可在无线充电条件下稳定悬停的小型无人机及其控制方法技术

本发明专利技术公开了一种可在无线充电条件下稳定悬停的小型无人机及其控制方法，包括旋翼无人机、光流模块、接收线圈以及AC‑DC整流模块，旋翼无人机带有九轴传感器和电池，接收线圈与AC‑DC整流模块的输入端相连，AC‑DC整流模块的输出端为电池充电；光流模块包括微处理器、摄像头、激光测距芯片以及六轴传感器，摄像头用于采集图像信息；激光测距芯片用于测量光流模块与地面间的距离；六轴传感器用于测量光流模块的姿态；摄像头、激光测距芯片以及六轴传感器均与光流模块的微处理器电连接，光流模块的微处理器与旋翼无人机的微处理器相连。本无人机使用了光流模块与激光测距技术、九轴传感器来保证无人机可以在无线供电、充电条件下稳定悬停。

Small Unmanned Aerial Vehicle with Stable Hovering under Wireless Charging Conditions and Its Control Method

The invention discloses a small UAV which can hover stably under wireless charging condition and its control method, including a rotor UAV, an optical flow module, a receiving coil and an AC_DC rectifier module. The rotor UAV has nine-axis sensors and batteries, and the receiving coil is connected with the input end of the AC_DC rectifier module, and the output end of the AC_DC rectifier module is a battery charging module package. Including microprocessor, camera, laser range finder chip and six-axis sensor, camera is used to collect image information; laser range finder chip is used to measure the distance between optical flow module and ground; six-axis sensor is used to measure the attitude of optical flow module; camera, laser range finder chip and six-axis sensor are electrically connected with microprocessor of optical flow module, and microprocessor of optical flow module. It is connected to the microprocessor of the Rotor UAV. The UAV uses optical flow module, laser ranging technology and nine-axis sensor to ensure that the UAV can hover stably under the condition of wireless power supply and charging.

