一种自主避障的无人机

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一种自主避障的无人机
申请号	CN201910802384.1	申请日	2019-08-28	公开(公告)号	CN110450947A	公开(公告)日	2019-11-15
申请人	华东师范大学;			发明人	姜利来; 杨超; 邱崧;
摘要	本发明公开了一种自主避障的无人机，该无人机配置有前置和下置TOF测距模块，前置摄像头和左侧与右侧的红外测距模块，从而实现自主避障。使用时，只需要按下功能按键起飞或者遥控器操作起飞，无人机飞行到指定高度后，开始自主执行预设任务。如在街道遇到树木，电线杆等柱状障碍时，会重新规划路径主动绕开；如碰到类似树木枝桠等框状障碍时，会根据测量的框型大小是否满足无人机穿越要求，从而决定是否穿越，并可同时解决无人机穿框时自身高度测量问题。此外无人机支持自主或遥控拍摄照片和摄像功能，支持一键返航功能，无人机可根据预设航线返回起点降落。
权利要求	1.一种自主避障的无人机，其特征在于，它包括四轴机架（17），在四轴机架（17）上表面固定有上底板（18），上底板（18）与四轴机架（17）之间采用短立柱连接，四轴机架（17）下表面固定有下底板（19），下底板（19）与四轴机架（17）之间采用长立柱连接；在所述四轴机架（17）的四轴端部分别连接有脚架（14）及电机（13），所述脚架（14）固定在四轴机架（17）端部底面，所述电机（13）固定在四轴机架（17）端部上表面，所述桨叶（12）固定在电机（13）上；所述上底板（18）上固定有飞控板（1），飞控板（1）为带有微控制器的印刷电路板，设置有数个接口，飞控板（1）上分别连接有显示屏（11）、运动姿态解算模块（5）、GPS模块（3）、功能按键（16）及接收机模块（9）；所述下底板（19）上、与四轴机架（17）间的空间内设置有电池（15）、红外测距模块（21）、前置TOF测距模块（2）及摄像头（6），下底板（19）底表面上设置有超声波模块（22）、下置TOF测距模块（23）、光流模块（4）及激光（10），所述电池（15）、红外测距模块（21）、前置TOF测距模块（2）、摄像头（6）、超声波模块（22）、下置TOF测距模块（23）、光流模块（4）及激光（10）分别通过导线与飞控板（1）的对应接口连接；其中：所述红外测距模块（21）为两个，对称固定于下底板（19）两侧，摄像头（6）与前置TOF测距模块（2）固定于下底板前方，光流模块（4）及激光（10）固定于下底板（19）中部；所述前置TOF测距模块（2）与摄像头（6）同一水平线安装，所述摄像头（6）上固定有补光灯（20），所述摄像头（6）内设有无线图传模块（8）并插有SD卡（7）。 2.根据权利要求1所述的自主避障的无人机，其特征在于，所述的摄像头（6）镜头为 1600万像素高清镜头。 3.根据权利要求1所述的自主避障的无人机，其特征在于，所述的光流模块（4）为PX4FLOW模块。 4.根据权利要求1所述的自主避障的无人机，其特征在于，所述前置TOF测距模块（2）为微型激光阵列，使用UART通信。 5.根据权利要求1所述的自主避障的无人机，其特征在于，所述的红外测距模块（21）为GP2Y0A21YK0F，模拟量输出。 6.根据权利要求1所述的自主避障的无人机，其特征在于，所述SD卡（7）使用的是256G内存SD卡。 7.根据权利要求1所述的自主避障的无人机，其特征在于，所述的脚架（14）使用3D打印。 8.根据权利要求1所述的自主避障的无人机，其特征在于：所述的无线图传（8）使用Type-C接口配合5.8GHz接收机，使用手机APP显示图像。
