一种社区安防无人机的制作方法

本发明涉及一种用于社区安防的无人机。

背景技术：

当今社会，居民对社区安全的要求越来越高，二十四小时不间断巡逻成为新的必不可少的需求，将无人机用于社区安防是无人机一个非常巨大的应用前景。目前社区现有的安防监控系统以固定摄像机监控与安保人员随机巡逻为主，摄像机通过无线或者有线的方式将视频传回监控室。社区巡逻人员根据摄像头收集的信息选择要巡逻的路线。目前有学者研究将无人机用于视频监控领域。基本原理是将摄像头安装在飞行器上，通过射频信号传回视频信息，安保人员通过观看视频并利用遥控器控制飞行器的运动轨迹，其最大弊端在于飞行时间太短，无法实现对社区的实时监控。

技术实现要素：

本发明的目的是一种将智能升降平台与改进型无人机相结合的新型用于社区安防无人机系统。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种社区安防无人机，其特征在于，包括无人机和与搭载无人机的智能升降平台，智能升降平台搭载全新质子交换膜燃料电池给降落其上的无人机充电，无人机在飞行过程中，采用视觉方法进行导航，具体包括以下步骤：

利用搭载在无人机上的摄像头实时获取视频图像，对视频流中每帧图像进行图像校正后，使用FAST特征检测算法提取视频流中当前一帧图像的特征，并在下一帧图像中采用KLT算法进行特征匹配，根据已匹配的特征点构建光流场，然后估计无人机上摄像头的运动姿态，并进行里程推算，并周期地更新姿态与参考帧。

优选地，所述无人机采用基于图像识别与处理的原理实现在所述智能升降平台上的自动着陆，自动着陆时，首先要通过计算机视觉技术对相应的引导地表进行捕获，并按要求对获取的图像进行处理，为特征识别和姿态调整做准备，通过图像处理实现对所述智能升降平台上的着陆特征进行识别，在图像处理过程中，把实时处理速度设为最优级，同时，智能升降平台利用图像回传反馈的位置信息发出指令对无人机的位置进行校正，缓慢降落无人机的高度，直至小于预定的安全值，暂停电机转动使其落地。

优选地，所述无人机包括机架，在机架的四个角部分别设有一个由电机驱动的旋翼，电机由设于机架上的飞控板控制，机架底部还设有起落架，由设于机架上的电池为飞控板及电机提供工作电压。

优选地，所述智能升降平台包括用于升降所述无人机的保护筒，保护筒中心设有十字视觉识别点，在保护筒的四周设有图像摄像机，保护筒底部设有行走轮。

对于无人机的续航问题，目前国内商用的无人机续航能力一般在15-20分钟左右，这在一些任务中会显得捉襟见肘，续航能力成为限制应用主要因素，在用于安防社区的时候，由于一般要求巡航的时间稍微有点长，以目前的续航能力很难满足更换电池的周期需要。因此更持久的续航是亟待解决的问题。我们采用车基搭载全新质子交换膜燃料电池能给降落其上的锂电无人机充电的设计，将续航能力提升到2小时以上，基本上能能够满足社区的长时间巡逻需求；而且与无人机配合的智能升降平台的配合能够进一步延长无人机的续航时间，无人机可以在独立的工作更长的时间。目前无人机在复杂环境中还不能完全自主飞行，而且在高楼林立的小区里，GPS信号被完全遮挡，采用一般GPS定位导航的方法将不能使用。我们提出一种新的导航方法，采用全新的视觉方法，这种定位方法不止用于无人机，同时也用于搭载无人机的升降平台，在任何区域甚至是室内都能实现精准的自主导航、自主规划路径，不仅如此，我们的视觉避障功能，自动躲避障碍物功能也进一步提升了飞行器的性能，满足社区内安防巡逻的全天候飞行需求。通过无人机与无人车的相互协同合作，能够实现在有特殊情况是空中巡航，普通时间在地上巡逻的比较经济便捷可行的方案。

由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明有良好的实用性，可以在现有的设备上进行改造，无人机与智能车相互协同工作，车载大容量燃料电池给停降其上的无人机充电将有效克服无人机自带锂电电力不足的弊端，无人机的续航能力将通过与其协同工作的的移动起降平台得到大幅提升。所设计的新一代无人机在社区安防方面相关的续航和导航性能上有了较大的提升，其在社区安防方面的应用前景是非常可观的。

附图说明

图1为多旋翼无人机的模型示意图：1是旋翼，2是电池，3是起落架，4是机架，5是电机，6是飞控板；

图2为地面移动起降平台的模型示意图：7是行走轮，8是保护筒，9是十字视觉识别点，10是图像摄像机；

图3为视觉导航算法实施框图；

图4为自主起降功能中的图像识别与处理流程图；

图5为自动着陆的流程图；

图6为整体系统的框架图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明提供的一种社区安防无人机，包括无人机和与搭载无人机的智能升降平台。如图1所示，无人机包括旋翼1、电池2、起落架3、机架4、电机5、飞控板6。

