一种结构紧凑的复杂场景全自主导航微型无人机

1.本发明涉及无人机技术领域，具体涉及一种结构紧凑的复杂场景全自主导航微型无人机。


背景技术：

2.对于一些复杂、密集场景，如屋舍倒塌或有倒塌风险的救灾现场、存在烟尘、高温与爆炸风险的消防现场、原始森林等场景，需要无人机有足够高的自主性和小型化、从而有足够强的通行能力。如此复杂环境下，传统遥控方式是难以部署的：一是遥控飞行需要操作手与飞行器一一对应，对于时间就是生命救灾现场的救灾现场，这样的操作方式限制了集群的使用，因为会占用大量操作手人力，即大量消防兵力；二是在如此密集场景的控制需要相当高水平的操作，难以大规模招收与培养合格的操作手。一和二要求飞行器具备自主导航，然而实现自主的导航与避障需要相当的传感器和运算资源，从而传统解决方案均无法将飞行器尺寸缩小，比如大疆和skydio推出的机型中具备自主导航能力的设备其飞行中的翼尖到翼尖距离都大于约50厘米，算上控制和感知的误差，其允许通过的最小间隔通常都在一米以上，这大大限制了其在复杂环境下的应用能力。除此以外，以上无人机也缺乏集群所需的硬件设计。


