TWM518111U

TWM518111U - 無人機的主動式避障系統

Info

Publication number: TWM518111U
Application number: TW104211356U
Authority: TW
Inventors: 林杰宏
Original assignee: 林杰宏
Priority date: 2015-07-15
Filing date: 2015-07-15
Publication date: 2016-03-01

Description

無人機的主動式避障系統

一個微處理器單元，具有一個或多個操控信號輸入，並且與多個距離感測器連接。微處理器內建嵌入式韌體，其功能在一邊解碼操控信號後暫存的同時，一邊讀取距離感測器的量測結果，依程式內定義的避障條件，時機與規則，於必要時機修正其操控信號的數值，再編碼輸出一個或多個修正後的操控信號給下一級(飛行控制)單元。

現在DIY自行組裝的遙控飛機玩家，透過遙控系統遠端操控飛行器，一般這種遙控系統(非市面上品牌完成機的專用遙控系統)組合包含：(如第1圖所示)

1.發射器(Transmitter.俗稱遙控器)(10)，內含：

a.將搖桿，按鍵，撥桿開關等操控介面(12)轉成翻滾(Roll)，俯仰(Pitch)，偏航(Yaw)與油門(Throttle)等介於1000~2000的數值。

b.編碼(15)：將上述的操控量數值轉成一種串列式信號格式-PPM(Pulse Position Modulation)。

c.將PPM信號(15)轉成射頻(17)。

2.接收器(Receiver)(20)：接收發射機的無線信號(17)，並將它進行逆向工程：信號從射頻轉成基頻，並將操控信號解碼還原成PPM格式(15)後輸入無人機(50)來遙控。

缺點：

●市面上目前並無自組應用上通用的主動式避障系統零組件，DIY無人機完全是人為操控，飛行控制微處理器在不知是否有危險的狀況下，完全接受指令。

●操控者在遠方搖控，不易判斷無人機所在位置與周遭障礙物的距離。

●操控技術不佳者，容易發生事故。危及公共安全。影響無人機產業發展。

本創作在習知的遙控飛行器的系統中加入與距離感測器(40)連結的微處理器控制板(30)：為具有一個或多個操控信號(15)輸入，與多個距離感測器(40)輸入的處理單元，一邊解碼操控信號(15)後暫存，一邊讀取距離感測器(40)的量測結果，依程式內定義的避障時機與規則，於適當時機修正其操控值(38)，再編碼輸出一個或多個修正後的操控信號(39)。

本創作是無人機的主動式避障系統，猶如汽車主動式安全系統，在駕駛的操控危及行車安全時介入，適時修改駕駛的操控方式與操控量。本系統採用可串接來擴增應用的架構，位於先前技術之操控信號傳送的中途，可以適時修改操控信號，所以本創作是可以串接延伸，讓不同功能的微處理器控制板(30)加入修改操控信號的行列，達到內建韌體駕馭無人機(50)完成任務，達到真正無人機自主飛行的境界。

10‧‧‧發射機本體

12‧‧‧發射機上的搖桿/撥桿等操控介面

15‧‧‧PPM(Pulse Position Modulation)格式的操控信號

17‧‧‧載有PPM操控信號的無線電波

20‧‧‧無線操控信號的接收機

30‧‧‧內含韌體(32/35/38)的微處理器控制板

32‧‧‧韌體一：解碼出PPM操控信號的各軸(翻滾/偏航/俯仰/油門等)操控值

35‧‧‧韌體二：讀取與運算各感測器的量測值，並判斷是否需要對各軸操控值做修正

38‧‧‧韌體三：將修正後的各軸操控值編碼回原來的PPM操控信號

40‧‧‧數個距離感測器

41‧‧‧前後距離感測器一對

43‧‧‧左右距離感測器一對

45‧‧‧上下距離感測器一對

47‧‧‧伺服機或步進馬達一個

50‧‧‧無人機

第1圖係習知的遙控飛行器系統

第2圖係本創作在習知系統中的位置與角色

第3圖係本創作之細部架構圖

第4圖係本創作細部架構圖之另一方案

請參閱第2圖、第3圖及第4圖，本創作以微處理器控制板(30)為主體，與各方向距離感測器(40)連結，藉由韌體量測周遭障礙物的距離，以及韌體內部做一連串的運算與判斷，將原本要輸入飛行器的操控信號適時修改，然後再輸出到無人機。詳細說明如下：

