[实用新型]基于多路超声波的四旋翼无人机避障系统

说明书

本实用新型公开了一种基于多路超声波的四旋翼无人机避障系统，包括多路超声波模块、惯性测量单元模块、信息处理模块、飞行控制模块、避障处理模块以及通信模块。其中多路超声波位于无人机六面，通过8选1模拟电子开关连接；通过飞行控制模块和避障处理模块应用于不同情况。本实用新型采用8选1模拟电子开关，节省了引脚资源及成本；采用三维建模算法，减少了无人机倾斜对超声波的影响，使得无人机避障更准确。

技术领域

本实用新型涉及无人机避障技术领域，尤其涉及一种基于多路超声波距离检测的四旋翼无人机避障系统。

背景技术

无人机避障系统非常重要，它很大程度上决定了无人机的实用性。现有的超声波避障系统是利用超声波读取无人机与障碍物或者地面之间的距离，然后调整无人机的姿态防止碰撞。这种避障系统能够提升无人机的安全性以及可靠性，使得无人机能够适用于更多场合。

如果采用多路超声波来实现避障功能，则需要采集多路超声波测距数据。对于多路数据的采集要么使用较多的芯片引脚，要么用独立的多路超声波采集模块，但其控制板造价高达上百元，这使得超声波避障系统存在了缺陷。此外，当无人机倾斜时，超声波读取到的距离并不是无人机与地面或障碍物之间的实际距离，这将导致无人机避障不精确，不能按照我们预期的要求进行避障，从而极大的提升无人机发生碰撞的可能性，进而使得超声波避障系统的实用性以及可靠性大大降低。

发明内容

本实用新型所解决的技术问题是针对多路超声波昂贵或占用引脚资源多、无人机超声波被环境干扰以及忽视无人机机自身倾斜的缺陷，提供一种基于多路超声波的四旋翼无人机避障系统，克服单一超声波传感器对空间信息监测的盲区大，解决了市面上靠IIC选地址的多路超声波价格昂贵的特点。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案为：

基于多路超声波的四旋翼无人机避障系统包括多路超声波模块，姿态识别模块以及飞行控制模块。

所述多路超声波模块包括上、下、左、右、前、后六个超声波及CD4051芯片，用于检测六面是否有障碍物；六面超声波分别位于无人机上、下、左、右、前、后六，且各自位于该平面正中心；CD4051芯片为单端8通道多路开关，与飞控直连，可根据单片机指令切换与单片机相连的超声波，可减省飞控引脚资源。

所述姿态识别模块包括加速度计，陀螺仪，磁力计，气压计，用于获得无人机自身的姿态角和高度。

所述飞行控制模块主要为嵌入式单片机和地面站，用于处理传感器的数据，判断、控制并监测无人机的飞行及是否避障。

进一步的，四旋翼无人机在正常飞行时，飞行控制模块控制无人机沿预设航线飞行。同时，单片机通过CD4051按顺序选择超声波测距，并在预设时间内完成六面测距。由于超声波的传播速度v受温度的影响，温度T与超声波对应的关系：V＝331.5+0.607T。所以超声波测度距离与时间关系为L＝t*(331.5+0.607T)/2。

进一步的，四旋翼无人机采集加速度计、陀螺仪及磁力计数据，通过四元数算法，获得无人机自身姿态角。

进一步的，将超声波获得的距离换算成地面坐标系里的距离(见表1)。根据无人机和障碍物的实际距离和无人机自身的速度分为安全区，减速区，急停区。急停区距离为(V^2)/(2*A),减速区距离为(V^2)/(2*A)+(V^2)/(2*a)，大于减速区则为安全区。A为无人机最大加速度，a＝V(a<A)，使无人机能在1秒内安稳减速。

表1超声波测得距离与障碍物的关系算法

其中，X轴为规划航线方向，Y轴规划航线方向水平左边，Z轴为规划航线方向垂直向上。PITCH为俯仰角，上为正；ROLL为横滚角，右为正；YAW为偏航角，左为正，L为超声波测得距离。