本发明涉及空中机器人技术领域，尤其涉及一种空中巡检机器人飞控方法及系统。
背景技术：
空中机器人又称为无人机，多年来人们对空中机器人不断的进行探索研究，使得机器人在稳定性与可靠性上有了很大的提高。通常空中机器人采用四旋翼结构，具有6自由度的飞行特性，飞行十分灵敏，能够在恶劣的环境中进行工作，比如对灾情进行空中监测、对敌方进行情报侦察等。经分析，目前空中机器人存在功能单一、操作困难以及实际应用不多等问题。
技术实现要素：
基于以上现有技术的不足，本发明所解决的技术问题在于提供一种空中巡检机器人飞控方法及系统，通过融合机器人视觉辅助系统实现对机器人的巡检场景的感知与理解，完成三维空间复杂环境的巡检任务，大幅提高巡检作业效率、降低劳动成本、减少维护人员风险。
为了解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案来实现：本发明提供一种空中巡检机器人飞控方法，包括以下步骤：
步骤s1、系统初始化，包括陀螺仪加速度模块初始化、气压计定高模块初始化、摄像头模块初始化以及电机驱动模块初始化；
步骤s2、检测机器人电池电压，经ad处理和cpu计算出其电压数值，并将电压数值和调试参数显示在液晶显示模块上；
步骤s3、应用开源app经信号转换，由无线遥控传输模块向飞控系统发送解锁信号，读取后经单片机最小系统模块处理，最后对飞控系统进行解锁；
步骤s4、读取智能手机终端发送来的操控信息，并在单片机最小系统模块内部进行信号处理分析与计算，将其操控信息转化为空间位置信息；
步骤s5、读取摄像头模块图像信息；
步骤s6、再次检查机器人电池电压，判断是否需要报警模块报警；
步骤s7、读取气压计定高模块、陀螺仪加速度模块信号，并经算法处理得出对应的高度信息和角度信息；
步骤s8、将高度信息和角度信息与无线遥控传输模块发送来的遥控信号相融合，融合成最终机器人需要达到的目标信息；
步骤s9、将最终的目标信息，转化成电机的控制信号pwm信号，将各路pwm信息给定到各自对应的电机驱动模块控制电路中。
进一步地，所述步骤s5包括以下步骤：
步骤s51、经无线图像传输模块，将读取的摄像头模块图像信息发送到地面站，并在液晶显示模块上进行实时图像显示；
步骤s52、通过对读取的遥控信息进行分析，判断是否需要对飞控系统上的图像信息进行现场保存。
相应地，本发明还提供了一种空中巡检机器人飞控系统，所述机器人的总电路包括单片机最小系统模块，与所述单片机最小系统模块相互连接的气压计定高模块、无线遥控传输模块、液晶显示模块以及陀螺仪加速度模块；所述单片机最小系统模块还与报警模块、图像保存模块以及电机驱动模块连接。
进一步地，该空中巡检机器人飞控系统还包括与所述单片机最小系统模块连接的供电系统，所述供电系统还与摄像头模块连接，所述摄像头模块分别与图像保存模块、无线图像传输模块连接。
进一步地，所述单片机最小系统模块核心处理器采用arm内核的stm32f405系列单片机。
进一步地，所述陀螺仪加速度模块采用陀螺仪和加速计集成于一体的mpu9050运动处理器，通过ic或spi总线进行数据统一读取。
进一步地，所述报警模块采用蜂鸣器报警，使用mos管驱动电路。
其中，操控者可对机器人进行任务设置或结合百度地图对机器人的飞行轨迹进行预先设置。
与现有技术相比，本发明具有如下效果：本发明使用智能手机作为操控平台，将智能手机与空中机器人飞控系统进行信息融合，使其能够在不依赖于传统遥控器情况下，可对机器人设置具体任务，通过视觉辅助进行目标物的巡检，实时地通过无线图像传输模块将机载摄像头中的视频图像发送到地面站，操作手从地面站接收视频信息，根据巡检任务需求和环境需求选择适当的巡检模式，对于室外或路面不平坦时巡检采用飞行巡检，视野广阔且搜索快速；当需要进行接近目标时，进行定位精度高且安全节能；解决了空中巡检机器人操作困难，功能单一等问题，同时通过融合机器人视觉辅助系统实现对机器人的巡检场景的感知与理解，完成三维空间复杂环境的巡检任务，大幅提高巡检作业效率、降低劳动成本、减少维护人员风险。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。
图1为本发明空中巡检机器人飞控方法的流程框图；
图2为本发明空中巡检机器人飞控系统的模块连接框图；
图3为本发明空中巡检机器人飞控系统中单片机最小系统模块电路图；
图4为本发明空中巡检机器人飞控系统中气压计定高模块电路图；
图5为本发明空中巡检机器人飞控系统中陀螺仪加速度模块外围电路图；
图6为本发明空中巡检机器人飞控系统中无线遥控传输模块电路图；
图7为本发明空中巡检机器人飞控系统中报警模块电路图；
图8为本发明空中巡检机器人飞控系统中无线图像传输模块电路图；
