CN104802991A - 一种具有吸附功能的微型单板式无人机系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有吸附功能的微型单板式无人机系统及其控制方法，该无人机包含微型单板式无人机、和地面监控站；微型单板式无人机包含单PCB板式机体、飞行控制模块、机载射频通信模块、旋钮式吸盘和至少四组飞行机构，其中，飞行控制模块、机载射频通信模块、飞行机构均固定在单PCB板式机体上，旋钮式吸盘的旋钮固定在PCB板式机体的上端面。当微型单板式无人机接收到吸附命令时，首先垂直向上飞行直至旋钮式吸盘的吸盘吸附在所需固定的平面上，然后顺时针偏航180°；当收到脱离命令时，逆时针偏航180°。本发明结构简单，使用方便，无人机只需偏航一定的角度即可完成吸附与脱离吸附等操作，无需操作舵机、机械臂等机构。

Description

一种具有吸附功能的微型单板式无人机系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及无人机技术领域，尤其涉及一种具有吸附功能的微型单板式无人机系统及其控制方法。

背景技术

多旋翼无人机由于其结构更为紧凑，产生的升力更大，稳定性也更好，飞行性能卓越，所以在很多领域内有着广阔的应用前景。而常规旋翼式无人机体积较大，续航时间短，不利于国防、公共安全等领域的长时间定点侦察侦听和飞行等任务。

在NASA的支持下，斯坦福大学教授Friz Prinz和Ilan Kroo教授研制了外形为正方形的 Mesicopter。机身为16mm*16mm的正方形框架，每个角分别装有一个微型马达，旋翼直径1.5cm，马达和螺旋浆各重0.3g，并能以50000r/min 的速度运转。该飞行器从一开始就引起了研究人员极大地兴趣，目前已完成试验样机在一竿臂上的离地起飞。 目前国外对四旋翼飞行器已经进行了比较广泛和深入的研究，国内的几所高校和相关研究单位也紧随其后，并制作出了微型四旋翼无人机的原型样机，但总体而言落后于欧美。

微型四旋翼体积较小，同样意味着电机较小、电池容量也小，导致续航时间更短，虽然实用性很高，但是无法长时间工作。

如果在普通无人机机体上安装摄像，无人机在悬浮中也必然存在飘动，这将使得成像质量极低；而若在无人机机体上安装录音功能，所得的录音必然充满电机的噪音。

申请号201110322551.6公开了一种空中飞行和全方位吸附微型机器人，然而飞行器的尺寸过大，调节重心平衡困难，导致机构受力不合理，机器人进行侧吸时，支撑处是点支撑，导致在壁面吸附时会出现结构失稳的问题。

申请号201410734767.7公开了一种可吸附多功能微型飞行装置，但是这种无人机体积较大，机动性不足，同时结构过于复杂，真空泵的使用极其耗费电能，且没有地面监控站，隐蔽性和实用性很难满足实际需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及的缺陷，提供一种具有吸附功能的微型单板式无人机系统及其控制方法，吸附中的无人机不消耗任何能量，稳定性极高，同时结构更为简单，无人机的体积更小，更为隐蔽。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案:

一种具有吸附功能的微型单板式无人机系统，包含微型单板式无人机、和地面监控站；所述地面监控站包含地面射频通信模块；

所述微型单板式无人机包含单PCB板式机体、飞行控制模块、机载射频通信模块、旋钮式吸盘和至少四组飞行机构；所述飞行机构、机载射频通信模块均与飞行控制模块电气相连；

所述飞行控制模块、机载射频通信模块、飞行机构均固定在单PCB板式机体上，所述旋钮式吸盘的旋钮固定在PCB板式机体的上端面；

所述飞行控制模块用于根据接收到的指令控制飞行机构的运行，并将飞行状况反馈给地面监控站；

所述飞行机构包含电机、电调和螺旋桨，所述电机用于带动螺旋桨旋转，所述电调用于调整电机的转速；

所述机载射频通信模块和地面射频通信模块无线通信。

作为本发明一种具有吸附功能的微型单板式无人机系统进一步的优化方案，所述飞行控制模块包含控制芯片、三轴陀螺仪传感器、三轴加速度计传感器、GPS芯片和气压计，所述控制芯片分别和三轴陀螺仪传感器、三轴加速度计传感器、GPS芯片、气压计电气相连。

