面向复杂环境的四旋翼无人机飞行器系统及飞行方法与流程

本发明涉及无人机控制技术领域，具体涉及一种面向复杂环境的四旋翼无人机飞行器系统及飞行方法。

背景技术：

无人机是一种利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的非载人飞机，无人机广泛用于电力、气象、农业、视频摄影、抢险救灾等行业。然而随着无人机的应用越发广泛，作业环境则越来越复杂多变，因而要求无人机更加智能化和便捷化。目前无人机分为手动操作飞行、半自动驾驶飞行及自动驾驶飞行三种飞行方式，前两种需要飞行操控技术人员实时操作无人机，控制飞行航线。传统的自动驾驶飞行则是在飞行前规划航线，将数据导入到无人机控制系统中保存，之后根据卫星定位，实现自动驾驶飞行。

在公布日为2016年10月26日、公布号为CN106054870A的发明专利申请中，公开了一种无人机的沉浸式导航系统，该系统包括无人机和具有适于指向无人机的控制台的地面站，以及显现由无人机的摄像机取得的图像的虚拟现实眼镜；该系统还包括根据从地面站接收的成帧指令修改由成像工具取得的图像的成帧的装置；其还包括周期性地详细拟定眼镜方向与控制台方向之间的角度差的相对航向确定装置以及根据所述角度差详细拟定无人机的成帧指令的装置。因此，避免当用户简单将控制台和包括头部的全身转向无人机以在其移位上跟随无人机时发生成帧的突然变化。但是，本发明的发明人经过研究发现，该导航系统需要将所有数据传输给地面站处理，然后接受地面站的控制指令；而将图像交由地面站处理，需要很高的传输速度，但高速传输的数据通常传输距离较近，若地面站距离无人机超过一定的范围时就会导致无人机失控，因而地面站将导致无人机的飞行范围受限。

在公布日为2015年11月04日、公布号为CN105015767A的发明专利申请中，公开了一种具有消防侦察功能的多旋翼无人机飞行器系统，六支机臂与机架构成多旋翼无人机飞行器系统的机体框架，电机与电子调速器连接以控制螺旋桨叶的转速，起落架用于飞行起降时的稳定着陆，无人机飞行控制系统用于实现稳定的姿态控制，传感器与无人机飞行控制系统连接，小型控制计算机与激光测距传感器通讯连接，将处理后的信号输入至无人机飞行控制系统中，用于实现室内的三维位置和姿态控制，高清摄像头与图像传输装置相连，用于采集环境的视频图像，图像传输装置用于将视频图像的信号传输至地面站装置，实现实时观测。但是，本发明的发明人经过研究发现，该飞行器系统使用激光测距传感器仅仅只能获取一个面内的距离信息，即只能看到二维画面和场景，没有SLAM(Simultaneous localization and mapping，即时定位与地图构建)所以没有全局观，无人机的飞行可能陷入死循环。

技术实现要素：

针对现有技术存在的地面站将导致无人机的飞行范围受限，以及无人机没有全局观其飞行可能陷入死循环的技术问题，本发明提供一种面向复杂环境的四旋翼无人机飞行器系统。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

一种面向复杂环境的四旋翼无人机飞行器系统，包括螺旋浆、驱动螺旋浆转动的电机、机臂、飞行控制器、电子调速器、云台及减震装置、激光雷达、深度摄像头、电池、板载电脑、运行状态指示灯、GPS模块、机架和超声波传感器；其中，所述螺旋浆安装在电机上，所述电机、飞行控制器、电子调速器、运行状态指示灯和GPS模块均安装在机臂上，所述云台及减震装置和机臂均与机架连接，所述机架安装在无人机整机下部用于所述四旋翼无人机飞行器系统在飞行起降时的稳定着陆，所述激光雷达和深度摄像头均连接在云台及减震装置上，所述电池安装在无人机顶部，所述板载电脑安装在无人机机架中心处，所述超声波传感器安装在板载电脑的下方且朝向地面；所述飞行控制器、激光雷达、深度摄像头、GPS模块和超声波传感器分别与板载电脑连接，所述板载电脑对所述飞行控制器、激光雷达、深度摄像头、GPS模块和超声波传感器检测的信息数据进行融合处理，并根据处理结果生成控制指令发送至所述飞行控制器，所述飞行控制器通过电子调速器将控制指令作用到电机上，所述电机带动螺旋浆转动实现无人机的飞行控制。

