一种基于自主循迹取物运输系统的四旋翼飞行器的制作方法

本实用新型涉及一种飞行器，特别涉及一种基于自主循迹取物运输系统的四旋翼飞行器。

背景技术：

目前国内外有多种飞行器设计，例如宾夕法尼亚大学Vijay Kumar教授的研究团队在这方面有过相关的研究，他们的项目是控制无人机自主抓取结构件完成一个方框结构的搭建，其表现十分稳定，该技术的特点是：1、控制无人机自主抓取结构件完成一个方框结构的搭建，其中结构件采用磁性材料制作，利用电磁铁吸附结构件实现抓取；2、利用多目视觉技术获取飞行器的实时位置信息。但该技术还存在一些问题：例如1、此项目的抓取和搭建过程依靠磁力吸附，对于被抓取物体的材料有要求，无法抓取不能被磁力吸附的物体；2、由于依靠磁力吸附物体，此项目定点悬停的精度并不高；3、此项目使用多个摄像头，结构复杂，并且，项目中将摄像头放置在飞行器以外的位置来进行飞行器的定位，而飞行器本身并不能独立地完成工作，更不能在摄像头拍摄区域外正常运行；与此同时，多个摄像头的图像数据量庞大，使用嵌入式控制器无法达到项目的要求，需要高性能的计算机辅助计算；。

国内仅有少数关于此方向研究的实例，且绝大多数处于仿真阶段，没有实际应用。北京理工大学有一个相关的研究项目，该项目使用飞行器抓取小桶，完成抓取后利用光流传感器进行位置与速度信息的采集，控制飞行器飞行至目标地点投放小桶。该项目的特点是：1、利用图像识别技术识别圆形的小桶以及目标点，实现物体的抓取；2、利用光流传感器获取飞行器的位置与速度信息，控制飞行器飞行至目标地点；但该项目仍然存在一些问题，比如1、由于飞行器识别圆形的小桶以及目标地点，因此无法实现对任意形状的物体的识别，更无法进行抓取；2、由于使用了光流传感器，要求地面纹理性强，因此只能使用带不规则花纹的地面，无法进行循迹飞行；此外，飞行器只能按照程序设定的方向和速度飞行，寻找目标点，因此其飞行路线是固定的，无法通过人为改变轨迹来改变飞行器的飞行路线。

因此需要一种结构简单、能够基于自身的系统进行自主运行且能够灵活抓取不同形状及材料的物体并稳定飞行和起降的四旋翼飞行器。

技术实现要素：

本实用新型为了解决现阶段的飞行器存在的一系列问题，提供一种基于自主循迹取物运输系统的四旋翼飞行器。

本实用新型包括主框架、动力系统、主控制器、抓取系统和电源，其中动力系统设在主框架上部，主控制器和电源设在主框架内，抓取系统设在主框架下部，主控制器分别与动力系统和抓取系统相连，电源分别与动力系统、主控制器和抓取系统相连并提供电能。

所述的主框架包括中心板、支架和架脚，其中支架设在中心板两侧，支架下端设有架脚；中心板下部设有平衡杆。

所述的动力系统包括机臂、电机和螺旋桨，其中机臂一端固定在主框架的中心板上，电机固定在机臂另一端，电机与螺旋桨连接。

还包括飞行控制器，所述的飞行控制器设在主框架的中心板上，一端与主控制器相连，另一端与动力系统中的电机相连。

所述的飞行控制器和电机之间设有电子调速器，电子调速器设在机臂上。

本实用新型还包括图像采集器和图像处理器，所述的图像采集器和图像处理器设在主框架的平衡杆下，图像采集器与图像处理器相连，图像处理器与主控制器相连。

还包括陀螺仪，陀螺仪设在主框架的平衡杆下，与主控制器相连。

还包括超声波传感器，超声波传感器设在主框架的平衡杆下，与主控制器相连。

所述的抓取系统包括机械爪底板、机械爪和舵机，其中机械爪底板设在主框架的平衡杆上，机械爪一端铰接在机械爪底板上，舵机设在机械爪底板上，与机械爪相连，控制机械爪进行开合；舵机与主控制器相连。