作为本发明一种具有吸附功能的微型单板式无人机系统进一步的优化方案，所述控制芯片STM32系列芯片。

作为本发明一种具有吸附功能的微型单板式无人机系统进一步的优化方案，所述机载射频通信模块、地面射频通信模块均采用2.4G射频通信芯片。

作为本发明一种具有吸附功能的微型单板式无人机系统进一步的优化方案，所述旋钮式吸盘的吸盘采用热塑性聚氨酯弹性体橡胶制成。

本发明还公开了一种基于该具有吸附功能的微型单板式无人机系统的控制方法，包含以下步骤：

步骤1），地面监控站将目标的坐标、高度以及飞行航迹发送给微型单板式无人机；

步骤2），飞行控制模块控制飞行机构运行，使得微型单板式无人机飞行至指定地点，并反馈给地面监控站；

步骤3），当微型单板式无人机接收到地面监控站发送的或航迹中指定的吸附命令时，进行如下步骤：

步骤3.1），飞行控制模块控制飞行机构运行，使得微型单板式无人机垂直向上飞行，直至旋钮式吸盘的吸盘吸附在所需固定的平面上；

步骤3.2），飞行控制模块控制飞行机构运行，使得微型单板式无人机顺时针偏航180°；

步骤4），当微型单板式无人机接收到地面监控站发送的或航迹中指定的脱离命令时，飞行控制模块控制飞行机构运行，使得微型单板式无人机逆时针偏航180°。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1．吸盘材料为热塑性聚氨酯弹性体橡胶，其承载能力、抗冲击性及减震性能突出，最大可以承受10kg负重；

2．旋钮式吸盘的结构极为简单，无人机只需偏航一定的角度即可完成吸附与脱离吸附等操作，无需操作舵机、机械臂等机构；

3．飞行控制模块的控制芯片为STM32系列芯片，运算处理能力更强，响应能力更快，外设更为丰富，可以支持更多种类设备的挂载以满足各行各业的不同需求；

4．由于无人机机体由PCB电路板制作而成，使得无人机体积更小，相对的两个飞行机构的中心距离仅9厘米，机动性更好，重量更轻，且更具隐蔽性，在侦察、侦听等特殊任务中更为实用；

5．地面监控站可以为无人机设定航迹与任务，使得无人机可以定时定点完成飞行、吸附和侦察与监控等任务，并在地面站中实时监控无人机状态，在军用与民用领域具有更为广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明的模块示意图；

图2为微型单板式无人机的俯视图；

图3为飞行控制模块的模块示意图；

图4为旋钮式吸盘的结构示意图。

图中，1-飞行机构，2-无磁不锈钢旋钮，3-橡胶吸盘。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

如图1所示，本发明公开了一种具有吸附功能的微型单板式无人机系统，包含微型单板式无人机、和地面监控站；所述地面监控站包含地面射频通信模块；

所述微型单板式无人机包含单PCB板式机体、飞行控制模块、机载射频通信模块、锂电池、旋钮式吸盘和四组飞行机构；所述四组飞行机构、机载射频通信模块、锂电池均与飞行控制模块电气相连；

所述飞行控制模块、机载射频通信模块、飞行机构均固定在单PCB板式机体上，所述旋钮式吸盘的旋钮固定在PCB板式机体的上端面；

所述飞行控制模块用于根据接收到的指令控制飞行机构的运行，并将飞行状况反馈给地面监控站；

所述飞行机构包含电机、电调和螺旋桨，所述电机用于带动螺旋桨旋转，所述电调用于调整电机的转速；

所述机载射频通信模块和地面射频通信模块无线通信。

地面监控站包含地面射频通信模块、航迹规划模块和导航地图模块，操作人员可以在导航地图中进行航迹规划和任务规划，向无人机发送任务起止点、飞行路线和吸附由于脱离吸附指令。

图2为微型单板式无人机的俯视图，单PCB板式机体由PCB印刷电路板制作而成，结构强度满足飞行要求。

如图3所示，所述飞行控制模块包含控制芯片、三轴陀螺仪传感器、三轴加速度计传感器、GPS芯片和气压计，所述控制芯片分别和三轴陀螺仪传感器、三轴加速度计传感器、GPS芯片、气压计电气相连。

三轴陀螺仪传感器、三轴加速度计传感器、GPS芯片和气压计合称为传感器模块。

所述控制芯片STM32系列芯片，优先采用STM32 F103芯片。

所述机载射频通信模块、地面射频通信模块均采用2.4G射频通信芯片。

如图4所示，旋钮式吸盘主要分为弹性橡胶吸盘和无磁不锈钢旋钮两部分。弹性橡胶吸盘的直径为68毫米，其材料为热塑性聚氨酯弹性体橡胶，其承载能力、抗冲击性及减震性能十分突出，无磁不锈钢旋钮是一个直径为65毫米高为15毫米的圆柱体，由于旋钮与嵌入式芯片距离太近，使用无磁性材料可以避免电磁干扰。当将橡胶吸盘按在较为光滑的平面并顺时针旋转旋钮时，旋钮式吸盘内部的挤压模块跟随旋钮向内移动，挤压并排空吸盘内的空气，将吸盘牢牢地固定于平面。而当逆时针旋转旋钮时，旋钮式吸盘内部的挤压模块跟随旋钮向外移动，橡胶吸盘松动，内部流入空气，使得橡胶吸盘脱离平面。

