CN217716438U - 一种无人车、无人机协同导航装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种无人车、无人机协同导航装置，包括无人机、QGC地面站和无人车，所述无人机安装有GPS定位装置、锂电池组、第一无线图传模块、双目相机、第二无线数传模块、支撑板、起落架和飞行控制器，所述飞行控制器包括主控制器、第一I/O控制器、第一IMU惯性导航模块和GPS模块，所述QGC地面站安装有第一无线数传模块，所述无人车设置有MC底层控制模块、上位机图形界面显示模块、速度控制器、转向控制器、第二I/O控制器和第二无线图传模块，所述MC底层控制模块由车载控制器和第二IMU惯性导航模块组成。本实用新型解决了传统导航装置识别范围小、延时较大、受GPS信号影响较大的问题，设计了一种无人车、无人机协同导航装置。

Description

一种无人车、无人机协同导航装置

技术领域

本实用新型涉及无人车、无人机控制系统的技术领域，尤其是涉及一种无人车、无人机协同导航装置。

背景技术

随着人工智能技术的进步，无人机领域的发展日新月异，无人机将会在未来的路面作业中担当重要的角色，现有的无人车驾驶系统主要通过在机动车身上安装各种传感器或者摄像头采集信号，但传统测控方式有一个较大的局限就是采集的信息仅限于车身周围，不能进行全方位的路况信息采集和回传，导致驾驶效率降低，不能及时预判和规避风险，而且在特定的环境下，GPS会缺失和收到干扰，需要不单纯依赖GPS的定位方法，基于视觉的导航方法使用机载摄像头采集路况图像信息，信息回传到无人车，能有效预知前方路况。

如专利号CN105825713B公布的一种车载无人机辅助驾驶系统，该专利主要利用在无人机上安装摄像装置和辅助投影装置的无人设备对车辆的倒车和狭窄道路模式进行辅助。当需要执行飞行任务的时候，无人机控制器控制无人机对周围路况进行拍摄然后传送给无人机控制器的图像处理模块进行图像处理。但这种方式延时较长，无人机在采集信息过程中不稳定，拍摄图像不清晰，会导致图像处理误差较大，不能实时规避风险。

如专利号CN105739523B公布的一种警用车载无人机监测系统和控制方法，该专利主要利用无人机机载摄像头视觉导航感知周围环境信息，通过无线图传模块将感知到的道路环境信息传送给车辆上的警务人员，但无人机机载摄像头受光线的影响较大，不仅不能准确跟踪而且车速过快，若不能准确的感知前方的路况，就会产生严重的安全隐患。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是针对车辆在行进过程中无法预知周围的路况，并且传统的传感器设备流程繁琐、延时较大、达不到实时传送的效果，特别是在GPS信号较弱的环境之中传统的传感器设备通信缺失的问题，而提供一种无人车、无人机协同导航装置，从而做到实时定位和3D建模，通过图像数传模块将周围环境信息上传到车辆显示器上，方便驾驶者更清晰的看清周围环境状况，达到预知和规避障碍物的目的，更好的保障驾驶者的人身安全。

为实现上述目的，本实用新型的无人车、无人机协同导航装置的具体技术方案如下：

一种无人车、无人机协同导航装置，包括：

无人机，所述无人机包括机身和遥控器，所述机身和遥控器分离设置，所述机身安装有四个机臂，所述机臂远离机身的一端安装有电机，所述电机上方安装有螺旋桨叶，所述电机电性连接有电子调速器，所述机身顶部安装有GPS定位装置，所述机身内部安装有锂电池组，所述机身底部安装有第一无线图传模块、双目相机、第二无线数传模块、支撑板和起落架，所述机身包括机头和机尾，所述机头中部安装有飞行控制器，所述飞行控制器包括主控制器、第一I/O控制器、第一IMU惯性导航模块和GPS模块；

QGC地面站，所述QGC地面站安装有第一无线数传模块，所述QGC地面站在无人机起飞前通过UART串口线与无人机的飞行控制器电性连接，用于无人机起飞前的参数校准，所述QGC地面站在无人机起飞后通过第一无线数传模块与无人机的第二无线数传模块通信连接，用于无人机起飞后QGC地面站与无人机的数据传输；以及

