基于蝙蝠收发装置的避障无人机的制作方法

1.本发明涉及无人机技术领域，具体为基于蝙蝠收发装置的避障无人机。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
3.目前，无人机飞行过程中通过各类手段实现避障，常见的如图像识别避障、激光雷达避障等方式，这类方式一方面依赖较高的硬件基础，另一方面对无人机的飞行环境要求较高，例如图像识别避障需要在作业环境存在可见光的情况下，才能识别出飞行路线上存在的障碍物；而激光雷达避障虽然受外界可见光的影响较小，但需要无人机搭载多台激光发射器用于获取多个方向的距离信息，使得无人机携带的负载设备较多，同时信号的处理过程复杂，与此同时，激光雷达避障所发出的直线激光难以获得小型障碍物与无人机之间的距离，容易造成避障失败。


技术实现要素：

4.为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本发明提供基于蝙蝠收发装置的避障无人机，在无人机上搭载模仿蝙蝠鼻部和耳部的超声波收发装置，发射的声波遇到障碍物会反射，而声波的速度已知，只需获取发射到接收的时间差，能够得出所测量的距离，再结合声波发射装置和声波接收装置的相对距离，从而得到障碍物与无人机之间的实际距离，使无人机避障能够不受外界环境影响。
5.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
6.本发明的第一个方面提供基于蝙蝠收发装置的避障无人机，包括位于无人机底部的超声波接收装置和超声波发射机构，超声波接收装置和超声波发射机构均与无人机的飞行控制器连接；
7.超声波发射机构包括连接在支撑件上的仿生鼻部和声波发射器，仿生鼻部通过电动推杆与支撑件活动连接；
8.超声波接收装置包括并列布置的至少两组模拟外耳机构，每一组模拟外耳机构均通过支架连接在对应的六自由度平台上，六自由度平台通过伸缩杆连接在底座上。
9.电动推杆的固定端通过紧固件连接在支撑件上；电动推杆的活动端与仿生鼻部连接。
10.底座上设有天线用于接收无人机的控制信号。
11.仿生鼻部具有鞍状叶部。
12.模拟外耳机构包括仿生外耳和仿生外耳下皮瓣。
13.伸缩杆位于底座和六自由度平台之间的空间，通过伸缩杆的动作改变两组模拟外耳机构相对于底座的高度。
14.每一组模拟外耳机构均设置在对应的外耳平台上。
15.外耳平台与模拟外耳机构底部活动连接；支架与模拟外耳机构背侧的中心点活动连接。
16.与现有技术相比，以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：
17.1、通过仿生鼻部和模拟外耳机构模仿蝙蝠发出和接收超声波的器官，利用电动推杆带动的仿生鼻部和六自由度平台带动的模拟外耳机构相配合，改变声波的特性，能够在不受外界环境的影响下实现无人机的避障。
18.2、通过电动推杆带动的仿生鼻部，改变仿生鼻部水平方向相对支撑件的距离，调节与声波发射器的相对位置，从而增加所发出超声波束的数量和强度，降低无人机避障所需的时间和能耗，同时在探测主方向的同时，还能够探测主方向附近的空间。
19.3、通过六自由度平台带动的模拟外耳机构，改变模拟外耳机构和超声波发射机构之间的相对位置以及仿生外耳的角度，从而实现接收不同角度的超声波回波，并且拓宽超声波回波的接收范围。
附图说明
20.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
21.图1是本发明一个或多个实施例提供的搭载仿生超声波收发装置的无人机结构示意图；
22.图2是本发明一个或多个实施例提供的仿生装置中的超声波发射机构结构示意图。
23.图3是本发明一个或多个实施例提供的仿生装置中的超声波接收装置结构示意图。
24.图中：1、无人机；2、飞行控制器；3、超声波接收装置；4、超声波发射机构；5、支撑件；6、紧固件；7、电动推杆；8、仿生鼻部；9、声波发射器；10、天线；11、模拟外耳机构；12、外耳平台；13、支架；14、六自由度平台；15、伸缩杆；16、底座。
具体实施方式
25.下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
26.应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
27.正如背景技术中所描述的，目前的无人机飞行过程中通过各类手段实现避障，常见的如图像识别避障、激光雷达避障等方式，这类方式一方面依赖较高的硬件基础，另一方面对无人机的飞行环境要求较高，例如图像识别避障需要在作业环境存在可见光的情况下，才能识别出飞行路线上存在的障碍物；而激光雷达避障虽然受外界可见光的影响较小，但需要无人机搭载多台激光发射器用于获取多个方向的距离信息，使得无人机携带的负载设备较多，同时信号的处理过程复杂，与此同时，激光雷达避障所发出的直线激光难以获得小型障碍物与无人机之间的距离，容易造成避障失败。
28.蝙蝠依靠喉内产生超声波，超声波遇到障碍物后反射，被蝙蝠的耳部接收，蝙蝠会
根据超声波回波的振幅、频率、信号间隔等声音特征判断障碍物的位置、距离以及大小等信息，从而不受外界可见光的影响，同时超声波在空间中扩散传输，相较于直线传播的激光能够更好的确定小型障碍物的位置。