如图2所示，智能升降平台包括行走轮7、保护筒8、十字视觉识别点9、图像摄像机10。

电池2使用质子交换膜燃料电池。其高功率密度、高能量转换效率、可低温启动、连续发电、无电解质泄露、可靠性高、低噪音、环境友好。质子交换膜燃料电池适合用于汽车等移动设备。

机架4由4支力臂、1个上机板、1个下机板构成。4只力臂由于承载4只电机5，力臂需要克服：电机5的扭力及重力，其他组件的重力，以及飞行姿态变换时的惯性。同时考虑减轻机身重量，力臂为三角梁与工字梁结构直臂。上下机板为刚性十字板，4支力臂分别于两十字板十字上固定，构成以力臂为枝的稳定大十字型机架。为保持无人机质量分布平衡，飞控板6、电池2与其他辅助器材一般安置于机架4的十字中心。

机架4使用尼龙材质。机架材料越轻越有利于减轻自重，材料强度越高越有利于动力系统输出强大动力，材料韧性好有利于设备的安装维护。碳纤维质量轻、强度高、韧性好，是性能比较理想的机架材料，尼龙质量较轻、强度较强、韧性较好。铝合金种类繁多，一般密度大于尼龙，强度较尼龙好，韧性较好。在优先考虑成本的情况下，选用尼龙材质机架，比较经济。鉴于成本与性能综合考虑，采用尼龙材质。

电机5尺寸应便于安装于机架之上，电机质量、扭力应与机架4匹配。旋翼1半径应小于机架4十字臂长0.7倍。电机5与旋翼1产生最大升力应大于整机重量1.5至2倍。电机5驱动使用分立MOS管，使用串口通信，分别控制四个电调。

飞控板6搭载无线通信模块、六轴陀螺仪、气压计和磁力计，可实现固定高度飞行。飞控板6中包含视觉导航算法设计。飞控板6根据摄像头获取的图像进行视觉计算，以及陀螺仪的相应数据，改变电机5参数操控无人机。所涉及理论为摄像机建模，标定摄像机获取其内参。关键帧筛选，相邻较近的两帧图像计算出的姿态误差会比较大，为此需要确定可以作为运动估计的关键帧。特征提取，使用FAST特征检测算法提取视频流中每帧图像的特征，并在下一帧中进行特征跟踪，主要采用KLT算法。根据已匹配的特征点构建光流场，然后估计摄像机的姿态运动，进行里程推算。周期性更新姿态与关键帧。算法实施框图为图3。

本发明采用基于图像识别与处理的原理实现飞行器的自动着陆。飞行器自动着陆首先要通过计算机视觉技术对相应的引导地表进行捕获，并按要求对获取的图像进行处理，为特征识别和姿态调整(粒子群PID算法)做准备。在图像处理时为保证无人机实时判读及回传，在尽可能保证图像精度的情况下，把实时处理速度设为最优级。因此对摄像机数量、着陆图标设计、颜色模式和图像处理算法均需要进行优化。图像处理大体有以下几个步骤：图像灰度化处理、高斯采样阈值分割、降噪滤波、提取智能升降平台外部轮廓(智能升降平台)、边缘处理、轮廓检测、轮廓跟踪。完成这些步骤实现对着陆智能升降平台的着陆特征准确识别。图像识别与处理流程图见图4。这种模式下，地面控制台利用图像回传反馈的位置信息发出指令进行位置校正。同时缓慢降落四旋翼飞行器的高度，直至小于预定的安全值，暂停电机转动使其落地。整个自动着陆的过程流程，如图5所示。

保护筒8的前后左右将会分别嵌入有图像摄像机10等，以满足车载平台自身的导航需求和实时地面监控巡查的功能需求。

十字视觉识别点9是在起降坪中央位置进行的特征色彩处理点，作为精准降落时的视觉识别点。

本发明基于视觉里程计算法可以实现无人机的自主导航控制飞行，在本项目的基础上，通过预设定飞行轨迹，运用PID算法实现二次飞行轨迹拟合预定轨迹可以实现无人机的自主飞行，此设计方法还可以用于很多自主飞行机器人或地面机器人的路径规划系统。新型起落架的设计，以降低起降过程中起落架不稳对整机运行稳定性的影响；新型电机座的设计，额外设计了微型燃料电池的电池框以增强该高续航能力四旋翼飞行器的稳定性和实用性，使整机结构更加完备。通过对多旋翼飞行姿态或者状态与动力供给关系的分析，及其不同状态下飞行器功率要求不同，建立飞行器动力输出模型，与燃料电池输出特性对比结合，控制燃料电池的有效输出，有望实现新型飞行器的高效节能。可分离式的智能地面移动飞行系统，通过飞行器停降缩短相对飞行时间，并期间对其充电延长绝对续航时间，能够大幅度提升飞行器的续航能力，不仅满足长时间的巡逻任务的电力需求，同时优化能源使用方式达到节能减排的效果。可分离式的智能地面移动飞行系统，通过飞行器停降缩短相对飞行时间，并期间对其充电延长绝对续航时间，能够大幅度提升飞行器的续航能力，不仅满足长时间的巡逻任务的电力需求，同时优化能源使用方式达到节能减排的效果。