技术实现要素：

3.针对现有技术的不足，本实用新型旨在提供一种结构紧凑的复杂场景全自主导航微型无人机。
4.为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
5.一种结构紧凑的复杂场景全自主导航微型无人机，包括结构框架、飞行控制板、相机、机载微型计算机、测距定位模块、电池、电调模块、电机螺旋桨和分电系统；飞行控制板、相机、机载微型计算机、测距定位模块、电池、电调模块、电机螺旋桨和分电系统均安装在结构框架上；所述飞行控制板、相机、测距定位模块均与所述机载微型计算机通讯连接，所述飞行控制板通讯连接于所述电调模块；所述电池与所述分电系统电连接，所述分电系统分别与所述机载微型计算机和电调模块电连接，所述机载微型计算机为相机、测距定位模块、飞行控制板供电，所述电调模块为所述电机螺旋桨供电；
6.所述相机、机载微型计算机设置在所述结构框架内的最上层，所述相机的拍摄方向朝向结构框架的前方；
7.所述电池、飞行控制板、电调模块和分电系统设置在所述结构框架的中层；所述电池位于中部位置，所述飞行控制板、电调模块分别位于所述电池的两侧；所述分电系统采用立式安装，其位于所述电池和电调模块之间并且紧贴电池；
8.所述结构框架的最下层安装所述电机螺旋桨；
9.所述测距定位模块向上竖直安装于结构框架的一侧。
10.进一步地，所述机载微型计算机分为三层，中间层为核心处理器，最上层为紧贴于
核心处理器的散热风扇，最下层为处理器载板，处理器载板为核心处理器和散热风扇供电并提供安装支撑；所述核心处理器与处理器载板通信连接，处理器载板为核心处理器引出接口；处理器载板可插接wifi模块。
11.进一步地，所述飞行控制板的顶部通过减震海绵粘贴于结构框架。
12.进一步地，所述分电系统用于通过电阻分压电路获取按设定比例降压后的电池电压连接入飞行控制板，供飞行控制板监控电池电压，并用于使用二极管选择电路同时接收电池供电和外部插头供电，并在两者中导通电压较高的一个给机载微型计算机。
13.进一步地，所述分电系统中安装有滤波电路，所述滤波电路用于滤除电机螺旋桨运转时产生的电路纹波。
14.进一步地，所述电调模块一侧的电源口与分电系统直接焊接固连，另一侧通过减震垫安装于结构框架上。
15.进一步地，所述无人机还包括有航模遥控器接收机，其与所述机载微型计算机通讯连接。
16.本实用新型的有益效果在于：本实用新型可以有效提高无人机的结构紧凑性，减小无人机的体积，从而有助于提高无人机在复杂环境下的应用能力。
附图说明
17.图1为本实用新型实施例的无人机简化结构示意图；
18.图2为本实用新型实施例的机载微型计算机的结构示意图。
具体实施方式
19.以下将结合附图对本实用新型作进一步的描述，需要说明的是，本实施例以本技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围并不限于本实施例。
20.本实施例提供一种结构紧凑的复杂场景全自主导航微型无人机，如图1－2所示，包括结构框架1、飞行控制板5、相机2、机载微型计算机3、测距定位模块11、电池4、电调模块6、电机螺旋桨8和分电系统7；飞行控制板5、相机2、机载微型计算机3、测距定位模块11、电池4、电调模块6、电机螺旋桨8和分电系统7均安装在结构框架1上；所述飞行控制板5、相机2、测距定位模块11均与所述机载微型计算机3通讯连接，所述飞行控制板5通讯连接于所述电调模块6；所述电池4与所述分电系统7电连接，所述分电系统7分别与所述机载微型计算机3和电调模块6电连接，所述机载微型计算机 3为相机2、测距定位模块11、飞行控制板5供电，所述电调模块6 为所述电机螺旋桨8供电。
21.其中，所述相机2、机载微型计算机3设置在所述结构框架1内的最上层，所述相机2的拍摄方向朝向结构框架1的前方；
22.所述电池4、飞行控制板5、电调模块6和分电系统7设置在所述结构框架1的中层；所述电池4位于中部位置，所述飞行控制板5、电调模块6分别位于所述电池4的两侧；所述分电系统7采用立式安装，其位于所述电池4和电调模块6之间并且紧贴电池4。
23.所述结构框架1的最下层安装所述电机螺旋桨8。采用电机螺旋桨下置设计，可以最大化利用水平空间，使飞行器整体更趋向于正方形为非传统的盘型。
24.所述测距定位模块11向上竖直安装于结构框架1的一侧。
25.上述无人机的空间设计在保持足够的空气动力学性能的前提下，尽可能减小了飞行器体积，有助于无人机的小型化和轻量化。
26.需要说明的是，将相机安装于结构框架最上层，可以使得其在起飞之前也能尽可能远离地面，且画面中不会出现螺旋桨干扰。除此以外，虽然多旋翼无人机可以在空间内任意平移和旋转，但是借鉴穿越机飞手的操作方式，本实施例的无人机在飞行过程中主要为前飞，依靠航向角的改变来调整方向，从而使得仅需一个前向相机即可满足安全避障需求。
27.在本实施例中，所述相机为灰度深度一体化的双目相机。所述灰度深度一体化的双目相机，通过在双目相机设置红外结构光投影器，可以将红外结构光投射出去，增加画面特征，提高深度计算的精度。通过控制红外结构光投影器一帧间隔一帧地开关，在其打开的一帧获得的双目灰度图将会布满不规则分布的白色光点，利用这些白点的分布加上环境中原有的特征信息，可以匹配左右目画面，算得环境中每一个像素的深度，该深度图将用作稠密环境建图。其关闭的那一帧将得到纯净的双目灰度画面，该画面将输入给视觉－惯性里程计，配合惯性测量可以用作无人机实时6自由度(3自由度位置+3自由度旋转) 状态估计。作为优选方案，所述相机采用英特尔开发的d430摄像头模组。
28.优选的，图像帧率设定为60hz或30hz，折半后实际获得的灰度于深度帧率分别为30hz和15hz，满足无人机导航需求。
29.在本实施例中，所述机载微型计算机3分为三层，中间层为核心处理器31，最上层为紧贴于核心处理器31的散热风扇32，最下层为处理器载板33，处理器载板为核心处理器31和散热风扇32供电并提供安装支撑；所述核心处理器31与处理器载板33通信连接，处理器载板为核心处理器引出接口。作为优选方案，核心处理器选用英伟达公司的jetson xavier nx，处理器载板引出usb type－c、usb2.0 口、核心处理器提供的三个串口、至少一个相机csi口、pci－e接口、以太网口等。处理器载板可插接wifi模块。作为优选方案，wifi模块选择m.2接口的aw－cb375nf模块，其支持点对点连接的adhoc模式，从而可以方便实现无人机集群的自组网和高带宽通信。
30.需要说明的是，本实施例将电池置于结构框架的第二层中部，前后方向安装，作为整机密度和重量最大的模块，可以使飞行器重心靠近几何中心，且转动惯量尽可能小。作为优选方案，电池选用插接式的方式安装，提高用户插拔效率。插头采用多引脚设计，从而充电、放电一体化。作为优选方案，选用高能量密度的18650尺寸电池，品牌为索尼公司的vtc6。
31.在本实施例中，飞行控制板5安装于结构框架1的一侧，和电池 4位于同一层。所述飞行控制板5的顶部通过减震海绵9粘贴于结构框架1。飞行控制板5用于实现无人机的姿态控制或角速度控制功能，以及向机载微型计算机发送惯性测量数据。需要注意的是，飞行控制板上安装的惯性传感器(imu)是整机唯一的该类传感器，其同时用于底层姿态控制和上层飞行器状态估计，这一复用设计减少了传感器冗余，尽最大可能利用了飞控的精密减震设计。另外，所述飞行控制板还用于电池的电压监测。飞行控制板的供电由处理器载板提供。
32.本实施例中，所述电池4的另一侧紧贴着安装有分电系统7，所述分电系统7用于通过电阻分压电路获取按设定比例降压后的电池电压连接入飞行控制板，供飞行控制板监控
电池电压，并用于使用二极管选择电路同时接收电池供电和外部插头供电，并在两者中导通电压较高的一个给处理器载板(该设计实现了不断电的电池更换以及通过外部插接电源提供电源，方便用户长时间调试而无需担心电池耗尽而导致的突然关机)。在本实施例中，所述分电系统中安装有大电容的滤波电路，所述滤波电路用于滤除电机螺旋桨运转时产生的电路纹波，提高供电稳定性。在本实施例中，所述分电系统直连电池与电调模块，缩短了大电流通路的导线长度，减少导线电阻和重量。
33.在本实施例中，电池4的另一侧水平安装有电调模块，其一侧的电源口与分电系统直接焊接固连，另一侧通过减震垫10安装于结构框架1上，使其在机体受到猛烈冲击而产生形变时冲击力可被减震垫吸收而不至于焊点开裂脱落。
34.需要说明的是，测距定位模块天线向上竖直安装于结构框架的一侧，减小无人机偏航运动时天线的方向性带来的测距误差。优选地，该模块可选用基于tof测距原理的uwb模块或基于信号强度rssi强度测距的普通通信模块的附带功能。该模块可用于有地面固定基站情况下的无人机单机空间绝对定位，也可以用于多机场景下的无人机集群相互定位修正。
35.在本实施例中，所述无人机还包括有小型的普通航模遥控器接收机，其与所述机载微型计算机通讯连接。该接收机用作紧急情况下的控制权切换。
36.对于本领域的技术人员来说，可以根据以上的技术方案和构思，给出各种相应的改变和变形，而所有的这些改变和变形，都应该包括在本实用新型权利要求的保护范围之内。