一种基于嵌入式CPS的超声波实时避障防撞无人机装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种基于嵌入式CPS的超声波实时避障防撞无人机装置，属于无人机技术领域。本发明专利技术包括电源模块、控制模块、电机驱动模块、无线通信模块、姿态测量模块、防撞结构、超声波测距模块、外围辅助设备接口模块；其中电源模块分别与控制模块、电机驱动模块相连接，控制模块分别与电源模块、电机驱动模块、无线通信模块、姿态测量模块、防撞结构、超声波测距模块、外围辅助设备接口模块相连接。本发明专利技术解决了现有市场上无人机无法实现自主飞行的障碍物自动躲避问题，进一步提高了无人机本身自带的机动性、便携性、可操作性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种基于嵌入式CPS的超声波实时避障防撞无人机装置，属于无人机

技术介绍
四旋翼无人机是一种智能机器人。在动力来源和姿态控制两方面，四旋翼飞行器以电机带动旋翼作为驱动力来源，其空气动力学原理与传统固定翼飞行器及基于桨距控制的直升机系统有很大区别——得益于近几十年来，在纳米技术低雷诺数空气动力学和MEMS技术方面研究的深入、科技的发展和应用的普及，四轴飞行器采用多种微传感器、微处理器以及众多子系统（导航、通信、动力和飞行控制等）构成的高集成系统，飞行器结构极为简化，重量大幅减轻，而制造及装配也十分容易。除此以外，飞行器拥有垂直起降能力，不需要配置反扭矩桨，通过结构对称的旋翼产生的反扭矩即可使飞行器平衡。通过搭载的功能传感器，它能够轻松驾驭例如对障碍物的识别、避让、围绕等在此之前其他类型飞行器难以完成的任务。飞行特性方面四轴飞行器体现出了强大优势和潜力，因而在军事领域和民用领域都显示出了极高的研究和应用价值。该专利技术由国家自然科学基金项目（61562051）、云南省应用基础研究计划重点项目（2014FA029）资助研究，主要在于探索CPS等实时嵌入式控制系统时序建模方法在四旋翼无人机超声波实时避障防撞上的应用与推广，解决超声波实时避障防撞无人机装置欠驱动控制与连续时间行为的关联转换难题，为超声波实时避障防撞无人机装置计算进程逻辑时间与物理进程物理时间的一致性提供理论依据。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是：本专利技术提供一种基于嵌入式CPS的超声波实时避障防撞无人机装置，首先，电机的驱动电路采用三相六臂全桥电路，控制电路的管理控制芯片采用单片机STM32实现，以充分发挥其高性能、资源丰富的特点，因而外围电路结构简单，实现电机的启动和稳定运行，大大提高四旋翼无人机无刷直流电机的调速和控制性能，解决了现有电路结构复杂成本高，缺乏经济性等不足；其次通过超声波测距模块，实时监测无人机与障碍物的距离，实现无人机自在主飞行时的自动避障功能，解决了现有市场上无人机无法实现自主飞行的障碍物自动躲避问题，进一步提高了无人机本身自带的机动性、便携性、可操作性，能够更好的实现、完成、解决现有无人机应用领域的各种实际问题。本专利技术技术方案是：一种基于嵌入式CPS的超声波实时避障防撞无人机装置，包括电源模块1、控制模块2、电机驱动模块3、无线通信模块4、姿态测量模块5、防撞结构6、超声波测距模块7、外围辅助设备接口模块8；其中电源模块1分别与控制模块2、电机驱动模块3相连接，控制模块2分别与电源模块1、电机驱动模块3、无线通信模块4、姿态测量模块5、防撞结构6、超声波测距模块7、外围辅助设备接口模块8相连接。所述电源模块1包括3S聚合物锂离子电池（自带电池消除电路BEC,BatteryEliminatingCircuit）、5V-3.3V转换电路、分流板；其中，3S聚合物锂离子电池分别与5V-3.3V转换电路、分流板相连，5V-3.3V转换电路与控制模块2中单片机模块相连，为其提供工作电源，分流板直接与电机驱动模块3相连，为电机工作提供电源。所述5V-3.3V转换电路包括线性电源稳压芯片AMS1117、电容C1、C2、C3、C4；其中由3S聚合物锂离子电池通过自带BEC直流输出5V电压与线性电源稳压芯片AMS1117的+VIN引脚，电容C1的一端与线性电源稳压芯片AMS1117的+VIN引脚相连；电容C1的另一端直接接入大地GND；电容C2的一端与线性电源稳压芯片AMS1117的+VIN引脚相连，电容C2的另一端直接接入大地GND；线性电源稳压芯片AMS1117的GND引脚直接接入大地GND；电容C3的一端与线性电源稳压芯片AMS1117的OUT引脚相连，电容C3的另一端直接接入大地GND；电容C4的一端与线性电源稳压芯片AMS1117的OUT引脚相连，电容C4的另一端直接接入大地GND；线性电源稳压芯片AMS1117的OUT引脚直接作为3.3V电压的正极VCC。