一种基于四旋翼无人机的室内场景构建系统及其实现方法技术方案

本发明专利技术提出了一种基于四旋翼无人机的室内场景构建系统及其实现方法，包括无人机平台和建模平台，所述无人机平台包括供电单元、动力单元、飞行控制单元、远程控制单元和图像采集处理单元；所述供电单元包括一块供电电池和一套电压稳定系统，为整个系统提供稳定的电力；所述动力单元是主要控制实现单元；能完成更大范围的建模，对室内环境进行全方位的扫描；可在更复杂的环境下完成场景勘测任务，尤其对灾后现场的勘测具有重要意义；方便维护，升级简单，通过更改协议可以兼容更多的传感器对数据传输的要求；系统采用模块化设计，可兼容更多类型的传感器，完成更复杂的任务。

An Indoor Scene Construction System Based on Four-Rotor UAV and Its Implementation Method

【技术实现步骤摘要】
一种基于四旋翼无人机的室内场景构建系统及其实现方法
本专利技术涉及一种室内场景建模，属于建模领域。
技术介绍
从2002年到2012年十年的时间内，旋翼无人机以飞控系统为核心，各大高校实验室开发自己的无人机系统，其中诞生了很多优秀的飞控系统一直沿用至今并被无数开源爱好者推动发展。在2012年大疆公司的几款远程高清图像传输无人机将无人机带入了新的纪元，如今，无人机的应用越来越广泛，从植保机到森林搜救，无处不在。与此同时，随着工业的发展和人工智能技术的不断普及，以及人们对工作效率要求的不断提高，机器人技术渐渐走进了各大工厂，由此诞生了一系列工业机器人。从京东的无人化快递工厂引入的室内导航小车到美国设计师设计提出的“蜂巢”系统，越来越多的智能化移动机器人进入工厂代替人类的搬运工作。这些机器人最大的特点就是在行走过程中不需要人的引导就可以自行移动，包括转弯、避障等一系列动作。在这些方面，无人机的优势明显。因为无人机无论在自由度和灵活度方面远比那些轮式机器人和履带式机器人在结构上拥有更多的能动性，这就决定了无人机不但可以肩负传统机器人的任务，同时可以开发更多的功能。但不论是什么机器人平台，要完成自主移动和避障，第一步就是进行周围环境感知和建模，才能进行接下来的路径规划。由于传统机器人都是以地面为依托，在地面上行进，所以它们的建模范围和感知范围仅仅是机器人本身的高度或者略高，这就限制了此类机器人的作用，也就决定了传统机器人单一的功能，一旦将机器人放置于复杂环境或者地面条件不允许的地方，这类机器人也就性能大减。然而无人机却可以胜任，无人机凭借其灵活的移动方式，搭载建模系统，对环境进行全面扫描，这个过程既可以人为控制，也可以让无人机自己完成。现阶段，传统机器人的缺点就是：环境要求高，这些机器人只适合在平坦的地面上行进，对于楼梯等一些磕绊不能很好地解决；机器人笨重，整套成本高；建模范围有限，功能单一，仅可用于固定的场景。室内环境是一类典型的复杂环境，与室外的大环境相比，室内环境更加狭小，活动范围更窄，环境较为复杂，同时，在封闭环境内失去了GPS的作用，室内的无人机更多的依赖超声波、激光雷达或相机作为主要的导航传感器。同时，限制于无人机本身的功耗，载重等限制，要求无人机在规定的时间和无外部辅助导航设施的情况下，完成室内的建模任务。较为广泛的距离传感器在现阶段都有一定的局限性，难以完成室内建模以及飞行的任务。超声波作为主流的位置传感器，具有测量数据稳定，体积小的特点，但是室内的封闭环境，单超声波无法测距多个方向，这就要求飞机上必须携带多个超声波，但是室内环境封闭，超声波之间存在干扰，同时，当无人机以高速状态飞行时，无法获得准确的位置信息。激光雷达是最近兴起的一项技术，凭借其快速扫描，体积小，数据可靠等优点，在各个领域发挥作用，但是在无人机上使用激光雷达作为建模工具却显得及其不合适，一方面，激光雷达价格昂贵，成本居高不下，另一方面，激光雷达用途单一，仅仅只是在一个平面内完成建模工作，无法在短时间内做到立体建模。