图9为本发明空中巡检机器人飞控系统中图像保存模块电路图；
图10为本发明空中巡检机器人飞控系统中稳压电路图；
图11为本发明机器人定点飞行模型；
图12为本发明机器人在10s中内的三维位置变化情况图；
图13为本发明机器人在10s中内的机体姿态情况图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种空中巡检机器人飞控方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤s1、系统初始化，包括陀螺仪加速度模块初始化、气压计定高模块初始化、摄像头模块初始化以及电机驱动模块初始化；
步骤s2、检测机器人电池电压，经ad处理和cpu计算出其电压数值，并将电压数值和调试参数显示在液晶显示模块上；
步骤s3、应用开源app经信号转换，由无线遥控传输模块向飞控系统发送解锁信号，读取后经单片机最小系统模块处理，最后对飞控系统进行解锁；
步骤s4、读取智能手机终端发送来的操控信息，并在单片机最小系统模块内部进行信号处理分析与计算，将其操控信息转化为空间位置信息；
步骤s5、读取摄像头模块图像信息；
步骤s51、经无线图像传输模块，将读取的摄像头模块图像信息发送到地面站，并在液晶显示模块上进行实时图像显示；
步骤s52、通过对读取的遥控信息进行分析，判断是否需要对飞控系统上的图像信息进行现场保存；
步骤s6、再次检查机器人电池电压，判断是否需要报警模块报警；
步骤s7、读取气压计定高模块、陀螺仪加速度模块信号，并经算法处理得出对应的高度信息和角度信息；
步骤s8、将高度信息和角度信息与无线遥控传输模块发送来的遥控信号相融合，融合成最终机器人需要达到的目标信息；
步骤s9、将最终的目标信息，转化成电机的控制信号pwm信号，将各路pwm信息给定到各自对应的电机驱动模块控制电路中。
一种空中巡检机器人飞控系统，如图2所示，所述机器人的总电路包括单片机最小系统模块10，与所述单片机最小系统模块10相互连接的气压计定高模块20、无线遥控传输模块30、液晶显示模块60以及陀螺仪加速度模块70；所述单片机最小系统模块10还与报警模块40、图像保存模块902以及电机驱动模块50连接。
该空中巡检机器人飞控系统进一步还包括与所述单片机最小系统模块10连接的供电系统80，所述供电系统80还与摄像头模块90连接，所述摄像头模块90分别与图像保存模块902、无线图像传输模块901连接。
具体地，单片机最小系统模块10电路如图3所示，所述单片机最小系统模块10核心处理器采用arm内核的stm32f405系列单片机，带有外部晶振和复位电路，在电源供电方面，为了减少高频干扰，该电路在电源正负两极加上小电容，能有效的处理干扰问题。
气压计定高模块20外围电路如图4所示，图中采用的气压传感器为ms5611，ms5611气压传感器是一款同时带有spi和i2c总线接口的新一代高分辨率气压传感器，本次采用的是i2c通讯协议。分辨率可达到10cm，该项指标可达到国际领先水平。该传感器提供了一个精确的24位数字压力值和温度值以及不同的操作模式，可以提高转换速度并优化电流消耗，高分辨率的温度输出无须额外传感器可实现高度计/温度计功能，具有抗干扰性强，反应灵敏等优点。
陀螺仪加速度模块70外围电路如图5所示，所述陀螺仪加速度模块70采用陀螺仪和加速计集成于一体的mpu9050运动处理器，通过ic或spi总线进行数据统一读取，从而避免了陀螺仪与加速器轴间差的问题。结合陀螺仪和加速计特性，用加速度计测得的角度来补偿陀螺仪的温漂问题，使测得角度更加准确。位置信息经cpu读取处理后，结合公式计算得出需要的x，y，z的角度和角速度。
报警模块40电路如图7所示，本电路采用蜂鸣器报警，用mos管驱动电路。用于当无人机处于危险状态时报警通知操控手，比如当电压很低时，蜂鸣器就会响，电压越低，响声越大。所述报警模块采用蜂鸣器报警，使用mos管驱动电路。
其中，视觉辅助主要由无线图像传输模块901、摄像头模块90以及图像保存模块902组成，无线图像传输模块901电路如图8所示，图像保存模块902电路如图9所示。
供电系统包括电源稳压电路，如图10所示，该电路分两路稳压。第一路电源由电池供电，经稳压芯片lp2985-3.3v稳压输出3.29v(实际测得电压值)给各个电路模块系统芯片供电。第二路电源由电池供电，单独为加速度计、陀螺仪和气压计等传感器芯片供电。本电路在供电问题上，为防止各个芯片电路的干扰，采用了零电阻隔离。
其中，机器人主要分为3大部分：飞行系统、视觉辅助、智能手机终端。
飞行系统分为7小块：3300ma锂电池、无刷电机、飞控电路板、起落架、45cm旋翼臂、10寸螺旋桨。