无人车，所述无人车设置有MC底层控制模块、上位机图形界面显示模块、速度控制器、转向控制器、路径规划模块、第二I/O控制器和第二无线图传模块，所述MC底层控制模块由车载控制器和第二IMU惯性导航模块组成，所述车载控制器和所述飞行控制器通过UDP协议通信连接，所述车载控制器与速度控制器、转向控制器、第二I/O控制器通过CAN总线协议电性连接。

进一步，所述双目相机正面对称设置有第一摄像头和第二摄像头，所述双目相机外壁设置有USB插口，所述双目相机通过所述USB插口与所述飞行控制器电性连接。

进一步，所述飞行控制器上下两侧设有碳纤维板，用于保护飞行控制器。

进一步，所述锂电池组采用VIDAR锂电池组。

进一步，所述飞行控制器采用Holybro Pixhawk4飞行控制器。

进一步，所述飞行控制器设有PWM波输出口，所述PWM波输出口与所述电机电性连接。

进一步，所述第一无线数传模块和第二无线数传模块均采用LC6600数传模块，所述第一无线图传模块和第二无线图传模块通信连接，用于无人机和无人车之间的数据传输。

进一步，所述遥控器设有发射机，所述机身设有接收机，所述发射机与所述接收机通信连接，所述电子调速器设有信号线，所述电子调速器通过信号线与所述接收机电性连接。

进一步，所述双目相机采用分辨率为1280x720的摄像头。

进一步，所述车载控制器采用研华ARK-3500工控机。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：本实用新型针对传统导航装置的识别范围小、延时较大、受GPS信号影响较大等缺点，创新性的发明了一种无人车、无人机协同导航装置。无人机携带的双目相机对无人车周围环境进行快速扫描，形成整个检测区域的图像，图像上集成了障碍物信息、道路信息、交通标志信息及红绿灯信息等以及结合惯导定位信息，路径规划模块根据以上图像信息选择最优路径。通过无人机和无人车的协同，从技术层面上扩大了导航检测范围、提高了安全性。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型图1中无人机的结构示意图；

图3为本实用新型图2中双目相机的结构示意图；

图4为本实用新型的流程图；

图5为本实用新型的系统框图；

图中标记说明：1、无人机；2、飞行控制器；3、碳纤维板；4、第一无线图传模块；5、GPS定位装置；6、电机；7、螺旋桨叶；8、双目相机；9、支撑板；10、第一摄像头；11、第二摄像头；12、USB插口；13、无人车。

具体实施方式

为了更好地了解本实用新型的目的、结构及功能，下面结合附图和具体较佳实施方式，对本实用新型一种无人车、无人机协同导航装置做进一步详细的描述。

实施例1：

请参阅图1-5，本实用新型提供一种技术方案：一种无人车、无人机协同导航装置，包括：

无人机1，所述无人机1包括机身和遥控器，所述机身和遥控器分离设置，所述机身安装有四个机臂，所述机臂远离机身的一端安装有电机6，所述电机6上方安装有螺旋桨叶7，所述电机6电性连接有电子调速器，所述机身顶部安装有GPS定位装置5，所述机身内部安装有锂电池组，所述机身底部安装有第一无线图传模块4、双目相机8、第二无线数传模块、支撑板9和起落架，所述支撑板9用于固定一些硬件设备，所述机身包括机头和机尾，所述机头中部安装有飞行控制器2，所述飞行控制器2包括主控制器、第一I/O控制器、第一IMU惯性导航模块和GPS模块，所述主控制器用于进行姿态算法和路径规划算法解算，所述第一I/O控制器用于处理输入输出端口，从而控制外设；

QGC地面站，所述QGC地面站安装有第一无线数传模块，所述QGC地面站在无人机1起飞前通过UART串口线与无人机1的飞行控制器2电性连接，用于无人机1起飞前的参数校准，所述QGC地面站在无人机1起飞后通过第一无线数传模块与无人机1的第二无线数传模块通信连接，用于无人机1起飞后QGC地面站与无人机1的数据传输；以及

