一种基于超声波测距技术的无人机、距离控制系统及方法与流程

本发明涉及无人机技术领域，尤其涉及一种基于超声波测距技术的无人机、距离控制系统及方法。

背景技术：

飞行器作为一种通用的工具，其给人们的生产和生活带来了巨大的革新。而对于一些小型的家用飞行器也在随着技术的快速发展和进步的过程中不断普及，也由此引发了人们对于更为亲民和易用的飞行器控制系统的研发。

传统的飞行器控制系统大都是在客机的基础上进行改进，在针对不同的情况应用到不同的飞行器上，这样的飞行器控制系统成本很高，而且，由于其的系统的复杂度往往也很高，导致故障也更容易发生。

专利号为cn200980112320.3的专利公开了追随距离控制装置和追随距离控制方法，虽然实现了距离控制，但考虑到无人机运行的特殊性，其应用到无人机上仍然不适用。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于超声波测距技术的无人机、距离控制系统及方法，具有结构简单、成本低、智能化程度高和控制精准的优点。

本发明采用的技术方案如下：

一种基于超声波测距技术的无人机，所述无人机包括：传感器组、机臂、中心板和脚支架组成；所述机臂包括力臂套、力臂杆、电机座、电机和桨叶；所述传感器组设置于所述机臂的力臂杆上；所述电机固定在电机座上，所述桨叶固定在电机上，所述电机座固定在力臂杆一端，所述力臂杆另一端设置有力臂套，并通过力臂套与中心板连接，相邻所述机臂上的桨叶之间设有高度差，使相邻所述桨叶不处于同一水平面上；所述脚支架设置在中心板底部。

进一步的，所述力传感器组包括：若干个速度传感器和加速度传感器；所述速度传感器和加速度均均匀分布于所述力臂杆上。

进一步的，所述中心板包括上板、下板和脚支架套，所述上板和下板之间设有电源、电子调速器、gps模块、飞控模块、数传和分电板。

一种基于超声波测距技术的无人机的距离控制系统，所述系统包括：用于获取飞行器运行速度和运行加速度数据信息的传感器单元，用于获取飞行器和障碍物之间距离的距离测量单元和用于获取障碍物图像信息的图像处理单元；所述传感器单元、距离测量单元和图像处理单元分别信号连接于主控制器，所述主控制器用于根据各个单元发送过来的数据信息发送控制密令到运行控制系统控制飞行器的运行。

进一步的，所述传感器单元包括：用于获取飞行器飞行速度的速度传感器和用于获取飞行器飞行加速度的加速度传感器；所述速度传感器和加速度传感器分别信号连接于主控制器。

进一步的，所述距离测量单元包括：用于产生中央处理器时钟频率的外部晶振；所述外部晶振信号连接于用于处理系统数据信息的中央处理器；所述中央处理器分别信号连接于发射超声波信号的超声波发射头、用于连接外部调试机的调试接口、用于定位的定位单元以及用于对接收到的超声波进行处理的超声波接收处理单元。

进一步的，所述超声波接收处理单元包括：接收返回超声波的超声波接收头；所述超声波接收头信号连接于对接收到的信号进行放大的信号放大器；所述信号放大器信号连接于用于带通滤波的带通滤波器；所述带通滤波器信号连接于用于对电压进行比较的电压比较器；所述电压比较器信号连接于中央处理器；所述中央处理器包括：阈值选取单元、发射波生成单元、接收波检波单元和数据融合单元；所述发射波生成单元，用于在超声波发射头上施加矩形脉冲电压，进而生成发射波通过超声波发射头发射出去；所述阈值选取单元，用于针对不同的测量情况进行阈值选取，提升系统的精度；所述接收波检波单元，用于对接收波进行检波；所述数据融合单元，用于对接收到的数据信息进行数据融合，得出最终的测距结果。