电源的输出端设有稳压器。

本实用新型的工作原理：

本实用新型提供的一种基于自主循迹取物运输系统的四旋翼飞行器，一键启动后，首先超声波传感器获取高度信息，经过高度修正算法将修正后得到的高度值送至主控制器，将当前高度值与预期高度值进行比较得出误差，并通过增量式PID算法自动控制飞行器的油门输出使飞行器达到目标高度并维持在该高度上飞行。图像采集器获取图像信息并将图像发送至图像处理器中，图像处理器利用计算机视觉将图像灰度化二值化并做开闭运算得到易于处理特征点的图像。对于循迹飞行，利用计算机视觉判断出图像中的左右边缘并计算出中心线的坐标偏移，将坐标偏移反馈至主控制器，通过PID算法控制飞行器的横滚飞行使飞行器最终横滚方向中心线偏移为零，而俯仰方向保持向前飞行的偏置则可完成循迹飞行。对于定点飞行，由于本系统中对于目标点的识别分为对目标物体的识别和对目标投放区域的识别，因此，需要对图像进行彩色识别，因此，将图像由RGB色彩空间转换为HSV色彩空间，通过H通道竖直判断色相，S通道数值判断饱和度，V通道数值判断明度，从而将红色的目标物体、黑色的飞行轨迹与黑色的目标投放区域区分开。识别到特征点后，主控制器通过算法计算出特征点的几何中心从而得出该几何中心的X、Y偏移量，主控制器通过对X方向的偏移进行PID控制，从而控制横滚方向的偏移，通过对Y方向的偏移进行PID控制，从而控制俯仰方向的偏移。图像采集器识别到物体后将飞行器降落并通过开合机械爪抓取物体，之后继续沿轨迹飞行至目标投放点并松开机械爪投放物体。

本实用新型的有益效果：

与现有技术相比，本实用新型结构简单，功能全面，经一键启动后全程自主飞行不需人为参与，结合了超声波传感器与图像采集处理模块，融合了计算机视觉技术，实现了飞行器在一定高度上稳定循迹飞行，精确定位并抓取目标物体以及将物体准确投放至目标投放点的功能，极大地拓展了四旋翼飞行器的功能，实现了无人机在运输方面的自动化、无人化和信息化。为未来无人机物流运输的实现提供了可能。

附图说明

图1为本实用新型整体结构示意图。

图2为本实用新型右视结构示意图。

图3为本实用新型仰视结构示意图。

图4为本实用新型抓取系统结构示意图。

图5为本实用新型主控制器程序流程示意图。

图6为本实用新型图像处理器程序流程示意图。

图7为本实用新型抓取系统程序流程示意图。

图8为本实用新型工作程序流程示意图。

1、主框架 2、主控制器 3、电源 4、中心板 5、支架 6、架脚

7、平衡杆 8、机臂 9、电机 10、螺旋桨 11、飞行控制器

12、图像采集器 13、图像处理器 14、陀螺仪 15、超声波传感器

16、机械爪底板 17、机械爪 18、舵机 19、电子调速器。

具体实施方式

请参阅图1-8所示：

本实用新型包括主框架1、动力系统、主控制器2、抓取系统和电源3，其中动力系统设在主框架1上部，主控制器2和电源3设在主框架1内，抓取系统设在主框架1下部，主控制器2分别与动力系统和抓取系统相连，电源3分别与动力系统、主控制器2和抓取系统相连并提供电能。

所述的主框架1包括中心板4、支架5和架脚6，其中支架5设在中心板4两侧，支架5下端设有架脚6；中心板4下部设有平衡杆7。平衡杆7用于挂载各种元器件，方便调节所挂载的部件的位置关系，保持飞行器平衡。

所述的动力系统包括机臂8、电机9和螺旋桨10，其中机臂8一端固定在主框架1的中心板4上，电机9固定在机臂8另一端，电机9与螺旋桨10连接。四个机臂8水平布置，相邻两个机臂8之间夹角成直角。四旋翼飞行器具有更稳定的飞行效果。

飞行控制器11设在主框架1的中心板4上，一端与主控制器2相连，另一端与动力系统中的电机9相连。所述的飞行控制器11采用Pixhawk开源飞行控制器，控制飞行器飞行过程中机身的平衡稳定性。

