[發明專利]基于樹莓派的室內智能微型無人機系統

在審

• 申請號: 202110553186.3
• 申請日: 2021-05-20
• 公開（公告）號: CN113342017A
• 公開（公告）日: 2021-09-03
• 發明（設計）人: 蒙志君;黃建森;謝榮磊;羅睿;陸少澤;王凱鵬
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G05D1/08
• 分類號: G05D1/08;G05D1/10
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開了一種基于樹莓派的室內智能微型無人機系統，該系統包括智能計算模塊、水平避障模塊、飛行控制模塊、電源控制模塊、人機交互模塊。本發明采用了微型無人機作為基礎飛行平臺，飛行靈活，成本低，體積小，適合在危險、狹窄的室內環境飛行；通過在微型無人機上加裝了一系列結構緊湊、重量輕的傳感器、計算和通訊等模塊，使得微型無人機具有視覺感知和障礙物感知能力，較強的信息處理和計算能力，從而實現在復雜室內環境下的自主感知與實時決策飛行，并在必要時向地面站發送實時感知信息，并接收任務指令。

技術領域

本發明屬于無人機領域，涉及一種基于樹莓派的室內智能微型無人機系統。

背景技術

無人機的體積小、機動能力強、成本低，因此無人機在執行3D任務——枯燥(Dull)、惡劣(Dirty)、危險(Dangerous)任務時相比于有人機能夠體現出更大的優勢。微小型無人機可通過飛入室內戰場、危險巷道等狹窄環境，執行戰場態勢感知、目標攻擊與救援等危險任務。在危險復雜的室內環境下，無人機無法接收到GPS、北斗等定位信號，也可能在環境干擾下中斷與地面人員的通訊而無法接受遠程控制指令。因此，我們亟需一種具有一定自我感知和決策能力的室內微型無人機系統，通過自主感知算法獲取復雜動態的環境信息，并通過智能決策算法自動做出合理的飛行動作，從而完成相應的預設任務。自主感知和決策算法的部署需要一定的硬件基礎，即我們需要在微型無人機平臺上增加相關的計算與感知模塊。然而，目前具有較強感知決策能力的無人機平臺尺寸和重量均較大，無法適應狹窄的室內環境，而體積小的微型無人機平臺又由于載重受限而難以安裝復雜的計算模塊。

因此，針對以上問題研制出一種體積小、重量輕、成本低且具有較強的環境自主感知與決策能力的微型室內智能無人機平臺是本領域技術人員所急需解決的難題。

發明內容

為了解決以上問題，本發明公開了一種基于樹莓派的室內智能小型無人機系統。

為了達到上述目的，本發明提供了如下的技術方案：

一種基于樹莓派的室內智能小型無人機系統，核心計算模塊包括STM32F103飛控板、定制的小型樹莓派3b計算板；核心傳感器包括9個激光測距傳感器(8個VL53L1x、1個VL53L0x)、樹莓派攝像頭、MPU6050姿態傳感器、SPL06氣壓計、PMW3901光流模塊；電源系統包括1500mAh的3.7V鋰電池、3.7V轉5V的DC升壓模塊、升壓降壓模塊；動力系統包括820空心杯電機、螺旋槳；通訊系統主要為WiFi模塊；交互系統主要為地面站軟件。

無人機的底層控制計算在STM32F103飛控板上實現，STM32F103通過IIC與MPU6050姿態傳感器、SPL06氣壓計通訊，通過SPI與PMW3901光流模塊通訊，根據這些傳感器獲取的無人機狀態信息，在STM32F103使用串級PID的控制方法計算電機的期望轉速，并通過PWM信號來控制820空心杯電機的轉動，最終帶動螺旋槳轉動，從而實現無人機的底層運動控制。由于室內環境中常有桌子等障礙物，而天花板一般較平，故使用一個朝上布置的VL53L0x獲取無人機相對天花板的高度，從而使無人機能在固定的高度進行持續巡視與跟蹤運動。朝上的VL53L0x通過IIC與STM32F103進行通訊。

無人機的智能決策在定制的小型樹莓派3b上進行。樹莓派3b通過尼龍螺柱與無人機連接；樹莓派3b通過CSI接口連接樹莓派攝像頭，獲取圖像信息；樹莓派攝像頭通過相機支架進行向下傾斜30°固定；樹莓派3b通過UART串口與STM32F103通訊，獲取無人機的飛控數據，并可以向STM32F103發布期望速度或位置等信號，實現無人機的運動控制；樹莓派3b通過IIC與TCA9548a通訊，從而通過TCA9548a讀取8個具有相同IIC地址的VL53L1x激光測距傳感器的測距結果；根據獲取的圖像，樹莓派3b可使用經過輕量化設計的目標檢測與跟蹤算法獲取目標位置信息，進而控制無人機運動去跟隨目標，同時根據8個VL53L1x測距結果進行避障決策；樹莓派3b通過WiFi模塊與地面站通訊，將獲取的圖像、決策結果、飛控數據發送給地面站，并獲取地面站的控制指令。