无人车13，所述无人车13设置有MC底层控制模块、上位机图形界面显示模块、速度控制器、转向控制器、路径规划模块、第二I/O控制器和第二无线图传模块，所述MC底层控制模块由车载控制器和第二IMU惯性导航模块组成，所述第二I/O控制器用于控制无人车13的灯光、喇叭等，所述车载控制器和所述飞行控制器2通过UDP协议通信连接，所述车载控制器与速度控制器、转向控制器、第二I/O控制器通过CAN总线协议电性连接，所述MC底层控制模块通过串口读取第二IMU惯性导航模块的数据并解析。

进一步，所述双目相机8正面对称设置有第一摄像头10和第二摄像头11，所述双目相机8外壁设置有USB插口12，所述双目相机8通过所述USB插口12与所述飞行控制器2电性连接。

进一步，所述飞行控制器2上下两侧设有碳纤维板3，用于保护飞行控制器2。

进一步，所述锂电池组采用VIDAR锂电池组。

进一步，所述飞行控制器2采用Holybro Pixhawk4飞行控制器，用于控制无人机1的姿态、飞行参数进行数据的融合处理。

进一步，所述飞行控制器2设有PWM波输出口，所述PWM波输出口与所述电机6电性连接，所述飞行控制器2通过控制输出PWM波的范围来控制电机6的转速，最终实现对无人机1姿态、转速的控制。

进一步，所述第一无线数传模块和第二无线数传模块均采用LC6600数传模块，所述第一无线图传模块4和第二无线图传模块通信连接，用于无人机1和无人车13之间的数据传输。

进一步，所述遥控器设有发射机，所述机身设有接收机，所述发射机与所述接收机通信连接，所述电子调速器设有信号线，所述电子调速器通过信号线与所述接收机电性连接。

进一步，所述双目相机8采用分辨率为1280x720的摄像头，用于采集无人车13周围的环境信息。

进一步，所述车载控制器采用研华ARK-3500工控机。

工作原理：首先在无人机1起飞前，QGC地面站通过UART串口线与无人机1的飞行控制器2电性连接，来给无人机1的电子调速器、电池等进行参数校准；在无人机1起飞后，QGC地面站通过第一无线数传模块与无人机1的第二无线数传模块通信连接，从而与无人机1进行数据传输，传输的数据会发送给无人机1上安装的Holybro Pixhawk4飞行控制器，所述Holybro Pixhawk4飞行控制器中集成两块主从控制器，分别是主控制器和第一I/O控制器，主控制器主要用来进行姿态算法，路径规划算法解算，第一I/O控制器主要处理输入输出端口，从而控制外设。在飞行过程中双目相机8对无人车13周围道路进行扫描，结合GPS定位装置、第一IMU惯性导航模块采集自身位姿、离障碍物距离和速度信息，将收集到的物理、视觉、电信号转化为数字信号，传入飞行控制器2的主控制器中作为感知算法的输入，输出为障碍物信息、无人机位姿和规划速度信息和现实世界的环境点云建图。即双目摄像头根据双目视觉的左右眼图像得到周围环境的灰度图，然后通过调用OpenCV中的SGBM算法的到图像的视差图再通过双目相机8的几何模型将其变换为三维空间，获得点云矩阵，最后在Pangolin中将其画出，得到的点云矩阵图像上会标记障碍物点的位置，位置信息通过无线图传模块发送给无人车13的上位机图形界面显示模块，无人车13避障以及重新规划路线。

无人机1上的双目相机8结合GPS定位装置、第一IMU惯性导航模块采集自身行驶数据，将收集到的物理、视觉、电信号转化为数字信号，经过UART串口传入主控制器作为感知算法的输入，输出为障碍物信息、无人机位姿和规划速度信息和现实世界的环境点云建图，通过无线图传模块传送给无人车13，无人车13的路径规划模块接收上层环境信息，选择最优路径，实现的功能主要包括：一、跟动及遇障停车模式。在上位机图形界面显示模块选点的垂直方向上拓宽一定距离作为道路的安全边界。在安全边界内将障碍物用矩形框圈出来，并找出距离车最近的障碍物的距离，最近的距离小于7m则触发紧急停车，最近的距离大于等于7m且小于等于20m进行跟车，最近的距离大于20m或者无障碍物则按照原先规划的速度行驶。二、绕障模式。当前方有障碍物挡住行驶道路的时候，路径规划模块能规划出一条合适的路线，平稳安全地绕过障碍物。三、站点停车模式。达到站点之后停车，当车停平稳之后打开车门。MC底层控制模块中的车载控制器接收路径规划模块通过CAN总线发送来的路径规划信息，经过处理后将速度、转向、I/O控制指令等信息传输给速度控制器、转向控制器、第二I/O控制器，从而驱动无人车13的车轮寻迹，无人车13产生联动。