所述控制模块2包括放大电路12、升压电路13、驱动控制电路、滤波电路15、5V-3.3V转换电路、单片机模块；其中，单片机模块分别与放大电路12、升压电路13、驱动控制电路、滤波电路15、5V-3.3V转换电路相连。所述放大电路12包括74HC04放大器Q7、Q9、Q10、Q11、Q12、上拉电阻R13、R14；其中，74HC04放大器Q7的输入端与74HC04放大器Q11的输入端并联，并作为放大电路12的输入端，且与单片机模块中单片机的P1.0方波脉冲信号输出端口相连接，74HC04放大器Q7的输出端与74HC04放大器Q9的输入端相连接，74HC04放大器Q9的输出端与上拉电阻R13的一端相连接，上拉电阻的R13的另一端与电源VCC相连接，74HC04放大器Q10的输入端与74HC04放大器Q9的输入端相连接，74HC04放大器Q10的输出端与超声波发射器19的一端相连接，74HC04放大器Q11的另一端与超声波发射器19相连接，74HC04放大器Q12的输入端与74HC04放大器Q11的输入端相连接，74HC04放大器Q12的另一端与上拉电阻R14的一端、超声波发射器19相连接，上拉电阻R14的另一端与电源VCC相连接，电源VCC为3.3V电压源。所述升压电路13包括电感L1、VNPN型三极管Q8、二极管B1、电容C5；其中，电感L1的一端作为升压电路13的输入端与滤波电路15的输出端相连接，电感L1的另一端与VNPN型三极管Q8的基极相连接；VNPN型三极管Q8的发射极与二极管B1的阳极相连接，VNPN型三极管Q8的集电极直接接入大地GND；二极管B1的阴极与电容C5的一端相连接，并且作为升压电路13的输出端与控制模块2中的单片机模块相连接；电容C5的另一端直接接入大地GND。所述驱动控制电路包括定值电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10、R11、R12，PNP型晶体管T1、T2、T3，NPN型三极管Q1、Q2、Q3，PNP型三极管Q4、Q5、Q6；其中定值电阻R1的一端为驱动控制电路A的A1端，另一端接入PNP型晶体管T1的基极，PNP型晶体管T1的集电极通过定值电阻R2与NPN型三极管Q1的并联电路连接至电源模块1的稳压直流电源VCC，PNP型晶体管T1的发射极直接入大地GND，定值电阻R3的一端为驱动控制电路A的B1端，另一端与定值电阻R4和PNP型三极管Q4的并联电路串联，PNP型三极管Q4的集电极与NPN型三极管Q1的发射极相连接，PNP型三极管Q4的发射极直接接入大地GND；定值电阻R5的一端为驱动控制电路B的A2端，另一端接入PNP型晶体管T2的基极，PNP型晶体管T2的集电极通过定值电阻R6与NPN型三极管Q2的并联电路连接至电源模块1的稳压直流电源VCC，PNP型晶体管T2的发射极直接入大地GND，定值电阻R7的一端为驱动控制电路B的B2端，另一端与定值电阻R8和PNP型三极管Q5的并联电路串联，PNP型三极管Q5的集电极与NPN型三极管Q2的发射极相连接，PNP型三极管Q5的发射极直接接入大地GND；定值电阻R9的一端为驱动控制电路C的A3端，另一端接入PNP型晶体管T3的基极，PNP型晶本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于嵌入式CPS的超声波实时避障防撞无人机装置，其特征在于：包括电源模块（1）、控制模块（2）、电机驱动模块（3）、无线通信模块（4）、姿态测量模块（5）、防撞结构（6）、超声波测距模块（7）、外围辅助设备接口模块（8）；其中电源模块（1）分别与控制模块（2）、电机驱动模块（3）相连接，控制模块（2）分别与电源模块（1）、电机驱动模块（3）、无线通信模块（4）、姿态测量模块（5）、防撞结构（6）、超声波测距模块（7）、外围辅助设备接口模块（8）相连接。

【技术特征摘要】
