四旋翼飞行器的制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种四旋翼飞行器，包括：机身，机身上对称设有四个电机和四个旋翼，四个电机驱动四个旋翼；动力装置，动力装置驱动四个电机；自主控制系统，自主控制系统包括：机载主控制器，机载主控制器控制四个电机的转速；机载辅助控制器，机载辅助控制器与机载主控制器进行信息交互；摄像头，摄像头将其获取的信息传输给机载辅助控制器进行扇形光电图像处理与识别；以及人机交互装置，人机交互装置与自主控制系统进行信息交互。本实用新型利用机载辅助控制器处理摄像头获取的图像，提高图像处理速度，为机载主控制器减轻工作负担，使机载主控制器精确处理机载传感器传来的信息，以便准确识别物体，实现机载运行。
【专利说明】
四旋翼飞行器
技术领域
[0001] 本实用新型涉及飞行器领域，特别涉及一种四旋翼飞行器。
【背景技术】
[0002] 自从Breguet-Richet发明的世界上第一架四旋翼飞行器"Gyroplane No.l"以来， 四旋翼飞行器因其成本低、安全性强、质量轻、体积小、灵活机动等特点，在军事、民用和商 用领域有着广泛的应用前景，也成为国内外控制领域的研究热点。
[0003] 国内外高校在对四旋翼飞行器的基于视觉的飞行控制进行的研究主要集中在两 个方向：
[0004] 1、基于光流传感器的自主控制系统，具有代表性的是使用PX4FL0W光流传感器实 现四旋翼飞行器的悬停和矩形轨迹跟踪等功能的瑞士苏黎世联邦理工学院。但是，基于光 流传感器的自主控制系统容易产生位置漂移问题，不适合长时间长距离导航。
[0005] 2、基于摄像头的自主控制系统，具有代表性的是应用视觉SLAM算法实现了四旋翼 飞行器的自主定位与导航的德国慕尼黑工业大学。但是，由于这种四旋翼飞行器的控制器 对图像的处理量较大，处理速度慢且影响导航的处理能力，因此很难实现机载运行。
[0006] 公开于该【背景技术】部分的信息仅仅旨在增加对本实用新型的总体背景的理解，而 不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有 技术。 【实用新型内容】
[0007] 本实用新型的目的在于提供一种四旋翼飞行器，从而克服现有的四旋翼飞行器无 法实现机载运行且容易产生位置漂移问题的缺陷。
[0008] 为实现上述目的，本实用新型提供了一种四旋翼飞行器，包括:机身，机身上对称 设有四个电机和四个旋翼，四个电机驱动四个旋翼;动力装置，动力装置驱动四个电机；自 主控制系统，自主控制系统包括:机载主控制器，机载主控制器控制四个电机的转速;机载 辅助控制器，机载辅助控制器与机载主控制器进行信息交互;摄像头，摄像头将其获取的信 息传输给机载辅助控制器进行扇形光电图像处理与识别；以及人机交互装置，人机交互装 置与自主控制系统进行信息交互。
[0009] 优选地，上述技术方案中，机身的底部设有电磁继电器，自主控制系统还包括电机 驱动模块，电机驱动模块控制电磁继电器的通断。
[0010] 优选地，上述技术方案中，机身上还设有超声波检测装置。
[0011]优选地，上述技术方案中，机载主控制器为ARM嵌入式控制器。
[0012] 优选地，上述技术方案中，机载辅助控制器为瑞萨系列嵌入式控制器。
[0013] 优选地，上述技术方案中，机身上设有集成的机载传感器，机载传感器集成了姿态 传感器、磁力传感器以及压力传感器。
[0014] 优选地，上述技术方案中，四旋翼飞行器还包括电子调速器，电子调速器在机载主 控制器的控制下运行，且电子调速器用于调整四个电机的转速。
[0015] 优选地，上述技术方案中，人机交互装置为遥控器或地面站PC机。
[0016] 优选地，上述技术方案中，机身的底部设有一个支架，四个电机固定在支架上，自 主控制系统设置在支架的中心处。
[0017] 与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果：
[0018] 本实用新型的四旋翼飞行器设有机载辅助控制器，用于处理摄像头获取的图像， 提高图像处理速度，为机载主控制器减轻工作负担，使机载主控制器精确处理机载传感器 传来的信息，以便准确识别物体，实现机载运行。
【附图说明】
[0019] 图1是根据本实用新型的四旋翼飞行器的结构图。
[0020] 图2是根据本实用新型的四旋翼飞行器的控制系统的结构图。
[0021] 图3是根据本实用新型的四旋翼飞行器的PID调节仿真图。
[0022] 图4是根据本实用新型的测试场地的俯视图。
[0023] 图5是根据本实用新型的四旋翼飞行器的图像处理前的效果图。
[0024]图6是根据本实用新型的四旋翼飞行器的图像处理后的效果图。
[0025] 主要附图标记说明：