【技术实现步骤摘要】
可在无线充电条件下稳定悬停的小型无人机及其控制方法
本专利技术涉及无人机
，具体而言涉及一种可在无线充电条件下稳定悬停的小型无人机及其控制方法。
技术介绍
无线输电技术是近年来急速普及开来的一种新兴技术。由于无线输电技术的迅速发展，将无线输电与无人机相结合的研究也在逐渐开展。帝国理工的课题组已可以使小型无人机在仅用充电线圈供电下，距地飞行12厘米。但由于未对无人机进行控制，帝国理工的课题组使用细线限制了无人机的飞行位置；其可以在无线充电线圈上方12cm范围内飞行，但此无人机无法实现较为稳定的悬停。另外，由于无线充电、供电条件下，无人机附近存在快速交替变化的磁场，该磁场可对无人机内部的位置传感器造成影响，从而影响无人机的稳定飞行。
技术实现思路
针对上述不足，本专利技术提供一种可在无线供电条件下稳定悬停的小型无人机及其控制方法，解决了即使无线充电条件下，仍能稳定的定点悬停的问题。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案如下：一种可在无线充电条件下稳定悬停的小型无人机，包括旋翼无人机、固定安装在旋翼无人机上的光流模块、接收线圈以及AC-DC整流模块，所述旋翼无人机带有九轴传感器和电池，接收线圈与AC-DC整流模块的输入端相连，AC-DC整流模块的输出端为电池充电；所述光流模块包括微处理器、摄像头、激光测距芯片以及六轴传感器，摄像头用于采集图像信息；激光测距芯片用于测量光流模块与地面间的距离；六轴传感器用于测量光流模块的姿态；所述摄像头、激光测距芯片以及六轴传感器均与光流模块的微处理器电连接，光流模块的微处理器通过串口与旋翼无人机的微处理器相连。本专利技术的另一目的是提供一种可在无线充电条件下稳定悬停的小型无人机的控制方法，该方法包括如下步骤：(1)微处理器接收摄像头采集的图像信息，对相邻两帧的图像进行光流法处理，得到图像的光流数据，再将光流数据与光流模块的姿态进行滤波融合，融合后使用距离进行补偿，得到光流模块实际输出的光流数据，将光流数据进行积分，得到旋翼无人机的位移数据；(2)当旋翼无人机的微处理器检测到九轴传感器中的磁力计的X轴输出超出设定的范围时，旋翼无人机的微处理器接收旋翼无人机的位移数据，位移数据输入到位置PID控制器，位置PID控制器输出旋翼无人机的姿态设定值给旋翼无人机，实现旋翼无人机的姿态控制；(3)位置PID控制器的输入是步骤(2)中所述的位移数据，输出是角度设定值，即旋翼无人机的姿态设定值；角度设定值与角度测量值一同输入至角度PID控制器，角度PID控制器输出角速度设定值；角速度设定值与角速度测量值作为角速度PID控制器的输入，角速度PID控制器的输出直接控制旋翼无人机各电机的转速，进而控制旋翼无人机的姿态；(4)旋翼无人机的角速度测量值由旋翼无人机中的九轴传感器中的三轴陀螺仪进行测量，旋翼无人机的瞬时角度测量值由旋翼无人机中的九轴传感器中的三轴加速度计与上述三轴陀螺仪测得的瞬时角速度经互补滤波融合后得到；(5)上述由位置PID控制器、角度PID控制器、角速度PID控制器所构成的旋翼无人机位置控制回路可实现无人机稳定悬停的目的。进一步的，所述光流法为L-K光流法、块匹配光流法、或稀疏光流法。进一步的，所述将光流数据与光流模块的姿态进行滤波融合，具体如下：Outx为x轴滤波融合后的数据，pixx为原始的x轴光流数据，gyro为六轴传感器的陀螺仪测得的x轴的角速度数据，K为大于gyro的常数；同理，可得Outy为y轴滤波融合后的数据。进一步的，当旋翼无人机的微处理器接收光流数据前，需对光流数据进行补偿，补偿方法如下：(1)在旋翼无人机上放置标记点；(2)采用OptiTrack动作捕捉系统，对标记点进行坐标定位，将旋翼无人机从第一位置移到第二位置，得到两个位置的坐标，从而得到从第一位置移到第二位置间的x轴和y轴方向的位移；(3)将光流数据进行积分，分别得到x轴和y轴方向的位移；(4)使步骤(3)得到的x轴和y轴方向的位移的数值趋近于步骤(2)得到的x轴和y轴方向的位移的数值，从而完成光流数据的补偿。相对于现有技术，本专利技术的有益效果如下：本无人机使用了光流模块与激光测距技术、九轴传感器来保证无人机可以在无线供电、充电条件下稳定悬停。光流模块在室内定位中应用较广，但在使用时，仅在光流模块的摄像头所拍摄的画面有明显纹理时才能获得良好定位效果，且光流模块在长时间使用时易产生漂移，造成无人机的定位不准。此外，光流模块的输出需要结合无人机的自身姿态数据与飞行高度数据才能实现无人机定位。本无人机所采用的激光测距技术要求测距平面粗糙不反光，且该激光测距的量程较小。本无人机使用九轴传感器中的磁力计来判断无人机是否处于无线充电/供电状态下。本无人机可以在无线充电条件下进行稳定的悬停。在无风条件下，该无人机10s内的偏移不超过20cm。且该无人机可以自行检测自身是否处于无线充电状态下，如在无线充电状态下则启动光流模块。本无人机则可以在加装无线充电/供电模块后可以实现稳定的悬停飞行。此外，无人机可以自行判断自身是否处于无线充电/供电条件下，并依此决定是否启用光流计进行稳定飞行。附图说明图1为本专利技术控制方法的控制回路图；图2为x轴方向位移数据；图3为y轴方向位移数据；图4为磁力计x轴滤波输出(电池)；图5为磁力计x轴滤波输出(线圈24v)。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的较佳实施例进行详细阐述，以使本专利技术的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本专利技术的保护范围做出更为清楚明确的界定。本专利技术实施例提供一种可在无线充电条件下稳定悬停的小型无人机，包括旋翼无人机、固定安装在旋翼无人机上的光流模块、接收线圈以及AC-DC整流模块，所述旋翼无人机带有九轴传感器和电池，接收线圈与AC-DC整流模块的输入端相连，AC-DC整流模块的输出端为电池充电；所述光流模块包括微处理器、摄像头、激光测距芯片以及六轴传感器，摄像头用于采集图像信息；激光测距芯片用于测量光流模块与地面间的距离；六轴传感器用于测量光流模块的姿态；所述摄像头、激光测距芯片以及六轴传感器均与光流模块的微处理器电连接，光流模块的微处理器通过串口与旋翼无人机的微处理器相连。1.本实施例以开源无人机为MiniFly的四旋翼开源无人机为例，使用的地面站为匿名地面站，使用的开源光流模块为“玩物者”光流模块，光流模块与无人机通过串口连接；2.无人机内有九轴传感器，光流模块包括微处理器、摄像头、激光测距芯片以及六轴传感器，无人机采用角度控制回路进行姿态控制；3.光流模块以60帧/秒的速度向通过串口传送处理好的光流数据与激光测距高度；4.无人机飞控获取到光流数据后，根据无人机自身高度与姿态对光流数据进行补偿，从而得到无人机相对地面的实际位移；5.无人机飞控芯片根据图1的控制回路对无人机位置进行控制。光流模块与旋翼无人机的通讯：1、光流模块与旋翼无人机通过串口连接，本实施例中的串口的波特率为115200；2、光流模块的数据帧中包含帧头、数据包、校验位、帧尾，其中数据包包含x、y轴上的光流数据、激光测距模块测得的距离数据；3、光流模块以每秒60帧的速度，稳速通过串口向旋翼无人机传输上述数据帧；4、由于旋翼无人机的微处理器处理速度较快(约每秒500周期)，以每秒60帧接收光流模本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种可在无线充电条件下稳定悬停的小型无人机，其特征在于，包括旋翼无人机、固定安装在旋翼无人机上的光流模块、接收线圈以及AC‑DC整流模块，所述旋翼无人机带有九轴传感器和电池，接收线圈与AC‑DC整流模块的输入端相连，AC‑DC整流模块的输出端为电池充电；所述光流模块包括微处理器、摄像头、激光测距芯片以及六轴传感器，摄像头用于采集图像信息；激光测距芯片用于测量光流模块与地面间的距离；六轴传感器用于测量光流模块的姿态；所述摄像头、激光测距芯片以及六轴传感器均与光流模块的微处理器电连接，光流模块的微处理器通过串口与旋翼无人机的微处理器相连。

