CN108706101B - 一种具有辅助远程救援功能的专用智能无人机 - Google Patents

Abstract

公开了一种多功能无人机，无人机包括支撑和机架系统、动力系统、控制系统、传感系统、视觉定位系统、云台系统、遥控系统、虚拟显示系统，其中，飞行控制系统包括系统控制器、子控制器、无线交换机、电源、调控电路、存储器、冷却器，本发明解决了无人飞行机控制的难题，正是通过系统控制器、子控制器、无线交换机的设计，使得无人机飞行的稳定性和采集图像的质量大幅度提升，也保证了更好的通信质量。

Description

一种具有辅助远程救援功能的专用智能无人机

技术领域

本发明涉及无人机领域，更具体地讲，涉及一种具有辅助远程救援功能的专用智能无人机。

背景技术

无人驾驶飞机简称“无人机”，英文缩写为“UAV”，是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机，或者由计算机完全地或间歇地自主地操作。由于采用了技术先进的飞控平台及前后台视频监控传输系统，配合完善的飞行及地勤保障系统，无人机可对地面实施完备的长时间空中监控，在制定应急预案、建立快速响应机制、现场火情存档与取证等方面充分发挥技术防范手段的重要作用。

当重大事故等紧急状况发生时，人力搜救的效率是远远不够的，甚至很多情况医生无法进入现场就行救治，那么配备了相关装置的无人机或将成为急救医生以及救援团队的必备法宝。无人机兼具地面移动终端和现场指挥平台的功能，可以通过网络将无人机采集的视频信息传输至终端，辅助医生进行指挥调度作业，通过高清视图传终端，可远程查看无人机航拍受伤人员的情况，同时可以指挥在场人员进行紧急救治。

虽然目前无人机前景广泛并且相关设备众多，然而这些设备的控制精度相对欠缺，通用性能差，控制系统复杂、成本过高。因此，针对这一现状，迫切需要开发一种多功能的医疗专用无人机，以满足实际使用的需要。

发明内容

因此，针对现有技术上存在的不足，提供本发明的示例以基本上解决由于相关领域的限制和缺点而导致的一个或更多个问题，安全性和可靠性大幅度提高，有效的起到保护设备的作用。

按照本发明提供的技术方案，无人机包括支撑和机架系统、动力系统、控制系统、传感系统、视觉定位系统、云台系统、遥控系统、虚拟显示系统，支撑和机架系统包括中心板体、力臂、脚架，动力系统包括无刷直流电机、电子调速器、电调连接板、桨叶5、锂电池，控制系统包括飞行控制系统和动力控制系统，传感系统包括多组传感模块，飞行控制系统包括系统控制器、子控制器、无线交换机、电源、调控电路、存储器、冷却器；其中，系统控制器用于用户和传感系统、视觉定位系统之间的交互，通过以太网串口控制子控制器，运行用户apps和GUI 工具，通过无线网络与用户终端通讯；子控制器与无线交换机相连，执行控制程序，在传感时，子控制器同步各个传感模块，子控制器数量最少1个最多8个；无线交换机加载Socket文件从而进行交换机的配置，无线交换机与传感系统相连并与各组传感模块进行通讯，子控制器连接无线交换机上每个9:16 mux的输入，允许访问32个传感模块，如果无线交换机有两个，可允许8个子控制器访问64个传感模块。

进一步的，调控电路上设有同步发生器和同步信号切换板，同步发生器通过同步信号切换板生成参考时钟来计算并且产生最小公倍数信号，然后数字最小公倍数时钟发送到各个传感模块作为数字同步，每个子控制器需要一个同步发生器。

进一步的，所述的电源和调控电路之间设有反接保护电路，所述的反接保护电路上串联1 只或4只二极管组成全桥，和/或串联自恢复保险，在保险后面的电源正、负极反向并联 1 只二极管。