[0026] 1-机身，2-电机，3-旋翼，4-支架，5-机载主控制器，6-机载辅助控制器，7-机载传 感器，8-电子调速器，9-人机交互装置，10-蓝牙无线通信，11-摄像头，12-指示线，13-示高 线。
【具体实施方式】
[0027] 下面结合附图，对本实用新型的【具体实施方式】进行详细描述，但应当理解本实用 新型的保护范围并不受【具体实施方式】的限制。
[0028] 除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语"包括"或其变 换如"包含"或"包括有"等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元 件或其它组成部分。
[0029] 如图1-2所示，根据本实用新型【具体实施方式】的四旋翼飞行器包括机身1、四个电 机2、动力装置(未示出）、自主控制系统、机载传感器7、人机交互装置9、蓝牙无线通信10、电 子调速器8、超声波检测装置(未示出）以及摄像头11。优选地，人机交互装置9为遥控器或地 面站PC机。
[0030] 机身1的底部设有十字形的支架4,支架4的四个端部分别设有电机2,机身1上设有 动力装置，该动力装置用于驱动四个电机2。与四个电机2相应的位置处设有旋翼3,四个旋 翼3位于同一高度平面，电机2用于驱动旋翼3。机身1上设有电子调速器9,用于调整四个电 机2的转速，从而改变四个旋翼3的转速。
[0031] 机身1上还设有机载传感器7、蓝牙无线通信10以及摄像头11。优选地，机载传感器 7是集成的传感器，其集成了姿态传感器、磁力传感器以及压力传感器。优选地，姿态传感器 为MPU6050,磁力传感器为HMC5883L，压力传感器为MS5611。蓝牙无线通信10用于人机交互 装置9与主控制系统之间的信息交互。摄像头11用于收集物体的图像。
[0032] 如图2所示，自主控制系统设置在支架4的中心处。自主控制系统包括机载主控制 器5和机载辅助控制器6。机载主控制器5接收机载传感器7的信息(如机身的姿态信息)并利 用数字单环PID控制算法对该信息进行处理，图3为PID调节的仿真图。机载辅助控制器6接 收摄像头11获取的图像信息，并利用扇形光电图像处理与识别算法对该信息进行处理，然 后将处理结果传输给机载主控制器5。机载主控制器5对机载传感器7和机载辅助控制器6的 信息综合处理后，根据结构控制电子调速器8对各个电机2和旋翼3的转速进行调整，进而调 整机身的姿态和位置等参数。
[0033] 优选地，机载主控制器5为ARM嵌入式控制器，机载辅助控制器6为瑞萨系列嵌入式 控制器。优选地，机身1的底部设有电磁继电器，自主控制系统还包括电机驱动模块，电机驱 动模块控制电磁继电器的通断，利用电磁继电器实现载物的功能。
[0034] 其中，四旋翼飞行器的动力学模型表示为:
[0035] 心-"贼 + 啊 1 (1) l/Opij + ('{?], i))i) = yAj])' rj
[0036] 式中m四旋翼飞行器的质量，n=(4>，9，il〇T表示四旋翼飞行器在惯性坐标系I中的 姿态角向量，巾表示滚转角， 0表示俯仰角，也表示偏航角。l = (x，y，z)T表示四旋翼飞行器在 惯性坐标系B中的位置向量U表示四个螺旋桨提供的总升力，T = (T4)，TO，1^)表示四旋翼飞行 器受到的矩阵向量。R(n)，iKn)分别表示体坐标系I和惯性性坐标系B之间的位置角度转换 关系：
[0039] iKrOzit-WrOjiKn)为惯性矩阵表达式1 =乜&8(^2，13)为四旋翼飞行器的转动 惯量矩阵，c(a，a)为科里奥利力和向心力的矩阵，具体表达式为
[0040] /t 〇 - J! s-i.n<9 、 Mirj) = 0 J2 sirf (j> + J2i cos*" (p (Js - J^) vvsff cos^sin^ (4) /j sin.0 (/2 .-Jj) cos^cos 夕 sin 沴 sirf 沒 + sinJ 沴+. J3 cog .多I
[0041 ] C(r], fj) = -y/TJy/ + y/T{iffij x Jif/) (5)
[0042] 扇形光电图像处理与识别算法
[0043]首先对摄像头11收集到的图像进行二值化处理，对二值化的图像进行搜索，当扫 描到连续几个黑点之后判断为图像头，同理搜索到图像尾的中点，可求得两点连线的倾斜 角小，利用旋转矩阵M对图像进行旋转为正图形，其中的表达式为： 「 n ,, f cos叆 sin^ . v
[0044] M = ' r (g) sin.沴 cos^J
[0045] 沿着图像头扫描到该行尾取得第一行的中间点，以图像头的中点为起点向与图像 头中点与图像尾中点连线的±01，± 02, ±如...等方向进行搜索，
