[发明专利]基于树莓派的室内智能微型无人机系统

说明书

本发明公开了一种基于树莓派的室内智能微型无人机系统，该系统包括智能计算模块、水平避障模块、飞行控制模块、电源控制模块、人机交互模块。本发明采用了微型无人机作为基础飞行平台，飞行灵活，成本低，体积小，适合在危险、狭窄的室内环境飞行；通过在微型无人机上加装了一系列结构紧凑、重量轻的传感器、计算和通讯等模块，使得微型无人机具有视觉感知和障碍物感知能力，较强的信息处理和计算能力，从而实现在复杂室内环境下的自主感知与实时决策飞行，并在必要时向地面站发送实时感知信息，并接收任务指令。

技术领域

本发明属于无人机领域，涉及一种基于树莓派的室内智能微型无人机系统。

背景技术

无人机的体积小、机动能力强、成本低，因此无人机在执行3D任务——枯燥(Dull)、恶劣(Dirty)、危险(Dangerous)任务时相比于有人机能够体现出更大的优势。微小型无人机可通过飞入室内战场、危险巷道等狭窄环境，执行战场态势感知、目标攻击与救援等危险任务。在危险复杂的室内环境下，无人机无法接收到GPS、北斗等定位信号，也可能在环境干扰下中断与地面人员的通讯而无法接受远程控制指令。因此，我们亟需一种具有一定自我感知和决策能力的室内微型无人机系统，通过自主感知算法获取复杂动态的环境信息，并通过智能决策算法自动做出合理的飞行动作，从而完成相应的预设任务。自主感知和决策算法的部署需要一定的硬件基础，即我们需要在微型无人机平台上增加相关的计算与感知模块。然而，目前具有较强感知决策能力的无人机平台尺寸和重量均较大，无法适应狭窄的室内环境，而体积小的微型无人机平台又由于载重受限而难以安装复杂的计算模块。

因此，针对以上问题研制出一种体积小、重量轻、成本低且具有较强的环境自主感知与决策能力的微型室内智能无人机平台是本领域技术人员所急需解决的难题。

发明内容

为了解决以上问题，本发明公开了一种基于树莓派的室内智能小型无人机系统。

为了达到上述目的，本发明提供了如下的技术方案：

一种基于树莓派的室内智能小型无人机系统，核心计算模块包括STM32F103飞控板、定制的小型树莓派3b计算板；核心传感器包括9个激光测距传感器(8个VL53L1x、1个VL53L0x)、树莓派摄像头、MPU6050姿态传感器、SPL06气压计、PMW3901光流模块；电源系统包括1500mAh的3.7V锂电池、3.7V转5V的DC升压模块、升压降压模块；动力系统包括820空心杯电机、螺旋桨；通讯系统主要为WiFi模块；交互系统主要为地面站软件。

无人机的底层控制计算在STM32F103飞控板上实现，STM32F103通过IIC与MPU6050姿态传感器、SPL06气压计通讯，通过SPI与PMW3901光流模块通讯，根据这些传感器获取的无人机状态信息，在STM32F103使用串级PID的控制方法计算电机的期望转速，并通过PWM信号来控制820空心杯电机的转动，最终带动螺旋桨转动，从而实现无人机的底层运动控制。由于室内环境中常有桌子等障碍物，而天花板一般较平，故使用一个朝上布置的VL53L0x获取无人机相对天花板的高度，从而使无人机能在固定的高度进行持续巡视与跟踪运动。朝上的VL53L0x通过IIC与STM32F103进行通讯。

无人机的智能决策在定制的小型树莓派3b上进行。树莓派3b通过尼龙螺柱与无人机连接；树莓派3b通过CSI接口连接树莓派摄像头，获取图像信息；树莓派摄像头通过相机支架进行向下倾斜30°固定；树莓派3b通过UART串口与STM32F103通讯，获取无人机的飞控数据，并可以向STM32F103发布期望速度或位置等信号，实现无人机的运动控制；树莓派3b通过IIC与TCA9548a通讯，从而通过TCA9548a读取8个具有相同IIC地址的VL53L1x激光测距传感器的测距结果；根据获取的图像，树莓派3b可使用经过轻量化设计的目标检测与跟踪算法获取目标位置信息，进而控制无人机运动去跟随目标，同时根据8个VL53L1x测距结果进行避障决策；树莓派3b通过WiFi模块与地面站通讯，将获取的图像、决策结果、飞控数据发送给地面站，并获取地面站的控制指令。