地面监控站编写了上位机监控软件，软件中包含了地面射频通讯模块、航迹规划模块和导航地图模块，通过射频收发装置，不仅可以实时监控无人机状态，还可以对无人机的飞行任务和吸附任务进行规划，也可以实时调整无人机的飞行与吸附状态。

本发明可以对无人机部署自动任务，使用地面监控站对无人机的飞行任务和吸附任务进行规划，使无人机按照地图中所指示的地点按次序巡航飞行，如果在固定点设有吸附任务，则无人机将通过GPS导航至指定点，并通过气压计飞行至设定高度，然后垂直向上飞行，将吸盘向上固定于顶部平面，排出吸盘内空气，完成上述操作后机体顺时针偏航180°即可旋转旋钮，使吸盘与无人机牢固地吸附于顶部平面，最后停止四个飞行机构，完成无人机的顶部吸附。而当地面站发送脱离吸附控制指令后，无人机立刻开启四个飞行机构，并将转速增加至最大，然后反向偏航机体180°，吸盘内流入空气，吸盘与无人机立刻与顶部平面脱离，最后无人机降低转速至悬浮状态，并继续执行飞行任务。如果无人机下方正对前进方向挂有录像设备，完成吸附操作后录像设备所指向的方向依然是进行吸附操作前所指向的方向，不会对录像任务有任何干扰；而如果指定点无人机上方在允许的高度内没有可吸附平面，无人机将向地面监控站发送警告指令，如果在规定的时间内地面监控站没有任何新指令，无人机将继续原有任务或返航。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1. 一种具有吸附功能的微型单板式无人机系统，其特征在于，包含微型单板式无人机、和地面监控站；所述地面监控站包含地面射频通信模块；

所述微型单板式无人机包含单PCB板式机体、飞行控制模块、机载射频通信模块、旋钮式吸盘和至少四组飞行机构；所述飞行机构、机载射频通信模块均与飞行控制模块电气相连；

所述飞行控制模块、机载射频通信模块、飞行机构均固定在单PCB板式机体上，所述旋钮式吸盘的旋钮固定在PCB板式机体的上端面；

所述飞行控制模块用于根据接收到的指令控制飞行机构的运行，并将飞行状况反馈给地面监控站；

所述飞行机构包含电机、电调和螺旋桨，所述电机用于带动螺旋桨旋转，所述电调用于调整电机的转速；

所述机载射频通信模块和地面射频通信模块无线通信。

2. 根据权利要求1所述的具有吸附功能的微型单板式无人机系统，其特征在于，所述飞行控制模块包含控制芯片、三轴陀螺仪传感器、三轴加速度计传感器、GPS芯片和气压计，所述控制芯片分别和三轴陀螺仪传感器、三轴加速度计传感器、GPS芯片、气压计电气相连。

3. 根据权利要求2所述的具有吸附功能的微型单板式无人机系统，其特征在于，所述控制芯片STM32系列芯片。

4. 根据权利要求1所述的具有吸附功能的微型单板式无人机系统，其特征在于，所述机载射频通信模块、地面射频通信模块均采用2.4G射频通信芯片。

5. 根据权利要求1所述的具有吸附功能的微型单板式无人机系统，其特征在于，所述旋钮式吸盘的吸盘采用热塑性聚氨酯弹性体橡胶制成。

6. 基于权利要求1所述的具有吸附功能的微型单板式无人机系统的控制方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤1），地面监控站将目标的坐标、高度、指定位置的任务以及飞行航迹发送给微型单板式无人机；

步骤2），飞行控制模块控制飞行机构运行，使得微型单板式无人机飞行至指定地点，并反馈给地面监控站；

步骤3），当微型单板式无人机接收到地面监控站发送的或航迹任务中指定的吸附命令时，进行如下步骤：

步骤3.1），飞行控制模块控制飞行机构运行，使得微型单板式无人机垂直向上飞行，直至旋钮式吸盘的吸盘吸附在所需固定的平面上；

步骤3.2），飞行控制模块控制飞行机构运行，使得微型单板式无人机顺时针偏航180°；

步骤4），当微型单板式无人机接收到地面监控站发送的或航迹中指定的脱离命令时，飞行控制模块控制飞行机构运行，使得微型单板式无人机逆时针偏航180°。