所述的飞行控制器11和电机9之间设有电子调速器19，电子调速器19设在机臂8上。电子调速器19输出交流电压来驱动电机9运行。

本实用新型还包括图像采集器12和图像处理器13，所述的图像采集器12和图像处理器13设在主框架1的平衡杆7下，图像采集器12与图像处理器13相连，图像处理器13与主控制器2相连。所述的图像采集器12采用树莓派摄像头，图像处理器13采用树莓派处理器。在系统中的作用就是利用计算机视觉技术处理摄像头捕获到的图像，并将相关信息传送至主控制器2。

飞行器还包括陀螺仪14，陀螺仪14设在主框架1的平衡杆7下，与主控制器2相连。所述陀螺仪14采用MPU6050陀螺仪，整合了3轴陀螺仪和3轴线加速度计，可以快速地获取飞行器姿态参数并将其转换为欧拉角输出，实时测得飞行器的姿态角并将角度发送到主控制器2中，之后再根据姿态角做飞行器的高度补偿和图像位置偏移补偿。

飞行器还包括超声波传感器15，超声波传感器15设在主框架1的平衡杆7下，与主控制器2相连。通过发送超声波来获取飞行器当前高度，并将高度信息发送给主控制器2。

所述的抓取系统包括机械爪底板16、机械爪17和舵机18，其中机械爪底板16设在主框架1的平衡杆7下，机械爪17一端铰接在机械爪底板16上，舵机18设在机械爪底板16上，与机械爪17相连，控制机械爪17进行开合；舵机18与主控制器2相连，由主控制器2发送信号控制舵机18运行。

电源3的输出端设有稳压器。将电源3电压稳压输出，从而给飞行器中的各系统提供稳定电能。

本实用新型的工作原理：

本实用新型提供的一种基于自主循迹取物运输系统的四旋翼飞行器，一键启动后，主控制器2控制飞行控制器11输出信号至电子调速器19，进而调节各电机9运行，控制飞行器起飞。

OpenCV(Open Source Computer Vision Library)是用来实现计算机视觉相关技术的开放源码工作库，本系统中对于目标物体以及目标点的识别采用计算机视觉的方法，主要包括图像获取、图像识别和目标定位三个部分。本系统中目标物体及目标点的特征图案设计为圆形黑点。首先，通过图像采集器12获取图像,再通过图像处理器13对图像进行灰度化和二值化处理，并进行开闭运算以去除图像中的噪点，从而得出图像的几何中心点，但是由于飞行器在实时调整过程中机身总会有倾斜，这就导致每次拍到的图像与实际图像存在误差，因此通过陀螺仪14进行角度误差的补偿矫正。将矫正后的几何中心点位置与目标中心点进行比对，得出当前飞行器位置信息。用于主控制器2确定飞行轨迹和目标位置，调整飞行器飞行状态。

高度采集采用的是超声波测距，通过超声波传感器15进行高度识别和处理，将高度数据传输给主控制器2进行运算。由于飞行器实际飞行过程中总会有角度倾斜，因此需要对飞行器高度值进行角度补偿矫正，将矫正后的高度值发送至主控制器2后，主控制器2通过PID算法实现对飞行器飞行高度的控制。飞行器飞行高度的期望值和实际值分别作为PID控制器的输入量和反馈量，则由公式

Δu(k)＝K_P(e_k-e_k-1)+K_Ie_k+K_d(e_k-2e_k-1+e_k-2) (1)

即可得到飞行器油门值的增量Δu(k)，从而可以得到当前油门值U_k。

U_k＝U_k-1+Δu(k) (2)

最后将U_k映射为控制四个电机9转速的PWM波占空比，即可实现对飞行器高度的控制。

循迹飞行时，识别到轨迹上的目标物体后悬停于物体上方，超声波传感器15和图像处理器13同步工作，确定目标高度后，飞行器按照主控制器2的指令降落一定距离，达到目标高度后主控制器2向舵机发送指令控制机械爪17开合抓取物体；之后继续沿轨迹飞行至目标投放区域，飞行器识别到目标区域后投放物体至目标区域。

上面结合附图对本实用新型优选实施方式做了详细的说明，但是本实用新型并不限于上述实施方式，在本领域技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下做出各种变化，均属于本实用新型技术方案的范围内。