说明书全文	一种自主避障的无人机技术领域 [0001] 本发明涉及四旋翼无人机控制领域，特别涉及一种基于TOF测距模块和视觉的自主避障无人机。背景技术 [0002] 目前无人机行业发展迅速，广泛用于航拍、森林消防、电力巡检、遥感测绘等等领域。在无人机自主飞行的过程当中，为完成任务，必须有自主避障的功能，在森林或者障碍物繁多的街道，如果仅仅随地形提升无人机高度，难以看清森林内部或者街道景物，无人机应当有自主躲避类似树木枝干的柱状障碍和类似树木枝桠的框状障碍的能力。在碰到树木主干的时候，可以绕行，在碰到枝桠的时候，可以从中穿过。针对以上问题，无人机行业急需一种自主避障的无人机。发明内容 [0003] 本发明的主要目的在于提供一种自主避障的无人机，可以有效解决背景技术中的问题。 [0004] 为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种自主避障的无人机，特点是它包括四轴机架，在四轴机架上表面固定有上底板，上底板与四轴机架之间采用短立柱连接，四轴机架下表面固定有下底板，下底板与四轴机架之间采用长立柱连接；在所述四轴机架的四轴端部分别连接有脚架及电机，所述脚架固定在四轴机架端部底面，所述电机固定在四轴机架端部上表面，所述桨叶固定在电机上。所述上底板上固定有飞控板，飞控板为带有微控制器的印刷电路板，设置有数个接口，飞控板上分别连接有显示屏、运动姿态解算模块、GPS模块、功能按键及接收机模块；所述下底板上、与四轴机架间的空间内设置有电池、红外测距模块、前置TOF测距模块及摄像头，下底板底表面上设置有超声波模块、下置TOF测距模块、光流模块及激光，所述电池、红外测距模块、前置TOF测距模块、摄像头、超声波模块、下置TOF测距模块、光流模块及激光分别通过导线与飞控板的对应接口连接；其中：所述红外测距模块为两个，对称固定于下底板两侧，摄像头与前置TOF测距模块固定于下底板前方，光流模块及激光固定于下底板中部；所述前置TOF测距模块与摄像头同一水平线安装，所述摄像头上固定有补光灯，所述摄像头内设有无线图传模块并插有SD卡。 [0005] 优选的，所述的摄像头镜头为1600万像素高清镜头。 [0006] 优选的，所述的摄像头视觉处理单元为英伟达Jetson Nano开发套件。 [0007] 优选的，所述的光流模块为PX4FLOW模块。 [0008] 优选的，所述第一TOF测距模块为微型激光阵列，使用UART通信。 [0009] 优选的，所述的红外测距模块为GP2Y0A21YK0F，模拟量输出。 [0010] 优选的，所述SD卡使用的是256G内存SD卡。 [0011] 优选的，所述的脚架使用3D打印制作。 [0012] 优选的，所述的无线图传可以使用Type-C接口配合5.8GHz频率接收机使用手机APP显示图像。 [0013] 与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明使用通过按键或者遥控的方式一键起飞，飞机飞行到指定高度之后，即可开始前进，开始执行任务。前置摄像头可以实时记录传输当前画面，使用无线图传发射到指定的接收机上，可以进行自主或遥控拍摄和录像功能，所拍摄的照片和视频保存至本地的SD卡里面。在飞行过程当中，如果碰到了高大的树木等柱状障碍，飞机会绕行，如果碰到了枝桠等框状障碍，飞机会调整高度和左右位置，根据测量框型高度和宽度是否满足无人机体型决定是否从中穿过，从而实现自主完成避障功能。飞行途中，使用人员可以根据需要随时切换状态，支持一键返航。由于实现完全自主进行避障，使得无人机在城市街道等障碍密集型区域适应能力得到极大增强，一键返航模式方便快捷，有利于无人机推广和普及。附图说明 [0014] 图1为本发明结构示意图；图2为本发明底部示意图；图3为本发明侧视图；图4为本发明俯视图；图5为本发明电路连接示意图；图6为本发明飞控板示意图。具体实施方式 [0015] 为使本发明的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。 [0016] 参阅图1-6，一种自主避障的无人机，它包括四轴机架17，在四轴机架17上表面固定有上底板18，上底板18与四轴机架17之间采用短立柱连接，四轴机架17下表面固定有下底板19，下底板19与四轴机架17之间采用长立柱连接；在所述四轴机架17的四轴端部分别连接有脚架14及电机13，所述脚架14固定在四轴机架17端部底面，所述电机13固定在四轴机架17端部上表面，所述桨叶12固定在电机13上。