29.因此，以下实施例给出了基于蝙蝠收发装置的避障无人机，在无人机上搭载模仿蝙蝠鼻部和耳部的超声波收发装置，发射的声波遇到障碍物会反射，而声波的速度已知，只需获取发射到接收的时间差，能够得出所测量的距离，再结合声波发射装置和声波接收装置的相对距离，从而得到障碍物与无人机之间的实际距离，使无人机避障能够不受外界环境影响。
30.实施例一：
31.如图1所示，基于蝙蝠收发装置的避障无人机，包括位于无人机1底部的超声波接收装置3和超声波发射机构4，超声波接收装置3和超声波发射机构4均与飞行控制器2连接；
32.如图2所示，超声波发射机构4包括连接在支撑件5上的仿生鼻部8和声波发射器9，仿生鼻部8通过电动推杆7与支撑件5活动连接，仿生鼻部8具有鞍状叶部(指模仿蝙蝠鼻子上叶子状的马蹄形突起的结构)仿生鼻部(模拟蝙蝠鼻部的形状和构造，可以使用碳纤维材质)可以增加所发出超声波束的数量和强度，比常见的超声波发射传感器和接收传感器配合的方式更优秀。
33.仿生鼻部8和声波发射器9通过导线连接。
34.实施例中，支撑件5为l型，支撑件5的竖直部分通过紧固件6与电动推杆7的固定端连接，电动推杆7的活动端与仿生鼻部8连接，声波发射器9连接在支撑件5的水平部分；声波发射器9产生的超声波经仿生鼻部8发出，通过电动推杆7的伸缩运动，改变仿生鼻部8水平方向相对支撑件5的距离，则可以调节鞍状叶部与声波发射器9的相对位置，则中心频率在垂直方向的波束宽度随着鞍状叶部长度的拉长呈变小的趋势，鞍状叶部中与波长相近的孔产生波束的能力就越强，从而可以增加所发出超声波束的数量和强度，则声波发射器9无需产生更高频率的超声波就可以使实际发射的超声波频率大于20000mhz以模仿蝙蝠发出的超声波，进而在探测主方向的同时，还能够探测主方向附近的空间，对于无人机避障来说降低了探测时间和能耗，飞行控制器2则控制声波发射器产生超声波。
35.如图3所示，超声波接收装置3包括位于底座16上并列布置的至少两组模拟外耳机构11，每一组模拟外耳机构11均设置在对应的外耳平台12上，每一组模拟外耳机构11均通过支架13连接在对应的六自由度平台14上，六自由度平台14通过伸缩杆15连接在底座16上。
36.底座16上还设有天线10用于接收针对无人机1的控制信号。
37.模拟外耳机构11包括仿生外耳和仿生外耳下皮瓣，具有频扫特性，模拟外耳结构可以准确模拟蝙蝠外耳收到回声波，收到回声后，利用回声定位原理分析出回声的振幅、频率、信号间隔等声音特征后，即可确定位置能够准确判断距离有多远，以及障碍物还是昆虫，使无人机准确完成避障。
38.蝙蝠的外耳形状影响所收集波束的形成，可以使其接收到很弱的信号，或者说在某一个方向上敏感度高的信号，从而实现精确度更高的定位(例如，《蝙蝠外耳边缘扩展对波束形成的影响的研究》王晓彬，2008)。
39.仿生外耳与蝙蝠外耳的形状和构造相同，可以模仿蝙蝠外耳接收超声波。
40.本实施例中，伸缩杆15连接在底座16和六自由度平台14之间，用于同时改变两组模拟外耳机构11的高度；外耳平台12和支架13用于承载模拟外耳机构11的重量；
41.其中，外耳平台12与模拟外耳机构11底部活动连接，支架13与模拟外耳机构11背侧的中心点活动连接；
42.六自由度平台为标准stewartplatform(史都华平台)形式，包括并列布置的上平台和下平台，两平台侧部通过六支伸缩杆铰接，两平台侧部每两组伸缩杆的铰接点靠近，且在圆周方向三等分两平台。
43.上平台相对运动，下平台相对静止，借用六只伸缩杆的伸缩运动，完成上平台的前后移动、左右横移、起升下降、前后翻滚和左右侧倾共六个方向的运动，从而带动每一组模拟外耳机构11以背侧与支架13的连接处为中心点，改变模拟外耳机构11和超声波发射机构4之间的相对位置以及模拟外耳机构11的角度，从而实现接收不同角度的超声波回波，并且拓宽超声波回波的接收范围。
44.相应的，六自由度平台14底部的平台与伸缩杆15和底座16形成新的六自由度平台，使得两组模拟外耳机构11共同实现6个方向的运动，同时改变两组模拟外耳机构11的角度。
45.工作过程如下：声波发射器9产生的超声波经仿生鼻部8发出，电动推杆7的伸缩运动改变仿生鼻部8水平方向相对支撑件5的距离，调节鞍状叶部与声波发射器9的相对位置，发出超声波频率大于20000mhz的超声波；超声波遇到障碍物后产生回波；
46.模拟外耳机构11接收到回波后，飞行控制器2的adc模块(数字转换器)将模拟信号转化为数字信号存入dma模块(直接存储器存取)，dma模块将数字信号传输到存储模块中。飞行控制器2对存储模块内的回波信号进行滤波、分帧和加窗处理，并对处理后的数字信号对障碍物进行定位，以获取障碍物的位置信息；飞行控制器2根据障碍物的位置信息控制无人机1完成避障。
47.通过仿生鼻部和模拟外耳机构模仿蝙蝠发出和接收超声波的器官，利用电动推杆带动的仿生鼻部和六自由度平台带动的模拟外耳机构相配合，改变声波的特性，能够在不受外界环境的影响下实现无人机的避障。
48.通过电动推杆带动的仿生鼻部，改变仿生鼻部水平方向相对支撑件的距离，调节与声波发射器的相对位置，从而增加所发出超声波束的数量和强度，降低无人机避障所需的时间和能耗，同时在探测主方向的同时，还能够探测主方向附近的空间。
49.通过六自由度平台带动的模拟外耳机构，改变模拟外耳机构和超声波发射机构之间的相对位置以及仿生外耳的角度，从而实现接收不同角度的超声波回波，并且拓宽超声波回波的接收范围。
50.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。