室内无人机导航方法及无人机的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及无人机技术领域，特别涉及一种室内无人机导航方法及无人机。
【背景技术】
[0002] 现有的无人机中没有可独立工作的用于室内定位的微型无人机。并且，目前无人 机采用的导航方法比较传统，依赖的传感器类型较多，从而导致无人机的结构和融合算法 都较为复杂。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的旨在至少解决所述技术缺陷之一。
[0004] 为此，本发明的目的在于提出一种室内无人机导航方法及无人机，应用较少的传 感器，实现对室内及无人机相关数据采集，生产成本较低，适合推广使用。
[0005] 为了实现上述目的，本发明的实施例提供一种室内无人机导航方法，包括如下步 骤：
[0006] 步骤S1，采用三轴陀螺仪测量无人机的角速度，并采用多组超声波测距传感器测 量超声波信号、采用温度传感器测量室内的温度数据；
[0007] 步骤S2,根据所述室内的温度数据对测量的超声波信号进行温度补偿；
[0008] 步骤S3,利用温度补偿后的超声波信号分别计算所述无人机与室内的四壁、天花 板和地板的距离，并根据无人机与室内的四壁、天花板和地板的距离反向定位出所述无人 机的位置；
[0009] 步骤S4,根据所述无人机的角速度，计算所述无人机的姿态角，包括如下步骤：
[0010] 步骤S41，建立机体坐标系和导航坐标系；
[0011] 步骤S42,根据所述无人机的角速度计算所述无人机在所述机体坐标系和导航坐 标系下，机体转动的旋转矩阵，并根据所述旋转矩阵计算所述无人机的飞机姿态矩阵；
[0012] 步骤S43,根据所述飞机姿态矩阵计算所述无人机的飞行姿态角。
[0013] 进一步，所述超声波测距传感器为6组，分别安装于所述无人机上多个固定位置 处。
[0014] 进一步，在所述步骤S42中，所述飞行姿态角为机体按照以下顺序转动时的角度： 绕所述Z轴转动的角度Φ，绕所述Y轴转动的角度Θ，绕所述X轴转动的角度Φ。
[0015] 进一步，在所述步骤S42中，所述旋转矩阵为（cl，c2, c3)，
[0016] 根据绕z轴转动Φ角，计算得到
[0017] 根据绕y轴转动Θ角，计算得到
[0018] 根据绕X轴转动Φ角，计算得到
[0019] 进一步，在所述步骤S42中，根据所述旋转矩阵计算所述无人机的飞机姿态矩阵， 包括如下步骤：
[0020] 根据所述旋转矩阵将参考体系变化至载体系，cnb= c3c2cl ;
[0021] 然后计算所述飞机姿态矩阵Cbn为：
[0023] 进一步，在所述步骤S43中，所述无人机的飞行姿态角分别为：
[0025] 根据本发明实施例的室内无人机导航方法，采用多个方向的超声波传感器，可计 算无人机相对于室内四壁、天花板、地板的位置，然后反向定位出无人机在室内的位置。本 发明应用较少的传感器，实现对室内及无人机相关数据采集，生产成本较低，适合推广使 用。此外，本发明可以通过测量的无人机的三轴角速度，计算出无人机的飞行姿态角，精确 度高且算法简单。
[0026] 本发明另一方面实施例还提出一种无人机，包括：电源模块、电池、电机、电机驱动 模块、多个超声波测距传感器、温度传感器、陀螺仪和控制芯片，其中，所述电池与所述电源 模块、所述电机和所述控制芯片分别相连，所述电机驱动模块的一端与所述电机相连，另一 端与所述控制芯片的脉冲宽带调制单元相连，用于在所述脉冲宽带调制单元输出的PWM脉 冲信号的控制下驱动所述电机工作；所述多个超声波传感器与所述控制芯片的监测端口相 连，用于测量超声波信号并传送至所述控制芯片；所述温度传感器与所述控制芯片的监测 端口相连，用于测量室内的温度数据并传送至所述控制芯片；所述陀螺仪与所述控制芯片 的SPI接口相连，用于测量所述无人机的角速度并传送至所述控制芯片；所述控制芯片根 据所述室内的温度数据对测量的超声波信号进行温度补偿，利用温度补偿后的超声波信号 分别计算所述无人机与室内的四壁、天花板和地板的距离，并根据无人机与室内的四壁、天 花板和地板的距离反向定位出所述无人机的位置，以及所述控制芯片还用于根据所述无人 机的角速度，计算所述无人机的姿态角，包括：建立机体坐标系和导航坐标系，然后根据所 述无人机的角速度计算所述无人机在所述机体坐标系和导航坐标系下，机体转动的旋转矩 阵，并根据所述旋转矩阵计算所述无人机的飞机姿态矩阵，并根据所述飞机姿态矩阵计算 所述无人机的飞行姿态角。
[0027] 进一步，所述无人机为四旋翼无人机，所述多个超声波传感器分别固定于所述四 旋翼无人机的四个机翼和中心位置处。
[0028] 进一步，本发明实施例的无人机还包括：灯光闪烁模块，所述灯光闪烁模块与所述 控制芯片相连，用于在所述无人机飞行时发出闪烁光以提示周边。
[0029] 进一步，本发明实施例的无人机还包括：无线通信模块，所述无线通信模块与所述 控制芯片相连，用于与外部的终端设备进行通信交互，以由外部的终端设备远程控制所述 无人机。