【技术特征摘要】
1.一种可在无线充电条件下稳定悬停的小型无人机，其特征在于，包括旋翼无人机、固定安装在旋翼无人机上的光流模块、接收线圈以及AC-DC整流模块，所述旋翼无人机带有九轴传感器和电池，接收线圈与AC-DC整流模块的输入端相连，AC-DC整流模块的输出端为电池充电；所述光流模块包括微处理器、摄像头、激光测距芯片以及六轴传感器，摄像头用于采集图像信息；激光测距芯片用于测量光流模块与地面间的距离；六轴传感器用于测量光流模块的姿态；所述摄像头、激光测距芯片以及六轴传感器均与光流模块的微处理器电连接，光流模块的微处理器通过串口与旋翼无人机的微处理器相连。2.一种权利要求1所述的可在无线充电条件下稳定悬停的小型无人机的控制方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：(1)微处理器接收摄像头采集的图像信息，对相邻两帧的图像进行光流法处理，得到图像的光流数据，再将光流数据与光流模块的姿态进行滤波融合，融合后使用距离进行补偿，得到光流模块实际输出的光流数据，将光流数据进行积分，得到旋翼无人机的位移数据；(2)当旋翼无人机的微处理器检测到九轴传感器中的磁力计的X轴输出超出设定的范围时，旋翼无人机的微处理器接收旋翼无人机的位移数据，位移数据输入到位置PID控制器，位置PID控制器输出旋翼无人机的姿态设定值给旋翼无人机，实现旋翼无人机的姿态控制；(3)位置PID控制器的输入是步骤(2)中所述的位移数据，输出是角度设定值，即旋翼无人机的姿态设定值；角度设定值与角度测量值一同输入至角度PID控制器，角度PID控制器输出角速度设定值；角速度设定值与角速...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈海峰，冯春霖，崔粲，应国德，曹杰，柯如宾，高群，王芊芊，潘成峰，金潮，周啸宇，柳骏，王裘潇，金赛，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33