一种安全防撞的无人机及数据采集方法与流程

本发明涉及无人机技术领域，尤其涉及一种安全防撞的无人机及数据采集方法。

背景技术：

近年来，无人机由于其灵活性、高机动性以及高效性，被广泛应用于各种基础设施的安全状态检测，无人机有效替代了人工，减少了危险复杂作业环境造成的重大事故，极大的提升了检测效率。

随着无人机防撞技术的飞速发展，如今可以通过视觉、激光、超声波、红外等传感器的多种技术手段使得无人机能够感知并避让障碍物、紧急刹车等。但此类需要借助传感器感知手段的避障方式容易受到传感器自身因素的限制以及外部条件的干扰，如视觉传感器的识别距离有限，对于缺少纹理的区域容易图像误匹配；激光则易受极端天气、反射物体材质诸多环境因素的影响，而且价格相对昂贵，体积、重量较大不适合小机载。具有感知防撞系统的无人机平台可最大限度的对检测目标进行贴近飞行，但仍然存在由于无人机操控员(飞手)的误操作造成碰撞导致桨叶损坏造成炸机事故，导致挂载的载荷设备损毁，甚至引发一系列无法预知的安全事故。

当前，防撞无人机大部分均采用局部防撞，即仅加装了桨叶防护罩，或者刚性连接的全包防撞外框，此类防撞措施只能应对侧向碰撞或者在碰撞后无法迅速将外力释放，造成飞机姿态角过大而失控，局部物理防撞性能有限，与机架固定连接的全包防撞外框，由于是刚性连接，发生碰撞时由于柔韧性不足，易造成回弹力直接无任何缓冲的反作用于无人机，大概率导致飞机姿态发生剧变而无法回稳，造成无人机失控炸机，防撞效果并不理想。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于提供一种安全防撞的无人机及数据采集方法，旨在解决现有技术中无人机防撞效果差的问题，同时给出一种高效的无人机时空数据获取方法。

为实现上述目的，本发明提供一种安全防撞的无人机，所述安全防撞的无人机包括：

多自由度无人机外框、无人机平台和多传感器集成采集系统；

所述多自由度无人机外框由防撞外框、两个可旋转的环状结构和横梁组成；所述防撞外框用于将所述无人机平台完全包覆；所述无人机平台安装在所述横梁的中心位置；

所述两个可旋转的环状结构分别为第一内环和第二内环；所述第一内环和所述第二内环通过第一滚动轴承和第一镁铝合金连接件连接；所述第一内环与所述防撞外框通过第二滚动轴承和第二镁铝合金连接件连接，并且在所述第一内环与所述防撞外框的连接处设置有阻尼弹簧；所述阻尼弹簧用于缓冲外力对所述第二镁铝合金连接件的冲击；所述横梁与所述第二内环通过第三镁铝合金连接件连接，所述横梁沿所述第三镁铝合金连接件进行360°旋转；

所述多传感器集成采集系统包括多个传感器、同步控制器和微处理器，所述多传感器集成采集系统设置在所述无人机平台内。

所述的安全防撞的无人机，其中，所述防撞外框由高强度碳纤维棒与多通关节组成。

所述的安全防撞的无人机，其中，所述防撞外框的外形由12个五边形和20个六边形组成。

所述的安全防撞的无人机，其中，所述多通关节包括三通连接件、四通连接件和五通连接件；所述防撞外框包括50个三通连接件、10个四通连接件和2个五通连接件。

所述的安全防撞的无人机，其中，所述防撞外框的形状为足球状。

所述的安全防撞的无人机，其中，所述无人机平台为采用碳纤机架的无人机平台。

所述的安全防撞的无人机，其中，所述多传感器集成采集系统中的多个传感器包括：用于测量物体的加速度和角速度的惯性测量单元、用于获取图像和视频资料的可见光相机、用于感知物体辐射的热量以获取环境的热成像资料的红外相机和获取环境的三维信息的单线激光扫描仪。