[0030] 根据本发明实施例的无人机，采用多个方向的超声波传感器，可计算无人机相对 于室内四壁、天花板、地板的位置，然后反向定位出无人机在室内的位置。本发明应用较少 的传感器，实现对室内及无人机相关数据采集，生产成本较低，适合推广使用。此外，本发明 可以通过测量的无人机的三轴角速度，计算出无人机的飞行姿态角，精确度高且算法简单。
[0031] 本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变 得明显，或通过本发明的实践了解到。
【附图说明】
[0032] 本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变 得明显和容易理解，其中：
[0033] 图1为根据本发明实施例的室内无人机导航方法的流程图；
[0034] 图2为根据本发明实施例的无人机的结构图；
[0035] 图3为根据本发明实施例的无人机的示意图。
【具体实施方式】
[0036] 下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同 或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描 述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0037] 如图1所示，本发明实施例的室内无人机导航方法，包括如下步骤：
[0038] 步骤S1，采用三轴陀螺仪测量无人机的角速度，并采用多组超声波测距传感器测 量超声波信号、采用温度传感器测量室内的温度数据。
[0039] 首先，在采集数据之前，先进行程序初始化与系统自检。初始化的主要功能是完成 内存分配，各个接口初始化，并对系统自检。
[0040] 在完成上述初始化和自检之后，开始采集数据。
[0041] 具体地，采用6组超声波测距传感器，分别安装于无人机上多个固定位置处测量 超声波信号。采用三轴陀螺仪测量无人机的角速度。采用温度传感器测量室内的温度数据。
[0042] 步骤S2,根据室内的温度数据对测量的超声波信号进行温度补偿。
[0043] 在本发明的一个实施例中，超声波温度补偿的公式为：C = C0+0. 607XT°C。
[0044] 其中，T为测量的温度数据，C0为测量超声波信号，C为补偿后的超声波信号。
[0045] 步骤S3,利用温度补偿后的超声波信号分别计算无人机与室内的四壁、天花板和 地板的距离，并根据无人机与室内的四壁、天花板和地板的距离反向定位出无人机的位置。
[0046] 超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出 发射点距障碍物（四壁、天花板和地板）的距离（s)，即：s = 340X At/2。
[0047] 需要说明的是，本发明通过温度补偿后的超声信号测距，其误差较小，S = 340X0. 000001/2 = 0· 17mm。
[0048] 然后，根据无人机与室内的四壁、天花板和地板的距离反向定位出无人机在室内 的位置。
[0049] 步骤S4,根据无人机的角速度，计算无人机的姿态角，包括如下步骤：
[0050] 步骤S41，建立机体坐标系和导航坐标系。
[0051] 具体地，坐标系建立如下：机体坐标系定义为：X轴表示横滚轴，对应前方；Y轴表 示俯仰轴，对应右方；Z轴表示航向，对应下方。导航坐标系定义为北东地坐标系。
[0052] 步骤S42,根据无人机的角速度计算无人机在机体坐标系和导航坐标系下，机体转 动的旋转矩阵，并根据旋转矩阵计算无人机的飞机姿态矩阵。
[0053] 飞行姿态角为机体按照以下顺序转动时的角度：绕Z轴转动的角度Φ，绕Y轴转 动的角度Θ，绕X轴转动的角度Φ。
[0054] 机体转动按照绕航向轴（Z轴）转动Φ，俯仰轴（Y轴）转动Θ，横滚轴（X轴）转 动Φ的顺序转动时，旋转矩阵为（cl，c2, c3)，
[0055] 根据绕z轴转动Φ角，计算得到
[0056] 根据绕y轴转动Θ角，计算得到
[0057] 根据绕X轴转动Φ角，计算得到
[0058] 基于此，根据旋转矩阵计算无人机的飞机姿态矩阵，包括如下步骤：
[0059] 首先，根据旋转矩阵将参考体系变化至载体系，
[0060] cnb= c3c2cl ； (4)
[0061] 然后，计算飞机姿态矩阵Cbn为：
[0063] 步骤S43,根据飞机姿态矩阵计算无人机的飞行姿态角。
[0064] 无人机的飞行姿态角分别为：
[0066] 在本发明的一个实施例中，本发明中涉及的无人机可以为四旋翼无人机。
[0067] 根据本发明实施例的室内无人机导航方法，采用多个方向的超声波传感器，可计 算无人机相对于室内四壁、天花板、地板的位置，然后反向定位出无人机在室内的位置。本 发明应用较少的传感器，实现对室内及无人机相关数据采集，生产成本较低，适合推广使 用。此外，本发明可以通过测量的无人机的三轴角速度，计算出无人机的飞行姿态角，精确 度高且算法简单。
[0068] 如图2所示，本发明实施例的无人机包括：电源模块1、电池2、电机3、电机驱动模 块4、多个超声波测距传感器5、温度传感器6、陀螺仪7和控制芯片8。
[0069] 具体地，电池 2与电源模块1、电机3和控制芯片8分别相连。
[0070] 电机驱