所述上底板18上固定有飞控板1，飞控板1为带有微控制器的印刷电路板，设置有数个接口，飞控板1上分别连接有显示屏11、运动姿态解算模块5、GPS模块3、功能按键16及接收机模块9；所述下底板19上、与四轴机架17间的空间内设置有电池15、红外测距模块21、前置TOF测距模块2及摄像头6，下底板19底表面上设置有超声波模块22、下置TOF测距模块23、光流模块4及激光10，所述电池15、红外测距模块21、前置TOF测距模块2、摄像头6、超声波模块22、下置TOF测距模块23、光流模块4及激光10分别通过导线与飞控板1的对应接口连接；其中：所述红外测距模块21为两个，对称固定于下底板19两侧，摄像头6与前置TOF测距模块2固定于下底板前方，光流模块4及激光10固定于下底板19中部；所述前置TOF测距模块2与摄像头6同一水平线安装，所述摄像头6上固定有补光灯20，所述摄像头6内设有无线图传模块8并插有SD卡7。 [0017] 本实施例中，优选的，所述的摄像头6镜头为1600万像素高清镜头。 [0018] 本实施例中，优选的，所述的摄像头6视觉处理单元为英伟达Jetson Nano开发套件。 [0019] 本实施例中，优选的，所述的光流模块4为PX4FLOW模块。 [0020] 本实施例中，优选的，所述TOF测距模块2为微型激光阵列，使用UART通信本实施例中，优选的，所述的红外测距21模块为GP2Y0A21YK0F，模拟量输出。 [0021] 本实施例中，优选的，所述SD卡7使用的是256G内存SD卡。 [0022] 本实施例中，优选的，所述的脚架14使用3D打印制作。 [0023] 本实施例中，优选的，所述的无线图传模块8可以使用Type-C接口配合5.8GHz频率接收机使用手机APP显示图像。 [0024] 需要说明的是，本发明为一种自主避障的无人机。它的创新点在于，使用视觉和多个测距模块相结合的方式实现多种不同障碍物的自适应处理，同时解决了避障过程中单纯使用超声波传感器测量无人机高度不准确的问题。使用的时候，只需要将电池15接上，使用功能按键16或者遥控器自主起飞，飞机飞到指定高度，便开始执行预设任务。使用人员可以根据无线图传模块8发送过来的画面，实时了解到周围环境。使用人员可以自主或遥控对画面进行拍照和摄影，可以在飞机返航之后，可以在SD卡7，获取到图片或视频数据。当遇到高大的柱状障碍物的时候，飞机识别到并对准障碍物前进，当树木在摄像头6的画面达到一定的大小或者前置TOF测距模块2测量得到飞机距离树木的距离小于一定的安全距离，马上刹车，然后根据左侧与右侧的红外测距传感器21得到的距离数据，确认左右方向距离是否安全，如果安全，则向安全一侧移动，否则就后退至安全距离。确认安全之后，开始向安全侧平行移动，直到正前方障碍物消失，然后前进，直到越过障碍物，重新返回到原来的航线之上，继续执行预设任务。当碰到框状障碍物时，确认框的大小和中心，如果大小满足穿越条件，则进行中心对准，否则按照遇见柱状障碍物的方式绕开。对准中心点位置之后，进行穿越。在穿越过程当中，会出现超声波测距模块22探测到框的下侧边缘的情况，从而无法准确获取无人机当前高度信息，这里使用下置TOF测距模块23和超声波测距模块22的互相切换机制，如果发现超声波数据突变，那么使用下置TOF测距模块23的测距数值作为高度的观测量，解决高度测量问题。根据此时飞机左侧和右侧的红外测距传感器21的数值，判定飞机是否穿越障碍物，穿越障碍完成后，回到原来的航线继续执行预设任务。无人机启动后，会根据GPS模块3的数据记录并存储的飞机位置，因此使用人员可以自行控制飞机的返航距离和返航位置。当确认返航之后，飞机便开始调转机头，执行自主返航任务。飞机会根据GPS模块 3存储的起飞位置，当通过接收机模块9收到自主返航的指令时，飞机将会回到起始位置，自主降落，完成返航任务。 [0025] 以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。