视觉辅助：摄像头实时采集机器人当前的视觉信息，经5.8g无线图像传输到地面站监控台，操作手依托图像信息完成空中机器人的巡检任务。
智能手机终端：利用网上的开源app，经信号转换后，无线传输到飞控系统。操控者可在该界面对机器人进行任务设置，结合百度地图，操控者还可以对机器人的飞行轨迹进行预先设置。
具体地，以下为机器人飞控系统的仿真
1.simulink搭建的机器人定点飞行模型
机器人定点飞行模型如图11所示，由目标期望模块(desiredend-states)、控制滑动模型(controlslidingmodel)、动力学模型(mathematicmodel)和输出模块(display)组成。
在标期望模块中对三维空间位置增量(xd,yd,zd)和偏航增量yawd进行设定，在模型中对初始状态x0进行设定。由目标期望模块给出xd、yd、zd和yawd到滑动模型，滑动模型将该信息与反馈环的机器人位置姿态信息相融合，经滑模控制算法得出上下控制量u1、前后控制量u2、左右控制量u3和偏航旋转控制量u4，四个控制量经动力学模型后将输入量u给到输出模块中，将机器人的12个位置姿态信息作为系统的反馈。
控制滑动模型(slidingmodel)是这个控制系统的核心部分，在该模型中分别对三维空间x平面、y平面、z平面和偏航旋转平面yaw建立滑模面，后导出控制量u0。
(1)对x轴建立滑模面，其matlab部分程序如下(y,z,yaw建立滑面与x轴类似，这里不做说明)：
％由三次反步法先得到角速度误差变量，再定义y轴滑动面s
s＝(c9+c11+c9*c10*c11)*(xx-xd)+(2+c9*c10+c9*c11+c10*c11)*dxx+
(c9+c10+c11)*cos(yaw)*sin(roll)*u1/m-dyaw*sin(yaw)*sin(roll)*
u1/m+drollcos(yaw)*cos(roll)*u1/m-(2+c9*c10+c9*c11+c10*c11)*
dxxd-(c9+c10)*ddxxd；
fai＝0.20；％采用饱和函数代替信号函数，从根本上避免或消除抖振
％由滑模面导出前后控制量u3
summ＝-epc*sats-k*s-(c9+c11+c9*c10*c11)*dxx-(2+c9*c10+c9*c11+
c10*c11)*cos(yaw)*sin(roll)*u1/m+(c9+c10+c11)*dyaw*sin(yaw)*
sin(roll)*u1/m-(c9+c10+c11)*droll*cos(yaw)*cos(roll)*u1/m+dyaw^2*
cos(yaw)*
sin(roll)*u1/m+2*dyaw*droll*sin(yaw)*cos(roll)*u1/m+droll^2*
cos(yaw)*
sin(roll)*u1/m+(2+c9*c10+c9*c11+c10*c11)*ddxxd+(c9+c10)*
dddxxd；
divv＝summ/(cos(yaw)*cos(roll)*u1/m)；
u3＝(divv-(jz-jx)/jy*dpitch*dyaw)*jy/l；
2.空中定点仿真
在动力学模型(mathematicmodel)中将机器人的初始位置姿态设置为x0＝[pi/6pi/6pi/6pi/6pi/6pi/6010-101]，在目标期望模块(desiredend-states)中将机器人的三维空间位置增量设置为zd＝5，yd＝4，xd＝3和偏航角度增量设置为yawd＝0。设置完成后在matlab环境中对机器人模型进行画图仿真，如图12所示为机器人在10s中内的三维位置变化情况，如图13所示为机器人在10s中内的机体姿态情况。
二、机器人的源码简介及现场测试
1.机器人源码
本次作品以stm32f405单片机作为机器人核心处理器。处理器启动开始程序后，进入主函数，代码如下(左边为代码注释)：
主函数运行到while(1)循环语句后，机器人进入最主要的执行代码——滴答定时器，其控制周期为1ms，代码如下(左边为注释)：
本发明将智能手机作为机器人的操作平台，使其操作简单、功能丰富；应用摄像头作为机器人的视觉辅助，将智能手机与空中机器人飞控系统进行信息融合，使其能够在不依赖于传统遥控器情况下，可对机器人设置具体任务，通过视觉辅助进行目标物的巡检，实时地通过无线图像传输模块将机载摄像头中的视频图像发送到地面站，操作手从地面站接收视频信息，根据巡检任务需求和环境需求选择适当的巡检模式，对于室外或路面不平坦时巡检采用飞行巡检，视野广阔且搜索快速；当需要进行接近目标时进行定位，精度高且安全节能。
以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和变动，这些改进和变动也视为本发明的保护范围。