进一步的，力臂2的中间位置上设有卡扣，桨叶可沿着圆形中心板收拢折叠至卡扣内，脚架与中心板体之间连接有桁架转动组件，桁架转动组件与脚架之间通过挂钩连接有张紧弹簧，当把弹簧的挂钩拿下后，脚架会随桁架转动组件折叠至中心板下表面。

进一步的，所述的力臂的上部和中部分别设有一个卡箍；所述的桁架转动组件包括与中心板体下表面固定的载体，该载体呈中空槽体形式；该载体的前部两侧分别设有两个可转动的杆件，在这两个杆件之间转动设有门式连接体，该门式连接体与力臂的上部的卡箍转动连接，该门式连接体的横担上设有卡扣，所述的张紧弹簧的一端与该卡扣连接，另一端与力臂的下部的卡箍连接；该载体的后部两侧分别设有两个固定的杆件，所述的力臂的顶部通过转动销轴与这两个杆件转动连接。

进一步的，传感模块包括IMU传感模块、温度传感模块、气压传感模块、高度传感模块、光流传感模块、载重传感器、超声波和/或激光测距传感模块、旋转编码传感模块、生命探测传感模块、语音识别和输入输出模块等。

进一步的，视觉定位系统包括防抖相机，该相机用于采集加工品的高清图像，图像数字化处理后，生成的定位数据由串口传给系统控制器，通过系统控制器的传输进而实现定位控制。

进一步的，云台系统包括两轴增稳云台，其中，云台水平和垂直方向是由两个不同的电机驱动，两轴增稳云台上方设有与中心板体机械连接的连接板组。

进一步的，存储器用于存储传感系统和视觉定位系统传输的数据，存储器由EEPROM和TF卡两部分组成，冷却器用于对飞行控制系统降温。

进一步的，虚拟显示系统包括头戴式显示器，头戴式显示器设有角度传感器，角度传感器由陀螺仪，加速度计和地磁计部分组成，用来测量头部的姿态和角度追踪。

进一步的，遥控系统包括遥控手柄和/或智能手机。

进一步的，无人机外壳为碳纤维复合材料。

进一步的，脚架上套设有缓冲圈。

进一步的，无人机的电路板分为核心板和扩展板两部分，核心板与扩展板之问采用插针式连接。

本发明解决了无人飞行机控制的难题，无人机飞控系统可以简单的分为三层：硬件层、驱动层、应用层。硬件层是飞控系统中各个模块实物，是软件系统的载体；应用层包括各种算法的实现和任务控制等，是整个飞控系统的大脑；驱动层是连接硬件层和应用层的桥梁，各个硬件模块正常工作依赖于驱动程序的正确设计，本发明正是从这三个角度入手，使得飞行控制系统包括系统控制器、子控制器、无线交换机的设计，使得无人机飞行的稳定性和采集图像的质量大幅度提升，也保证了更好的通信质量。

附图说明

图1为本发明的机构主示意图。

图2为本发明的机构俯示意图。

图3为本发明的机构侧示意图。

图4为本发明的机构仰示意图。

图5为本发明的力臂折叠结构示意图。

图6为本发明的云台结构示意图。

图7为本发明的飞行控制系统示意图。

图8为本发明的只有一个子控制器工作示意图。

图9为本发明的同时有八个子控制器工作示意图。

图10为本发明的系统同步工作示意图。

图11为本发明的电源保护电路示意图。

图12为本发明的遥控工作示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

以下将结合附图所示的具体实施方式对本发明进行详细描述。但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。