[0046] 其中：
，n越大描述特性越准确，可以按照实际需要 进行选择。
[0047]图5和图6是机载辅助控制器6在对图像处理前和处理后的效果图。
[0048] 利用该四旋翼飞行器实现自动控制并完成特定任务的实例如下:
[0049] 6.1投掷铁片测试
[0050] 测试任务：如图4所示，四旋翼飞行器从A区起飞，沿预设路线前行，自主识别指示 线12与其他地面情况成功抵达B区，并能精确的投掷铁片，最后能安全返回A区。
[0051] 测试方法:在四旋翼飞行器下利用电磁继电器装载一个小铁片，放置好示高装置 (示高线13)。在人机交互装置9上一键式启动，利用超声波检测装置检测四旋翼飞行器距离 地面的飞行高度，四旋翼飞行器高于30cm之后开始计时，在四旋翼飞行器降落到A区之后， 读取飞行时间，记录四旋翼飞行器距离A区距离，记录此时小铁板的重量以及距离B区的距 离。
[0052] 测试结果记录如表2所示：
[0053]表2四旋翼飞行器投掷铁片试验测试
[0055]试验结果表明，该系统成功完成了该任务，大量测试结果显示该系统成功率可达 到95 %。
[0056] 6.2找寻铁片测试
[0057]测试任务:四旋翼飞行器从A区出发找寻到在B区随机放置的铁片，并返程。
[0058]测试方法:将四旋翼飞行器摆放在A区，将铁板摆放在B区任意位置，在人机交互装 置9上一键式起飞，利用超声波检测装置检测四旋翼飞行器距离地面的飞行高度，在四旋翼 飞行器距离地面高于30cm之后开始计时，在四旋翼飞行器降落到A区之后读取时间和距离A 点的距离。
[0059]表3四旋翼飞行器找寻铁片试验测试
[0062] 试验结果表明，该系统可以完成该任务，大量测试结果表示该失误率约为30%。
[0063] 本实用新型的四旋翼飞行器设有机载辅助控制器，用于处理摄像头获取的图像， 提高图像处理速度，为机载主控制器减轻工作负担，使机载主控制器精确处理机载传感器 传来的信息，以便准确识别物体，实现机载运行。
[0064] 前述对本实用新型的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些 描述并非想将本实用新型限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行 很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本实用新型的特定原理 及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本实用新型的各种不同的示例 性实施方案以及各种不同的选择和改变。本实用新型的范围意在由权利要求书及其等同形 式所限定。
【主权项】
1. 一种四旋翼飞行器，其特征在于，包括： 机身，所述机身上对称设有四个电机和四个旋翼，所述四个电机驱动所述四个旋翼； 动力装置，所述动力装置驱动所述四个电机； 自主控制系统，所述自主控制系统包括： 机载主控制器，所述机载主控制器控制所述四个电机的转速； 机载辅助控制器，所述机载辅助控制器与所述机载主控制器进行信息交互； 摄像头，所述摄像头将其获取的信息传输给所述机载辅助控制器进行扇形光电图像处 理与识别；以及 人机交互装置，所述人机交互装置与所述自主控制系统进行信息交互。2. 根据权利要求1所述的四旋翼飞行器，其特征在于，所述机身的底部设有电磁继电 器，所述自主控制系统还包括电机驱动模块，所述电机驱动模块控制所述电磁继电器的通 断。3. 根据权利要求1或2所述的四旋翼飞行器，其特征在于，所述机身上还设有超声波检 测装置。4. 根据权利要求1所述的四旋翼飞行器，其特征在于，所述机载主控制器为ARM嵌入式 控制器。5. 根据权利要求4所述的四旋翼飞行器，其特征在于，所述机载辅助控制器为瑞萨系列 嵌入式控制器。6. 根据权利要求1所述的四旋翼飞行器，其特征在于，所述机身上设有集成的机载传感 器，所述机载传感器集成了姿态传感器、磁力传感器以及压力传感器。7. 根据权利要求1所述的四旋翼飞行器，其特征在于，所述四旋翼飞行器还包括电子调 速器，所述电子调速器在所述机载主控制器的控制下运行，且所述电子调速器用于调整所 述四个电机的转速。8. 根据权利要求1所述的四旋翼飞行器，其特征在于，所述人机交互装置为遥控器或地 面站PC机。9. 根据权利要求1所述的四旋翼飞行器，其特征在于，所述机身的底部设有一个支架， 所述四个电机固定在所述支架上，所述自主控制系统设置在所述支架的中心处。
【文档编号】B64D47/00GK205469858SQ201620320269
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年4月15日
【发明人】安健, 徐永鑫, 吕洋
【申请人】电子科技大学