进一步，所述飞行控制器内部设有IMU模块，所述IMU模块用于检测无人机飞行过程中的加速度、姿态和磁场强度，并将检测的数据作为当前飞行状态信息传输给板载电脑。

进一步，所述飞行控制器、激光雷达、深度摄像头、GPS模块和超声波传感器分别通过USB导线与板载电脑连接。

进一步，所述飞行控制器与电子调速器连接以PWM方式发送调速信号，所述电子调速器通过三相电线与电机连接，并将控制电压作用于电机。

本发明还提供一种面向复杂环境的四旋翼无人机飞行器飞行方法，所述方法采用了前述的面向复杂环境的四旋翼无人机飞行器系统，该方法包括以下步骤：

S1、所述板载电脑实时接收GPS模块的GPS信号，当所述板载电脑接收GPS信号成功时执行步骤S2，反之则执行步骤S3；

S2、所述板载电脑接收GPS模块检测的无人机当前位置信息、飞行控制器检测的无人机飞行状态信息、超声波传感器检测的无人机对地高度信息以及深度摄像头检测的无人机前方障碍物信息进行融合处理，重新规划无人机飞行路径并生成对应的路径规划控制指令，所述板载电脑将控制指令发送至飞行控制器，所述飞行控制器通过电子调速器将控制指令作用到电机上，所述电机带动螺旋浆转动实现无人机的飞行控制；

S3、所述板载电脑接收飞行控制器检测的无人机飞行状态信息、超声波传感器检测的无人机对地高度信息、深度摄像头检测的无人机前方点云数据信息以及激光雷达检测的无人机与周围障碍物间的距离信息进行SLAM运算，构建出无人机能够感知周围场景的三维环境飞行路径并生成对应的路径规划控制指令，所述板载电脑将控制指令发送至飞行控制器，所述飞行控制器通过电子调速器将控制指令发送到电机上，所述电机根据控制指令控制螺旋浆的转速实现无人机的飞行控制。

进一步，所述飞行控制器检测的无人机飞行状态信息包括无人机的加速度、无人机的自身姿态和无人机的绝对飞行方向。

与现有技术相比，本发明提供的面向复杂环境的四旋翼无人机飞行器系统及飞行方法，包括板载电脑及与板载电脑连接的飞行控制器、激光雷达、深度摄像头、GPS模块和超声波传感器，当无人机处于室外的开阔地带时，此时GPS信号良好，无人机飞行器系统中的板载电脑将根据GPS模块、飞行控制器、超声波传感器以及深度摄像头检测的信息数据进行融合处理，重新规划无人机飞行路径并生成对应的路径规划控制指令；当无人机处于室内的封闭环境时将会丢失GPS信号，板载电脑接收GPS信号失败，此时板载电脑将根据飞行控制器、超声波传感器、深度摄像头以及激光雷达检测的信息数据进行融合处理，构建出无人机能够感知周围场景的三维环境飞行路径并生成对应的路径规划控制指令；板载电脑将前述两种情况下产生的控制指令发送至飞行控制器，飞行控制器通过电子调速器将控制指令发送到电机上，电机根据控制指令控制螺旋浆的转速实现无人机的飞行控制。因此，本发明提供的无人机飞行器系统具有很强的全局感官效果，板载电脑能足以完成环境感知效果的计算，飞行时同时构建出周围三维环境，即根据飞行之前记录的目的地在飞行过程中根据环境规划航线，无人机完全自主飞行，不受地面站的限制，且成本较低。

附图说明

图1是本发明提供的面向复杂环境的四旋翼无人机飞行器系统结构示意图。

图2是本发明提供的面向复杂环境的四旋翼无人机飞行器飞行方法流程示意图。

图中，1、螺旋浆；2、电机；3、机臂；4、飞行控制器；5、电子调速器；6、云台及减震装置；7、激光雷达；8、深度摄像头；9、电池；10、板载电脑；11、运行状态指示灯；112、GPS模块；13、机架。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“径向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参考图1所示，本发明提供一种面向复杂环境的四旋翼无人机飞行器系统，包括螺旋浆1、驱动螺旋浆转动的电机2、机臂3、飞行控制器4、电子调速器5、云台及减震装置6、激光雷达7、深度摄像头8、电池9、板载电脑10、运行状态指示灯11、GPS模块12、机架13和超声波传感器(图中未示)；其中，所述螺旋浆1安装在电机2上，所述电机2、飞行控制器4、电子调速器5、运行状态指示灯11和GPS模块12均安装在机臂3上，所述运行状态指示灯11用于使用者在飞机起飞前，通过其简单的闪烁来判断无人机硬件系统和软件系统是否工作正常，所述云台及减震装置6和机臂3均与机架13连接，所述机架13安装在无人机整机下部用于所述四旋翼无人机飞行器系统在飞行起降时的稳定着陆，所述激光雷达7和深度摄像头8均连接在云台及减震装置6上，由此可以减少因为机体震动而带来的噪声和干扰，所述电池9安装在无人机顶部，所述板载电脑10安装在无人机机架中心处，所述超声波传感器安装在板载电脑10的下方且朝向地面；所述飞行控制器4、激光雷达7、深度摄像头8、GPS模块12和超声波传感器分别与板载电脑10连接，所述飞行控制器4用于实时检测无人机当前的飞行状态信息，所述激光雷达7用于实时检测无人机与周围障碍物间的距离信息，所述深度摄像头8用于实时检测无人机飞行的前方障碍物信息或前方点云数据信息，所述GPS模块12用于实时检测无人机的当前位置信息，所述超声波传感器用于实时检测无人机的对地高度信息，所述板载电脑10对所述飞行控制器4、激光雷达7、深度摄像头8、GPS模块12和超声波传感器检测的信息数据进行融合处理，并根据处理结果生成控制指令发送至所述飞行控制器4，所述飞行控制器4通过电子调速器5将控制指令作用到电机2上，所述电机2带动螺旋浆1转动实现无人机的飞行控制。