无人机包括支撑和机架系统、动力系统、控制系统、传感系统、视觉定位系统、云台系统、遥控系统、虚拟显示系统。

支撑和机架系统包括中心板体1、力臂2、脚架3，动力系统包括无刷直流电机4、电子调速器、电调连接板、桨叶5、锂电池。具体的来讲，动力控制系统对动力系统的各个部件进行控制，一般情况下，无人机的电机主要以无刷电机为主，一头固定在机架力臂2的电机座，一头固定螺旋桨叶5，通过旋转产生向下的推力，不同大小、负载的机架，需要配合不同规格、功率的电机，单独的电机并不能工作，需要配合电调，后者用于控制电机的转速，与电机一样，不同负载的动力系统需要配合不同规格的电调，虽然电调用大了没太大影响，但电调大了，自然也重了，效率自然也不会提高。电调连接板，其本质为一块电源配电板，用于简化电池与电调、电调与飞控之间的电气连接，同时可以避免导线拆装时的反复焊接。螺旋桨叶5是直接产生推力的部件，同样是以追求效率为第一目的，匹配的电机、电调和螺旋桨搭配，可以在相同的推力下耗用更少的电量，这样就能延长无人机的续航时间。螺旋桨叶5均匀分布在中心板体1的周向上，桨叶5处于同一高度平面，且桨叶5的结构和半径都相同，工作时，通过调节电机转速来改变桨叶5转速，实现升力的变化，从而控制飞行器的姿态和位置。无人机的电池主要以锂聚合物电池为主，特点是能量密度大、重量轻、耐电流数值较高等等，这些特性都是较为适合无人机的。手机领域也有部分使用锂聚合物电池，但充、放电能力远远不及无人机的这些电池(单片电芯放电能力理论值超过400安)，而由于这些电池用于无人机的动力系统，所以也会被叫做“动力电池”。

控制系统还包括飞行控制系统，飞行控制系统包括系统控制器A、子控制器B、无线交换机C、电源D、调控电路E、存储器F、冷却器G；其中，系统控制器用于用户和传感系统、视觉定位系统之间的交互，通过以太网串口控制子控制器，运行用户apps和GUI 工具，通过无线网络与用户终端通讯；子控制器与无线交换机相连，执行控制程序，在传感时，子控制器同步各个传感模块，子控制器数量最少1个最多8个；无线交换机加载Socket文件从而进行交换机的配置，无线交换机与传感系统相连并与各组传感模块进行通讯，子控制器连接无线交换机上每个9:16 mux的输入，允许访问32个传感模块，如果无线交换机有两个，可允许8个子控制器访问64个传感模块。而且，调控电路上设有同步发生器和同步信号切换板，同步发生器通过同步信号切换板生成参考时钟来计算并且产生最小公倍数信号，然后数字最小公倍数时钟发送到各个传感模块作为数字同步，每个子控制器需要一个同步发生器。存储器用于存储传感系统和视觉定位系统传输的数据，存储器由EEPROM和TF卡两部分组成，冷却器用于对飞行控制系统降温。这样，控制精度得到大幅度提高，成本也显著下降。

因为整个无人机是可拆卸安装的，也就是说各个部件实际上是模块化设计的，为保护系统在电源反接时整体电路不被烧坏，在电源输入端增加反接保护电路， 具体的，利用二极管的特性，串联1 只二极管或 4 只二极管组成全桥，这种方法实现简单，但二极管导通时有压降，会至少损耗 0.7V 的压降，和/或串联自恢复保险，在保险后面的电源正、负极反向并联1只二极管，优点是输入电压没有损耗，当然为了成本的考量也可把自恢复保险换成普通保险丝。作为优选方案，本发明采用P 型 MOS管用来实现反接保护。

传感系统包括多组传感模块，具体而言，传感模块包括IMU传感模块、温度传感模块、气压传感模块、高度传感模块、光流传感模块、载重传感器、超声波和/或激光测距传感模块、旋转编码传感模块、生命探测传感模块、语音识别和输入输出模块等。

一般而言，无人机的飞行感知技术主要用作两个用途，其一是提供给飞行控制系统，由于飞行控制系统的主要功能是控制飞机达到期望姿态和空间位置，所以这部分的感知技术主要测量飞机运动状态相关的物理量，涉及的模块包括陀螺仪、加速度计、磁罗盘、气压计、GNSS模块以及光流模块等。通过上述传感器及其控制系统的配合，解决了这个方面的用途。这一点对于无人机而言已是公知技术，不再累赘。