1.一种基于嵌入式CPS的超声波实时避障防撞无人机装置，其特征在于：包括电源模块（1）、控制模块（2）、电机驱动模块（3）、无线通信模块（4）、姿态测量模块（5）、防撞结构（6）、超声波测距模块（7）、外围辅助设备接口模块（8）；其中电源模块（1）分别与控制模块（2）、电机驱动模块（3）相连接，控制模块（2）分别与电源模块（1）、电机驱动模块（3）、无线通信模块（4）、姿态测量模块（5）、防撞结构（6）、超声波测距模块（7）、外围辅助设备接口模块（8）相连接。2.根据权利要求1所述的基于嵌入式CPS的超声波实时避障防撞无人机装置，其特征在于：所述电源模块（1）包括3S聚合物锂离子电池、5V-3.3V转换电路、分流板；其中，3S聚合物锂离子电池分别与5V-3.3V转换电路、分流板相连，5V-3.3V转换电路与控制模块（2）中单片机模块相连，分流板直接与电机驱动模块（3）相连。3.根据权利要求2所述的基于嵌入式CPS的超声波实时避障防撞无人机装置，其特征在于：所述5V-3.3V转换电路包括线性电源稳压芯片AMS1117、电容C1、C2、C3、C4；其中由3S聚合物锂离子电池通过自带BEC直流输出5V电压与线性电源稳压芯片AMS1117的+VIN引脚，电容C1的一端与线性电源稳压芯片AMS1117的+VIN引脚相连；电容C1的另一端直接接入大地GND；电容C2的一端与线性电源稳压芯片AMS1117的+VIN引脚相连，电容C2的另一端直接接入大地GND；线性电源稳压芯片AMS1117的GND引脚直接接入大地GND；电容C3的一端与线性电源稳压芯片AMS1117的OUT引脚相连，电容C3的另一端直接接入大地GND；电容C4的一端与线性电源稳压芯片AMS1117的OUT引脚相连，电容C4的另一端直接接入大地GND；线性电源稳压芯片AMS1117的OUT引脚直接作为3.3V电压的正极VCC。4.根据权利要求1所述的基于嵌入式CPS的超声波实时避障防撞无人机装置，其特征在于：所述控制模块（2）包括放大电路（12）、升压电路（13）、驱动控制电路、滤波电路（15）、5V-3.3V转换电路、单片机模块；其中，单片机模块分别与放大电路（12）、升压电路（13）、驱动控制电路、滤波电路（15）、5V-3.3V转换电路相连。5.根据权利要求4所述的基于嵌入式CPS的超声波实时避障防撞无人机装置，其特征在于：所述放大电路（12）包括74HC04放大器Q7、Q9、Q10、Q11、Q12、上拉电阻R13、R14；其中，74HC04放大器Q7的输入端与74HC04放大器Q11的输入端并联，并作为放大电路（12）的输入端，且与单片机模块中单片机的P1.0方波脉冲信号输出端口相连接，74HC04放大器Q7的输出端与74HC04放大器Q9的输入端相连接，74HC04放大器Q9的输出端与上拉电阻R13的一端相连接，上拉电阻的R13的另一端与电源VCC相连接，74HC04放大器Q10的输入端与74HC04放大器Q9的输入端相连接，74HC04放大器Q10的输出端与超声波发射器（19）的一端相连接，74HC04放大器Q11的另一端与超声波发射器（19）相连接，74HC04放大器Q12的输入端与74HC04放大器Q11的输入端相连接，74HC04放大器Q12的另一端与上拉电阻R14的一端、超声波发射器（19）相连接，上拉电阻R14的另一端与电源VCC相连接，电源VCC为3.3V电压源。6.根据权利要求4所述的基于嵌入式CPS的超声波实时避障防撞无人机装置，其特征在于：所述升压电路（13）包括电感L1、VNPN型三极管Q8、二极管B1、电容C5；其中，电感L1的一端作为升压电路（13）的输入端与滤波电路（15）的输出端相连接，电感L1的另一端与VNPN型三极管Q8的基极相连接；VNPN型三极管Q8的发射极与二极管B1的阳极相连接，VNPN型三极管Q8的集电极直接接入大地GND；二极管B1的阴极与电容C5的一端相连接，并且作为升压电路（13）的输出端与控制模块（2）中的单片机模块相连接；电容C5的另一端直接接入大地GND。7.根据权利要求4所述的基于嵌入式CPS的超声波实时避障防撞无人机装置，其特征在于：所述驱动控制电路包括定值电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10、R11、R12，PNP型晶体管T1、T2、T3，NPN型三极管Q1、Q2、Q3，PNP型三极管Q4、Q5、Q6；其中定值电阻R1的一端为驱动控制电路A的A1端，另一端接入PNP型晶体管T1的基极，PNP型晶体管T1的集电极通过定值电阻R2与NPN型三极管Q1的并联电路连接至电源模块（1）的稳压直流电源VCC，PNP型晶体管T1的发射极直接入...

【专利技术属性】
技术研发人员：张晶，马晨，范洪博，王旭，郭立，吴晟，李英娜，王斯韬，容会，
申请(专利权)人：昆明理工大学，
类型：发明
国别省市：云南;53