

优选的，所述电源模块采用太阳能电池，以增强续航能力。

优选的，所述四旋翼自主飞行器还包括障碍躲避模块，所述障碍躲避模块分别与电源模块和主控模块相连。所述障碍躲避模块使用超声波技术识别障碍物，包括发射驱动电路和与发射驱动电路输出端相接的超声波发射探头，还包括用于无线接收超声波发射探头发射信号的超声波接收探头和与超声波接收探头输出端相接的超声波接收处理电路，所述超声波接收处理电路包括依次相接的一级放大电路、二级放大电路、滤波电路和比较电路，所述一级放大电路与超声波接收探头相接，所述发射驱动电路的输入端与主控模块的输出端相接，所述比较电路的输出端与主控模块的输入端相接；所述超声测距模块还包括定时器，定时器与主控模块连接，用于统计超声波发射探头发射时间和超声波接收探头接收时间的时间差。

电源模块为发射驱动电路供电，同时，主控模块通过发射驱动电路控制超声波发射探头发射脉冲信号，脉冲信号接触到被测物体时反射回来，超声波接收探头接收到超声波发射探头发射的脉冲信号后依次经过一级放大电路、二级放大电路、滤波电路和比较电路的处理后，减少信号的干扰，且转换为主控模块符合的信号范围，发送至主控模块，通过定时器统计超声波发射探头发射时间和超声波接收探头接收时间的时间差，主控模块经过处理得到障碍物识别结果，主控模块再根据识别结果控制所述四旋翼自主飞行器进行障碍躲避。

上面对本实用新型进行了示例性描述，显然本实用新型具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本实用新型的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本实用新型的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本实用新型的保护范围之内。本实用新型的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种四旋翼自主飞行器，其特征在于,包括主控模块、姿态传感模块、探测跟踪模块、飞行控制模块、动力装置和电源模块；

电源模块分别与主控模块、姿态传感模块、探测跟踪模块、飞行控制模块和动力装置相连，为各用电部件供电；

主控模块分别与姿态传感模块和探测跟踪模块相连，并通过动力装置与飞行控制模块相连；

所述四旋翼自主飞行器还包括遥控装置和无线通讯模块，遥控装置通过无线通讯模块与主控模块进行通讯；

所述探测追踪模块采用OpenMV机器视觉模块。

2.根据权利要求1所述的四旋翼自主飞行器，其特征在于,所述姿态传感模块采用9轴组合传感器，所述9轴组合传感器采用GY-8610DOF飞控传感器模块，所述GY-8610DOF飞控传感器模块包括轴陀螺仪、三轴加速度计、三轴磁场、气压计和GPS模块。

3.根据权利要求1所述的四旋翼自主飞行器，其特征在于,所述动力装置包括无动力装置包括无刷电机和螺旋桨，螺旋桨安装在无刷电机上，无刷电机与飞行控制模块相连。

4.根据权利要求3所述的四旋翼自主飞行器，其特征在于,所述无刷电机的型号为2212型号的电机。

5.根据权利要求1所述的四旋翼自主飞行器，其特征在于,所述四旋翼自主飞行器还包括障碍躲避模块，用于自动躲避障碍物；所述障碍躲避模块包括发射驱动电路和与发射驱动电路输出端相接的超声波发射探头，还包括用于无线接收超声波发射探头发射信号的超声波接收探头和与超声波接收探头输出端相接的超声波接收处理电路，所述超声波接收处理电路包括依次相接的一级放大电路、二级放大电路、滤波电路和比较电路，所述一级放大电路与超声波接收探头相接，所述发射驱动电路的输入端与主控模块的输出端相接，所述比较电路的输出端与主控模块的输入端相接；所述超声测距模块还包括定时器，定时器与主控模块连接，用于统计超声波发射探头发射时间和超声波接收探头接收时间的时间差。

6.根据权利要求1所述的四旋翼自主飞行器，其特征在于,所述控制装置安装有显示器，用于显示所述探测追踪模块探测的图像信息。

7.根据权利要求1所述的四旋翼自主飞行器，其特征在于,所述电源模块采用太阳能电池，以增强续航能力。

8.根据权利要求1所述的四旋翼自主飞行器，其特征在于,所述飞行控制模块由4个可以单独控制的电子调速器组成，电子调速器的一端与主控模块连接，另一端与动力装置连接。