另一个用途是提供给无人机的自主导航系统，也就是路径和避障规划系统，所以需要感知周围环境状态，比如障碍物的位置，相关的模块包括测距模块以及物体检测、追踪模块等。因而本发明特采用超声波和/或激光测距传感模块。具体而言，超声波测距是一种非接触测量方法，和视觉测距方法相比，具有不受电磁场及外界光照影响的优点。超声波测距工作时，超声波发射器向环境中发射超声波，并在发射的同时幵始计时，如果超声波在传播的途中遇到障碍物就立刻返回，超声波接收器在收到反射波后就停止计时，根据超声波在空气中传播的速度以及计时器记录下来的时间，就可以计算出传感器与障碍物之间的距离。若已知超声波往返障碍物的时间为t，则传感器距障碍物的距离d可用下面的公式求解出来：其中，，T为环境温度。

激光测距能比超声波测距拥有跟长的距离，激光测距系统包括激光光源发射机、光学接收设备、信息处理系统等部分组成的。激光发射器将电脉冲转变为光脉冲发射，光学接收设备将目标反射来的光波信息转变为电脉冲量，然后经过信息处理系统的处理，转化为对应数据，最后经过网口传输至目标控制器。激光测距系统的激光发射器依次按给定的时间和角度分辨率向前方发射激光脉冲，激光脉冲经过物体的发射，最终回到了接收器中。系统记录了发射时间和接收时间，计算其时间差，由于光速已知，据此可以推断出对应物体的距离信息。结合激光测距系统的扫描角度，可以得到激光测距系统周边设备的极坐标信息值，对应的距离值为：，其中：d为被测点到激光测距系统的距离，v为光速，而t表示激光从发射出去到接收到所经历的时间。

本发明的无人机可以具有折叠功能，能够方便收纳。具体而言，力臂2的中间位置上设有卡扣，桨叶5可沿着圆形中心板收拢折叠至卡扣内，脚架3与中心板体1之间连接有桁架转动组件，桁架转动组件与脚架3之间通过挂钩连接有张紧弹簧，当把弹簧的挂钩拿下后，脚架3会随桁架转动组件折叠至中心板下表面。当力臂2和脚架3折叠好后，可以放入手提箱体内，防止了无人机的损坏，也提高了使用效率。具体的方案为，所述的力臂2的上部和中部分别设有一个卡箍；所述的桁架转动组件包括与中心板体下表面固定的载体6，该载体呈中空槽体形式；该载体的前部两侧分别设有两个可转动的杆件7，在这两个杆件7之间转动设有门式连接体8，该门式连接体8与力臂2的上部的卡箍转动连接，该门式连接体8的横担上设有卡扣，所述的张紧弹簧的一端与该卡扣连接，另一端与力臂的下部的卡箍连接；该载体的后部两侧分别设有两个固定的杆件9，所述的力臂2的顶部通过转动销轴与这两个杆件9转动连接。

本发明的无人机还具有一键返回功能，具体的，当飞行器与遥控器之间超出飞控范围或因信号干扰失去联系时，系统将触发失控保护功能，飞行器通过内嵌的GPS+GLONASS自动导航系统返航到起飞点着陆或降落。

无人机机载相机的成像质量在很大程度上受到无人机飞行姿态变化的制约，要使机载相机的视轴稳定，就必须为相机提供一个具有空间稳定性的惯性平台。稳定云台是机载相机的载体，由于能够隔离无人机姿态的变化以及机体震动、风阻力矩等扰动，因此逐渐成为高精度航空测量系统的重要组成部分。同时，为了使相机视轴能够灵活地在指定的航道角度上切换，稳定云台还可以按照给定指令进行转动。因此，从伺服控制的角度来看，机载相机稳定云台，其实质是视轴稳定与目标跟踪系统。目标跟踪是在视轴稳定的基础之上进行的，控制视轴指向目标位置，高精度的视轴稳定和目标跟踪性能要通过先进的控制算法的精心设计来实现。