具体地，所述深度摄像头8除了可以得知图像的颜色信息以外，还可以获得图像的距离信息，所述深度摄像头8中＂深度＂的意思是：指定像素点到摄像头的距离；作为一种实施方式，所述深度摄像头8选用Intel公司的RealSense深度摄像头。同时，所述板载电脑10位于无人机的最中心位置，且本申请中的板载电脑10和飞行控制器4的作用不同，简单来说，所述飞行控制器4主要用于控制无人机的飞行姿态，而所述板载电脑10类似于一个缩小的电脑主板，用来进行高性能的图像处理运算，计算出障碍物和路径导航结果，然后回传给所述飞行控制器4，最终让无人机完成自主导航；作为一种实施方式，所述板载电脑10选用型号为Nvidia Jetson TK1的嵌入式超级计算机。

作为具体实施例，所述飞行控制器4内部设有IMU(Inertial Measurement Unit，惯性测量单元)模块，所述IMU模块用于检测无人机飞行过程中的加速度、姿态和磁场强度，并将检测的数据作为当前飞行状态信息传输给板载10电脑。具体地，所述IMU模块为9轴IMU，所述9轴IMU包括有：1)测量空间中xyz轴三个方向的加速度，测量加速度可以知道物体如无人机的运动状态，即可以知道无人机具体在往上下左右什么方向飞；2)测量空间中一个物体的自身姿态，具体包括有pitch姿态、roll姿态和yaw姿态；3)测量磁场强度，由此知道无人机飞行的东南西北这样的绝对方向(上下左右只是相对方向)。所述IMU模块将检测的数据作为无人机的当前飞行状态信息传输给板载电脑10处理；作为一种实施方式，所述飞行控制器4选用型号为Pixhawk的飞行控制器，所述Pixhawk飞行控制器为开源产品，其内部包含有陀螺仪等其他IMU元件。

作为具体实施例，所述飞行控制器4、激光雷达7、深度摄像头8、GPS模块12和超声波传感器分别通过USB导线与板载电脑10连接，所述飞行控制器4、激光雷达7、深度摄像头8、GPS模块12和超声波传感器通过USB协议将各自检测的传感器数据传输给板载电脑10，同时所述飞行控制器4还通过USB协议接收板载电脑10发送的路径规划或姿态控制指令。在本实施例中，所述飞行控制器4、激光雷达7、深度摄像头8、GPS模块12和超声波传感器分别与板载电脑10之间通过USB导线连接，由此可以提高数据的传输速度且传输方便。

作为具体实施例，所述飞行控制器4与电子调速器5连接以PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)方式发送调速信号，即所述飞行控制器4接收到板载电脑10的控制指令后，将会产生调速信号并发送给电子调速器5，所述电子调速器5接收到飞行控制器4的调速信号作用后，直接通过三相电线将控制电压作用到电机2上，所述电机2受到电子调速器5的作用，产生不同方向和不同大小的升力，最终完成对无人机的飞行控制。需要注意的是，本发明所述无人机总共拥有四个电机，每个电机连接至独立的电子调速器并接受其控制，四个电机共同工作完成无人机在空间中的上升下降以及平移。

请参考图2所示，本发明还提供一种面向复杂环境的四旋翼无人机飞行器飞行方法，所述方法采用了前述的面向复杂环境的四旋翼无人机飞行器系统，该方法包括以下步骤：

S1、所述板载电脑10实时接收GPS模块12的GPS信号，当所述板载电脑10接收GPS信号成功时执行步骤S2，反之则执行步骤S3；具体地，当所述无人机进入开阔的室外地带以后，此时GPS信号良好，无人机软件系统将接通板载电脑10获取到无人机当前的地理位置信息，即所述板载电脑10接收GPS信号成功，开始执行步骤S2；当所述无人机进入室内环境以后，此时室内区域没有GPS信号，GPS无法正常工作，无人机将会丢失GPS信号，即所述板载电脑10接收GPS信号失败，软件系统将会切换为SLAM(Simultaneous Localization And Mapping，即时定位与地图构建)模式，开始执行步骤S3。