相比于以上两种工具，深度相机就十分胜任在无人机上完成建模工作，一方面，深度相机种类繁多，适合各种环境的使用，同时，相机采集到的图像数据，其信息量更大，包含许多有用信息，可以在后期进行图像识别等开发，另一方面，技术成熟，深度相机作为本系统中的网络节点中的一个，其将可用数据通过本身的数据处理单元处理之后，通过USB3.0协议进行传输，大大减少数据传输时间和算法运行时间，大大减轻了系统的复杂性。四旋翼无人机作为最近几年兴起的新型机器人，发展迅猛，由于其灵活的飞行方式，迅猛的速度，庞大的作用范围，无人机开始在各个领域替代传统机器人完成各项任务，使用无人机为平台开发更多的用途为人们服务显得尤为重要。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是当前传统机器人只能在简单的室内环境建模，无法胜任在仓库、火灾现场、洞穴等复杂封闭环境的建模任务，为克服现有技术的不足而提供一种基于四旋翼无人机的室内场景构建系统及其实现方法。本专利技术提供一种基于四旋翼无人机的室内场景构建系统，包括无人机平台和建模平台，所述无人机平台包括供电单元、动力单元、飞行控制单元、远程控制单元和图像采集处理单元；所述供电单元包括一块供电电池和一套电压稳定系统，为整个系统提供稳定的电力；所述动力单元是主要控制实现单元，直接实现对飞机姿态的调节，包括驱动单元、四个高转速无刷电机、四个电子调速器；所述飞行控制单元包括主控芯片、陀螺仪、加速度计、磁力计和高度传感器，用于完成对无人机平台数据的采集、处理和运算，并接受上级系统的控制指令，通过飞行控制系统的处理，进一步控制电机以完成所需要的功能；所述远程控制单元包括遥控器和接收机两部分，完成系统的手动模式；所述图像采集和处理单元包括摄像头、数据处理系统，为了减轻飞行控制单元主控芯片的压力，将图像处理部分分离出来，在飞行主控板上完成对图像数据的处理，将处理结果转换成控制参数直接传送给飞行控制单元实现对无人机的间接控制；所述建模平台包括深度传感器、数据处理模块，通过对深度传感器输出的数据进行处理，结合相应的算法完成对室内环境模型的建立和室内环境的感知。进一步的，所述的飞行控制单元可以在手动和自动之间自由切换。进一步的，所述无人机平台还包括六旋翼和八旋翼的飞行平台。进一步的，所述建模平台的网络与无人机平台的网络相互独立。进一步的，所述图像采集和处理单元以及飞行控制单元的自动控制都在树莓派下进行操作。进一步的，所述建模平台采用双目摄像机，通过景深图像和点云图信息进行建模。进一步的，所述无人机平台与建模平台的供电系统为分离式，进行单独供电。进一步的，所述建模平台的控制，是将JestonTX2和个人PC电脑等终端连接在同一局域网下，通过路由器进行无线控制。进一步的，所述无人机平台的飞行主控板为运行ROS系统的树莓派3B，建模平台为运行Ubuntu系统的NVIDIAJetsonTX2开发板。本专利技术还提供了一种基于四旋翼无人机的室内场景构建系统的实现方法，包括以下步骤：步骤一，对无人机的陀螺仪、加速度计、磁力计、高度传感器进行初始化，对电机进行上电操作；步骤二，对飞行控制系统进行自检，确认各传感器数据正常，通信无误；步骤三，由主控芯片对飞行控制板进行模式确认，若飞行控制板设置为手动模式，则通过遥控器进行无人机解锁操作，控制无人机起飞；若飞行控制板设置为自动模式，则首先通过飞行主控板发送确认指令，当收到飞行控制板应答后，自行解锁起飞；步骤四，由图像采集和处理单元将无人机正下方图像数据进行处理，通过计算特征点偏移，确定无人机水平面数据，同时高度传感器读取垂直方向位置数据，将数据传送至飞行控制板，飞行控制板将数据进行融合，进行位置调整，使得无人机固定在空中；步骤五，当无人机到达指定位置后，由飞行主控板向建模平台发送位置准备就绪指令，建模平台启动双目相机节点，开始对室内环境建模，并存储在本地文件系统。