因此，为了能够拍摄出清晰准确的画面，视觉定位系统包括防抖相机，该相机用于采集加工品的高清图像，图像数字化处理后，生成的定位数据由串口传给系统控制器，通过系统控制器的传输进而实现定位控制。该相机置于云台系统中，云台系统包括两轴增稳云台，其中，云台水平和垂直方向是由两个不同的电机驱动，两轴增稳云台上方设有与中心板体1机械连接的连接板组。通过增稳云台的作用，空气对流的影响显著下降，整体装置更加稳定。

本发明的无人机还具有虚拟显示系统，虚拟显示系统包括头戴式显示器，头戴式显示器设有角度传感器，角度传感器由陀螺仪，加速度计和地磁计部分组成，用来测量头部的姿态和角度追踪。具体而言，本研究中的无人机在运行过程中，随着操作者操纵无人机的飞行，控制系统会根据无人机飞行数据及其高清摄像相机拍摄到的景象，在头盔式显示器上显示一定视角移动的虚拟环境画面，从而使体验者有身临其境的感觉。在现实中，如果人的头部姿势变化的话，周围的场景相对于正常姿态，其角度要发生相应的变化。利用上安装的角度传感器测量头部的角度变化，把这个动作在虚拟空间中再现出来。可以得到三个旋转角度,分别是摇摆角,俯仰角，左右偏转角，摇摆角是左右扭头的时候的旋转角，左右偏转角是左右转动时候的转动度，俯仰角是向上下看时头部动作运动的旋转度。也就是说角度传感器可以符合模拟器的工作要求,能够测量出头部的摇摆动作角度,从而可以根据这些角度信息改变在虚拟空间中的视点图景。

本发明的无人机遥控系统包括遥控手柄和/或智能手机。本发明的无人机外壳为碳纤维复合材料。具体的，碳纤维与树脂、金属、陶瓷等基体复合，制成的结构材料简称碳纤维复合材料。无人机外形结构及材料是无人机产品设计中的重要环节，为了保证无人机的承载能力和延长续航能力，其外壳结构需刚度大、重量轻，碳纤维复合材料重量轻、比刚度大、强度高，可以一体制作出各种外形结构。碳纤维材料质轻而高强，物理化学性能都非常好。性能方面，和金属相比，铝合金的重量算是低的，根据加入合金元素的不同而不同，密度一般在2.2~2.8g/cm³左右，抗拉强度在300MPa左右，弹性率及刚性较低。碳纤维复合材料的密度只有1.6g/cm³，强度比钢材还要高，且抗震、耐高温、耐低温、热膨胀系数低，和铝合金相比更胜一筹。大多数金属的疲劳极限是其抗拉强度的30%~50%，而碳纤维复合材料的疲劳极限可达到抗拉强度的70%~80%，在使用过程中减少突发性事故，安全性高，寿命长。碳纤维管的成型工艺多样，可以使用缠绕、模压、拉挤以及热压罐成型。和铝合金材料相比，它一体成型方便，可减少零配件的使用，简化结构，减轻重量。

本发明的无人机的电路板分为核心板和扩展板两部分，核心板与扩展板之问采用插针式连接。这种方式有利于电路板的安装、调试和检修，同吋考虑系统的升级，将一些重要的外设接口通过针脚引出。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中的描述的只是说明本发明的原理，在 不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入 要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种无人机，所述的无人机包括支撑和机架系统、动力系统、控制系统、传感系统、视觉定位系统、云台系统、遥控系统、虚拟显示系统，所述的支撑和机架系统包括中心板体、力臂、脚架，所述的动力系统包括无刷直流电机、电子调速器、电调连接板、桨叶、锂电池，所述的控制系统包括飞行控制系统和动力控制系统，所述的传感系统包括多组传感模块，其特征在于，所述的飞行控制系统包括系统控制器、子控制器、无线交换机、电源、调控电路、存储器、冷却器；其中，所述的系统控制器用于用户和传感系统、视觉定位系统之间的交互，通过以太网串口控制子控制器，运行用户apps和GUI 工具，通过无线网络与用户终端通讯；所述的子控制器与所述的无线交换机相连，执行控制程序，在传感时，子控制器同步各个传感模块，所述的子控制器数量最少1个最多8个；所述的无线交换机加载Socket文件从而进行交换机的配置，所述的无线交换机与所述的传感系统相连并与各组传感模块进行通讯，所述的子控制器连接无线交换机上每个9:16 mux的输入，允许访问32个传感模块，如果无线交换机有两个，可允许8个子控制器访问64个传感模块。