操控信號輸入解碼(32)：PPM(Pulse Position Modulation)內有數個通道的脈衝信號，該脈衝持續的時間代表該軸操控值的大小，本創作利用記時器解碼出各軸(翻滾，俯仰，偏航與油門等)在各方向的操控量。讀取後先暫存於一矩陣。

周遭障礙物距離量測值讀取(35)：先對所有距離感測器(40)訂好每一週期各個感測器進行狀況讀取的時程表，以避免微處理器等待空轉。距離量測器包含但不限於：超音波，紅外線，雷射，雷達等距離量測。

操控信號的修正與編碼(38)：修正分修正時機與修正量的決定。當油門信號的數值或下方距離量測超過一臨界值時，代表飛行器已起飛，才是啟動修正功能的時機。修正量的決定係取相反兩方向障礙物的距離來做比對，以免在做某一方向之相反方向的操控修正時沒有考慮到其相反方向的距離。各軸(翻滾，俯仰，偏航與油門等)操控值修正完後編碼成PPM信號(39)輸出到無人機(50)，周而復始。

距離感測器的安裝方式可分為固定式：(41)+(43)+(45)如第3圖，各方向距離感測器固定安裝在機身上。另一種方式是旋轉式：(41)+(47)如第4圖。量測相反兩方向的感測器安裝在伺服機或是步進馬達上，在180度來迴旋轉範圍內每次做固定角度的旋轉與距離量測，所得的數值存入一矩陣中。

10‧‧‧發射機

15‧‧‧操控信號

20‧‧‧接收機

30‧‧‧微處理器控制板

39‧‧‧修正後的操控信號

40‧‧‧距離感測器

50‧‧‧無人機

Claims

一種無人機的主動式避障系統，以一個微處理器控制板(30)為主體，連結距離感測器(40)、送出操控信號的接收機(20)以及無人機(50)，具有在偵測到預先設定的臨界距離值時中斷接收之操控信號的傳送，改為自行發送操控信號，自動操控無人機保持在臨界距離之外，避免碰撞的功能，其中包括：一個操控信號的輸入(15)，一個操控信號的輸出(39)，一個或多個量測距離的感測器(40)連接。
如請求項1所述之無人機的主動式避障系統，其中之微處理器控制板(30)內建具有避障功能韌體，具有操控信號輸入(15)的解碼功能(32)與編碼功能(37)，而且此操控信號的係來自接收器要輸出給無人機的信號，該信號至少包含翻滾，俯仰，偏航與油門等4個以上的操控值，韌體會將它解碼取出各別的數據，暫存與修正之後再編碼成原來操控信號的格式輸出到無人機。
如請求項1所述之無人機的主動式避障系統，其中之操控信號的輸入(15)與操控信號的輸出(39)可以讓多個微處理器控制板(30)串接在一起，讓不同應用的控制板加入操控無人機的行列。
如請求項1所述之無人機的主動式避障系統，其中之一個或多個量測距離的感測器(40)包括：超音波，紅外線以及雷射。
如請求項1所述之無人機的主動式避障系統，其中之一個或多個量測距離感測器(40)的距離量測方式包含固定式：量測器(41/43/45)固定在機身上，朝固定方向量測障礙物距離；以及旋轉式：量測器(41)安裝在伺服機或是步進馬達(47)上，每次以固定角度以順時鐘或逆時鐘方向做180度範圍內的來回旋轉，量測每特定位移角度該方向的障礙物距離。
如請求項4所述之無人機的主動式避障系統，其中之超音波距離量測感測器因為音波的傳導速度較慢，為避免在多個感測器循序量測距離耗費太多時間，故設定最大距離量測值，超過此範圍的距離會放棄等待真正的數值。
如請求項2所述之無人機的主動式避障系統，其中之避障功能韌體，若偵測到相反之兩方向的障礙物距離均小於臨界距離值，其操控信號的修正(39)，採用兩相反方向障礙物的中間點為操控無人機移動的目標。