可以理解，本实用新型是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本实用新型的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本实用新型的精神和范围。因此，本实用新型不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本实用新型所保护的范围内。

Claims (10)

1.一种无人车、无人机协同导航装置，其特征在于，包括：

无人机(1)，所述无人机(1)包括机身和遥控器，所述机身和遥控器分离设置，所述机身安装有四个机臂，所述机臂远离机身的一端安装有电机(6)，所述电机(6)上方安装有螺旋桨叶(7)，所述电机(6)电性连接有电子调速器，所述机身顶部安装有GPS定位装置(5)，所述机身内部安装有锂电池组，所述机身底部安装有第一无线图传模块(4)、双目相机(8)、第二无线数传模块、支撑板(9)和起落架，所述机身包括机头和机尾，所述机头中部安装有飞行控制器(2)，所述飞行控制器(2)包括主控制器、第一I/O控制器、第一IMU惯性导航模块和GPS模块；

QGC地面站，所述QGC地面站安装有第一无线数传模块，所述QGC地面站在无人机(1)起飞前通过UART串口线与无人机(1)的飞行控制器(2)电性连接，用于无人机(1)起飞前的参数校准，所述QGC地面站在无人机(1)起飞后通过第一无线数传模块与无人机(1)的第二无线数传模块通信连接，用于无人机(1)起飞后QGC地面站与无人机(1)的数据传输；以及

无人车(13)，所述无人车(13)设置有MC底层控制模块、上位机图形界面显示模块、速度控制器、转向控制器、路径规划模块、第二I/O控制器和第二无线图传模块，所述MC底层控制模块由车载控制器和第二IMU惯性导航模块组成，所述车载控制器和所述飞行控制器(2)通过UDP协议通信连接，所述车载控制器与速度控制器、转向控制器、第二I/O控制器通过CAN总线协议电性连接。

2.根据权利要求1所述的无人车、无人机协同导航装置，其特征在于，所述双目相机(8)正面对称设置有第一摄像头(10)和第二摄像头(11)，所述双目相机(8)外壁设置有USB插口(12)，所述双目相机(8)通过所述USB插口(12)与所述飞行控制器(2)电性连接。

3.根据权利要求1所述的无人车、无人机协同导航装置，其特征在于，所述飞行控制器(2)上下两侧设有碳纤维板(3)，用于保护飞行控制器(2)。

4.根据权利要求1所述的无人车、无人机协同导航装置，其特征在于，所述锂电池组采用VIDAR锂电池组。

5.根据权利要求1所述的无人车、无人机协同导航装置，其特征在于，所述飞行控制器(2)采用Holybro Pixhawk4飞行控制器。

6.根据权利要求1所述的无人车、无人机协同导航装置，其特征在于，所述飞行控制器(2)设有PWM波输出口，所述PWM波输出口与所述电机(6)电性连接。

7.根据权利要求1所述的无人车、无人机协同导航装置，其特征在于，所述第一无线数传模块和第二无线数传模块均采用LC6600数传模块，所述第一无线图传模块(4)和第二无线图传模块通信连接，用于无人机(1)和无人车(13)之间的数据传输。

8.根据权利要求1所述的无人车、无人机协同导航装置，其特征在于，所述遥控器设有发射机，所述机身设有接收机，所述发射机与所述接收机通信连接，所述电子调速器设有信号线，所述电子调速器通过信号线与所述接收机电性连接。

9.根据权利要求1所述的无人车、无人机协同导航装置，其特征在于，所述双目相机(8)采用分辨率为1280x720的摄像头。

10.根据权利要求1所述的无人车、无人机协同导航装置，其特征在于，所述车载控制器采用研华ARK-3500工控机。

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