进一步的，所述图像处理单元包括：用于获取原始的图像信息的图像采集单元；所述图像采集单元信号连接于用于对图像进行锐化处理的图像锐化单元；所述图像锐化单元信号连接于用于对图像进行边缘阈值检测的边缘阈值检测单元；所述边缘阈值检测单元信号连接于对图像进行二值化的图像二值化单元；所述图像二值化单元信号连接于主控制器。

一种基于超声波测距技术的无人机的距离控制系统的方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1：系统启动，系统初始化；

步骤2：传感器单元获取飞行器的飞行的速度信息和飞行器飞行的加速度信息，将获取到的信息发送到主控制器；主控制器接收到信息后将信息暂存到闪存中；

步骤3：距离测量单元开始测量飞行器和障碍物之间的距离，将测量到的距离发送给主控制器；主控制器接收到信息后将信息暂存到闪存中；

步骤4：图像处理单元开始采集障碍物的图像信息并进行图像处理，将处理后的图像发送到主控制器；主控制器接收到图像信息后将获取的图像信息进行暂存；

步骤5：主控制器根据接收到的图像信息判断障碍物的大小，根据接收到的距离信息和飞行器飞行的加速度和速度信息得出抵达障碍物的时间，进而发出控制命令，控制飞行器的运行。

进一步的，所述图像处理单元对图像进行处理的方法包括以下步骤：

步骤1：图像采集单元采集原始的图像信息，将原始的图像信息进行转换为数字图像信号；

步骤2：图像锐化单元对接收到的数字图像信号进行锐化处理，将锐化处理后的图像发送至阈值边缘检测单元；阈值边缘检测单元对接收到的图像进行阈值边缘检测，将处理后的结果发送至二值化单元；

步骤3：二值化单元对接收到的图像进行二值化处理，将处理后的图像发送至主控制器。

本发明的有益效果如下：

采用以上技术方案，本发明产生了以下有益效果：

1、结构简单：本发明的飞行器控制系统，三个主要的控制单元：传感器单元、图像处理单元和距离检测单元的结构都非常简单，同时，各个部分与主控制器的连接关系也非常简单，非常适用于工业化生产和制造。

2、成本低：本发明的飞行器距离控制系统采用了超声波技术获取距离，再通过图像识别的结果得出障碍物的大小，通过传感器获取飞行器的运行速度和加速度，三者综合计算得出控制命令，各个模块的造价相较于传统的飞行器控制系统的造价低很多。

3、控制精准：本发明采用超声波测距技术测量距离，采用传感器获取飞行器飞行的速度，采用图像处理技术获取障碍物的实际大小，三者的结合使得对于飞行器当前状况的判定非常的全面，确保了精准的控制。同时，本发明采用改进的二值化图像处理方法，在保证了处理效率的基础上，提升了系统的准确性。

4、智能化：本发明的飞行器控制系统各个部分的处理单元自行处理将处理后的结果发送到主控制器，主控制器根据接收到的结果自动发出控制命令控制飞行器的运行，整个过程完全智能化。

附图说明

图1为本发明的基于超声波测距技术的无人机的结构示意图。

图2为本发明的基于超声波测距技术的无人机的距离控制系统的结构示意图。

图3为本发明的基于超声波测距技术的无人机的距离控制方法的流程示意图。

其中：1-桨叶，2-电机，3-力臂杆，4-力臂套，5，6-传感器组。

具体实施例

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书（包括任何附加权利要求、摘要）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

实施例1：

如图1所示，一种基于超声波测距技术的无人机，所述无人机包括：传感器组、机臂、中心板和脚支架组成；所述机臂包括力臂套、力臂杆、电机座、电机和桨叶；所述传感器组设置于所述机臂的力臂杆上；所述电机固定在电机座上，所述桨叶固定在电机上，所述电机座固定在力臂杆一端，所述力臂杆另一端设置有力臂套，并通过力臂套与中心板连接，相邻所述机臂上的桨叶之间设有高度差，使相邻所述桨叶不处于同一水平面上；所述脚支架设置在中心板底部。