2.根据权利要求1所述的一种无人机，其特征在于，所述的调控电路上设有同步发生器和同步信号切换板，所述的同步发生器通过所述的同步信号切换板生成参考时钟来计算并且产生最小公倍数信号，然后数字最小公倍数时钟发送到各个传感模块作为数字同步，每个所述的子控制器需要一个同步发生器。

3.根据权利要求1所述的一种无人机，其特征在于，所述的电源和调控电路之间设有反接保护电路，所述的反接保护电路上串联1 只或4只二极管组成全桥，和/或串联自恢复保险，在保险后面的电源正、负极反向并联 1 只二极管。

4.根据权利要求1所述的一种无人机，其特征在于，所述的力臂的中间位置上设有卡扣，所述的桨叶可沿着圆形中心板收拢折叠至卡扣内，所述的脚架与所述的中心板体之间连接有桁架转动组件，所述的桁架转动组件与所述的脚架之间通过挂钩连接有张紧弹簧，当把弹簧的挂钩拿下后，脚架会随桁架转动组件折叠至中心板下表面。

5.根据权利要求4所述的一种无人机，其特征在于，所述的力臂的上部和中部分别设有一个卡箍；所述的桁架转动组件包括与中心板体下表面固定的载体，该载体呈中空槽体形式；该载体的前部两侧分别设有两个可转动的杆件，在这两个杆件之间转动设有门式连接体，该门式连接体与力臂的上部的卡箍转动连接，该门式连接体的横担上设有卡扣，所述的张紧弹簧的一端与该卡扣连接，另一端与力臂的下部的卡箍连接；该载体的后部两侧分别设有两个固定的杆件，所述的力臂的顶部通过转动销轴与这两个杆件转动连接。

6.根据权利要求1所述的一种无人机，其特征在于，所述的传感模块包括IMU传感模块、温度传感模块、气压传感模块、高度传感模块、光流传感模块、载重传感器、超声波和/或激光测距传感模块、旋转编码传感模块、生命探测传感模块、语音识别和输入输出模块。

7.根据权利要求1所述的一种无人机，其特征在于，所述的视觉定位系统包括防抖相机，该相机用于采集加工品的高清图像，图像数字化处理后，生成的定位数据由串口传给所述的系统控制器，通过所述的系统控制器的传输进而实现定位控制，所述的云台系统包括两轴增稳云台，其中，云台水平和垂直方向是由两个不同的电机驱动，所述的两轴增稳云台上方设有与所述的中心板体机械连接的连接板组。

8.根据权利要求1所述的一种无人机，其特征在于，所述的存储器由EEPROM和TF卡两部分组成，用于存储传感系统和视觉定位系统传输的数据，所述的冷却器用于对飞行控制系统降温。

9.根据权利要求1所述的一种无人机，其特征在于，所述的虚拟显示系统包括头戴式显示器，所述的头戴式显示器设有角度传感器，所述的角度传感器由陀螺仪，加速度计和地磁计部分组成，用来测量头部的姿态和角度追踪。

10.根据权利要求1所述的一种无人机，其特征在于，所述的遥控系统包括遥控手柄和/或智能手机，所述的无人机外壳为碳纤维复合材料，所述的脚架上套设有缓冲圈，所述的无人机的电路板分为核心板和扩展板两部分，核心板与扩展板之问采用插针式连接。