本专利技术是一种建立在高度灵活的无人机平台上的建模系统，充分运用了无人机三个轴向的运动，结合建模技术实现对室内环境的全方位扫描，克服了传统机器人只能在地面进行活动的缺点；不仅仅局限于简单的室内环境，其也完全可以胜任在仓库、火灾现场、洞穴等复杂封闭环境的建模任务，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于四旋翼无人机的室内场景构建系统，其特征在于，包括无人机平台和建模平台，所述无人机平台包括供电单元、动力单元、飞行控制单元、远程控制单元和图像采集处理单元；所述供电单元包括一块供电电池和一套电压稳定系统，为整个系统提供稳定的电力；所述动力单元是主要控制实现单元，直接实现对飞机姿态的调节，包括驱动单元、四个高转速无刷电机、四个电子调速器；所述飞行控制单元包括主控芯片、陀螺仪、加速度计、磁力计和高度传感器，用于完成对无人机平台数据的采集、处理和运算，并接收上级系统的控制指令，通过飞行控制系统的处理，进一步控制电机以完成所需要的功能；所述远程控制单元包括遥控器和接收机两部分，用于完成系统的手动模式；所述图像采集和处理单元包括摄像头、数据处理系统，为了减轻飞行控制单元主控芯片的压力，将图像处理部分分离出来，在飞行主控板上完成对图像数据的处理，将处理结果转换成控制参数直接传送给飞行控制单元实现对无人机的间接控制；所述建模平台包括深度传感器、数据处理模块，通过对深度传感器输出的数据进行处理，结合相应的算法完成对室内环境模型的建立和室内环境的感知。

【技术特征摘要】
1.一种基于四旋翼无人机的室内场景构建系统，其特征在于，包括无人机平台和建模平台，所述无人机平台包括供电单元、动力单元、飞行控制单元、远程控制单元和图像采集处理单元；所述供电单元包括一块供电电池和一套电压稳定系统，为整个系统提供稳定的电力；所述动力单元是主要控制实现单元，直接实现对飞机姿态的调节，包括驱动单元、四个高转速无刷电机、四个电子调速器；所述飞行控制单元包括主控芯片、陀螺仪、加速度计、磁力计和高度传感器，用于完成对无人机平台数据的采集、处理和运算，并接收上级系统的控制指令，通过飞行控制系统的处理，进一步控制电机以完成所需要的功能；所述远程控制单元包括遥控器和接收机两部分，用于完成系统的手动模式；所述图像采集和处理单元包括摄像头、数据处理系统，为了减轻飞行控制单元主控芯片的压力，将图像处理部分分离出来，在飞行主控板上完成对图像数据的处理，将处理结果转换成控制参数直接传送给飞行控制单元实现对无人机的间接控制；所述建模平台包括深度传感器、数据处理模块，通过对深度传感器输出的数据进行处理，结合相应的算法完成对室内环境模型的建立和室内环境的感知。2.根据权利要求1所述的一种基于四旋翼无人机的室内场景构建系统，其特征在于，所述的飞行控制单元可以在手动和自动之间自由切换。3.根据权利要求2所述的一种基于四旋翼无人机的室内场景构建系统，其特征在于，所述无人机平台还包括六旋翼和八旋翼的飞行平台。4.根据权利要求3所述的一种基于四旋翼无人机的室内场景构建系统，其特征在于，所述建模平台的网络与无人机平台的网络相互独立。5.根据权利要求4所述的一种基于四旋翼无人机的室内场景构建系统及其实现方法，其特征在于，所述图像采集和处理单元以及飞行控制单元的自动控制都在树莓派下进行操作。6.根据权利要求5所述的一种基于四旋翼无人机...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖建，王昆，张娟，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32