进一步的，所述力传感器组包括：若干个速度传感器和加速度传感器；所述速度传感器和加速度均均匀分布于所述力臂杆上。

进一步的，所述中心板包括上板、下板和脚支架套，所述上板和下板之间设有电源、电子调速器、gps模块、飞控模块、数传和分电板。

实施例2：

如图2所示，一种基于超声波测距技术的无人机的距离控制系统，所述系统包括：用于获取飞行器运行速度和运行加速度数据信息的传感器单元，用于获取飞行器和障碍物之间距离的距离测量单元和用于获取障碍物图像信息的图像处理单元；所述传感器单元、距离测量单元和图像处理单元分别信号连接于主控制器，所述主控制器用于根据各个单元发送过来的数据信息发送控制密令到运行控制系统控制飞行器的运行。

进一步的，所述传感器单元包括：用于获取飞行器飞行速度的速度传感器和用于获取飞行器飞行加速度的加速度传感器；所述速度传感器和加速度传感器分别信号连接于主控制器。

进一步的，所述距离测量单元包括：用于产生中央处理器时钟频率的外部晶振；所述外部晶振信号连接于用于处理系统数据信息的中央处理器；所述中央处理器分别信号连接于发射超声波信号的超声波发射头、用于连接外部调试机的调试接口、用于定位的定位单元以及用于对接收到的超声波进行处理的超声波接收处理单元。

进一步的，所述超声波接收处理单元包括：接收返回超声波的超声波接收头；所述超声波接收头信号连接于对接收到的信号进行放大的信号放大器；所述信号放大器信号连接于用于带通滤波的带通滤波器；所述带通滤波器信号连接于用于对电压进行比较的电压比较器；所述电压比较器信号连接于中央处理器；所述中央处理器包括：阈值选取单元、发射波生成单元、接收波检波单元和数据融合单元；所述发射波生成单元，用于在超声波发射头上施加矩形脉冲电压，进而生成发射波通过超声波发射头发射出去；所述阈值选取单元，用于针对不同的测量情况进行阈值选取，提升系统的精度；所述接收波检波单元，用于对接收波进行检波；所述数据融合单元，用于对接收到的数据信息进行数据融合，得出最终的测距结果。

进一步的，所述图像处理单元包括：用于获取原始的图像信息的图像采集单元；所述图像采集单元信号连接于用于对图像进行锐化处理的图像锐化单元；所述图像锐化单元信号连接于用于对图像进行边缘阈值检测的边缘阈值检测单元；所述边缘阈值检测单元信号连接于对图像进行二值化的图像二值化单元；所述图像二值化单元信号连接于主控制器。

实施例3：

如图3所示，一种基于超声波测距技术的无人机的距离控制系统的方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1：系统启动，系统初始化；

步骤2：传感器单元获取飞行器的飞行的速度信息和飞行器飞行的加速度信息，将获取到的信息发送到主控制器；主控制器接收到信息后将信息暂存到闪存中；

步骤3：距离测量单元开始测量飞行器和障碍物之间的距离，将测量到的距离发送给主控制器；主控制器接收到信息后将信息暂存到闪存中；

步骤4：图像处理单元开始采集障碍物的图像信息并进行图像处理，将处理后的图像发送到主控制器；主控制器接收到图像信息后将获取的图像信息进行暂存；

步骤5：主控制器根据接收到的图像信息判断障碍物的大小，根据接收到的距离信息和飞行器飞行的加速度和速度信息得出抵达障碍物的时间，进而发出控制命令，控制飞行器的运行。

进一步的，所述图像处理单元对图像进行处理的方法包括以下步骤：

步骤1：图像采集单元采集原始的图像信息，将原始的图像信息进行转换为数字图像信号；

步骤2：图像锐化单元对接收到的数字图像信号进行锐化处理，将锐化处理后的图像发送至阈值边缘检测单元；阈值边缘检测单元对接收到的图像进行阈值边缘检测，将处理后的结果发送至二值化单元；

步骤3：二值化单元对接收到的图像进行二值化处理，将处理后的图像发送至主控制器。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。