S2、所述板载电脑10接收GPS模块12检测的无人机当前位置信息(即无人机在空间中的具体位置坐标x，y)、飞行控制器4检测的无人机飞行状态信息(即无人机的自身姿态yaw，pitch，roll)、超声波传感器检测的无人机对地高度信息(即无人机在空间中的位置坐标z)以及深度摄像头8检测的无人机前方障碍物信息进行融合处理。具体地，在空间中，由xyz三个坐标便可以确定所述无人机的位置，再配合yaw、pitch、roll三个角度以确定所述无人机的姿态；此后每间隔一段时间，以无人机的位置作为起点，起飞前设定的目的地作为终点，调用Dijkstra算法就可进行动态路径规划；同时在每一个时刻，将所述深度摄像头8检测到的前方障碍物数据也输入到Dijkstra算法中进行计算，以避免无人机出现碰撞，据此计算出无人机飞行路径并生成对应的路径规划控制指令，所述板载电脑10将控制指令发送至飞行控制器4，所述飞行控制器4通过电子调速器5将控制指令作用到电机2上，所述电机2带动螺旋浆1转动实现无人机的飞行控制，实现无人机的自主飞行。

S3、所述板载电脑10接收飞行控制器4检测的无人机飞行状态信息(即无人机的自身姿态yaw，pitch，roll)、超声波传感器检测的无人机对地高度信息(即无人机在空间中的位置坐标z)、深度摄像头8检测的无人机前方点云数据信息以及激光雷达7检测的无人机与周围障碍物间的距离信息进行运算，构建出无人机能够感知周围场景的三维环境飞行路径并生成对应的路径规划控制指令，所述板载电脑10将控制指令发送至飞行控制器4，所述飞行控制器4通过电子调速器5将控制指令发送到电机2上，所述电机2根据控制指令控制螺旋浆1的转速实现无人机的飞行控制。具体地，在SLAM模式下，所述板载电脑10接收若干帧激光雷达7的扫描数据，通过匹配不同帧内角点的移动，推算出无人机的运行轨迹、运行方向和周围360度障碍物情况；然后使用深度摄像头8检测无人机前方的三维环境(即无人机前方点云数据)并拼接，将所述深度摄像头8检测到的前方三维环境障碍物数据也输入到Dijkstra算法中进行计算，构建出无人机能够感知周围场景的三维环境飞行路径，使无人机系统具有了感知周围完整环境的能力，同时所述板载电脑10将控制指令发送至飞行控制器4进行转发。在本飞行模式下，通过飞行控制器4获取无人机自身的飞行状态，再辅以超声波传感器、激光雷达7和深度摄像头8来感知无人机的飞行环境，进而实现了无人机在复杂环境下的全自主飞行。

作为具体实施例，所述飞行控制器4检测的无人机飞行状态信息包括无人机的加速度、无人机的自身姿态和无人机的绝对飞行方向。具体地，在所述飞行控制器4内部设有IMU模块，所述IMU模块用于检测无人机飞行过程中的加速度、姿态和磁场强度，并将检测的数据作为当前飞行状态信息传输给板载10电脑，而所述IMU模块的具体测量原理和型号选取前面已描述过，在此不再赘述。

与现有技术相比，本发明提供的面向复杂环境的四旋翼无人机飞行器系统及飞行方法，包括板载电脑及与板载电脑连接的飞行控制器、激光雷达、深度摄像头、GPS模块和超声波传感器，当无人机处于室外的开阔地带时，此时GPS信号良好，无人机飞行器系统中的板载电脑将根据GPS模块、飞行控制器、超声波传感器以及深度摄像头检测的信息数据进行融合处理，重新规划无人机飞行路径并生成对应的路径规划控制指令；当无人机处于室内的封闭环境时将会丢失GPS信号，板载电脑接收GPS信号失败，此时板载电脑将根据飞行控制器、超声波传感器、深度摄像头以及激光雷达检测的信息数据进行融合处理，构建出无人机能够感知周围场景的三维环境飞行路径并生成对应的路径规划控制指令；板载电脑将前述两种情况下产生的控制指令发送至飞行控制器，飞行控制器通过电子调速器将控制指令发送到电机上，电机根据控制指令控制螺旋浆的转速实现无人机的飞行控制。因此，本发明提供的无人机飞行器系统具有很强的全局感官效果，板载电脑能足以完成环境感知效果的计算，飞行时同时构建出周围三维环境，即根据飞行之前记录的目的地在飞行过程中根据环境规划航线，无人机完全自主飞行，不受地面站的限制，且成本较低。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。