所述的安全防撞的无人机，其中，所述同步控制器为fpga。

所述的安全防撞的无人机，其中，所述微处理器为嵌入式多核应用处理器。

此外，本发明还提供一种基于所述安全防撞的无人机的数据采集方法，其中，所述数据采集方法包括：

多个传感器通过接口转换电路将信号转换为同步控制器可识别的电平标准，通过同步控制器生成的同步触发信号触发多个传感器进行数据同步采集，并以时间为标志将多个传感器的数据进行关联；

按照既定格式打包上传至微处理器进行解析和预处理后，存储到存储设备中，在无人机测量采集任务结束后使用个人电脑通过数据线或wifi访问存储设备将数据下载至本地。

本发明中，所述安全防撞的无人机包括：多自由度无人机外框、无人机平台和多传感器集成采集系统；所述多自由度无人机外框由防撞外框、两个可旋转的环状结构和横梁组成；所述防撞外框用于将所述无人机平台完全包覆；所述无人机平台安装在所述横梁的中心位置；所述两个可旋转的环状结构分别为第一内环和第二内环；所述第一内环和所述第二内环通过第一滚动轴承和第一镁铝合金连接件连接；所述第一内环与所述防撞外框通过第二滚动轴承和第二镁铝合金连接件连接，并且在所述第一内环与所述防撞外框的连接处设置有阻尼弹簧；所述阻尼弹簧用于缓冲外力对所述第二镁铝合金连接件的冲击；所述横梁与所述第二内环通过第三镁铝合金连接件连接，所述横梁沿所述第三镁铝合金连接件进行360°旋转；所述多传感器集成采集系统包括多个传感器、同步控制器和微处理器，所述多传感器集成采集系统设置在所述无人机平台内。本发明的无人机具有特殊结构的全向防撞外框，可迅速将碰撞外力释放，足球状的结构设计有效保证了结构强度，采用碳纤维材料有效减轻了结构重量，同时也间接的增加了有效载荷和续航时间；另外，本发明的数据采集方法充分利用了fpga的可重构和并行特性以及微处理器基于指令架构且接口丰富的特点，具有可靠性高、精度高、成本低的优势。

附图说明

图1是本发明安全防撞的无人机的较佳实施例中第一视角的结构原理图；

图2是本发明安全防撞的无人机的较佳实施例中第二视角的结构原理图；

图3是本发明安全防撞的无人机的较佳实施例中去掉防撞外框后的第一视角的结构原理图；

图4是本发明安全防撞的无人机的较佳实施例中去掉防撞外框后的第二视角的结构原理图；

图5是本发明安全防撞的无人机的较佳实施例中去掉防撞外框后的局部结构的示意图；

图6是本发明安全防撞的无人机的较佳实施例中无人机平台的结构示意图；

图7是本发明安全防撞的无人机的较佳实施例中横梁的结构示意图；

图8是本发明安全防撞的无人机的较佳实施例中第一滚动轴承的结构示意图；

图9是本发明安全防撞的无人机的较佳实施例中第一镁铝合金连接件的结构示意图；

图10是本发明安全防撞的无人机的较佳实施例中第二滚动轴承的结构示意图；

图11是本发明安全防撞的无人机的较佳实施例中第二镁铝合金连接件的结构示意图；

图12是本发明安全防撞的无人机的较佳实施例中第三镁铝合金连接件的结构示意图；

图13是本发明安全防撞的无人机的较佳实施例中五通连接件的结构示意图；

图14是本发明安全防撞的无人机的较佳实施例中多传感器集成采集系统的集成框架示意图；

图15是本发明安全防撞的无人机的较佳实施例中多传感器集成采集方案的示意图；

图16是本发明基于安全防撞的无人机的数据采集方法的较佳实施例的流程图；

附图中标号含义如下：

多自由度无人机外框：100；无人机平台：200；防撞外框：101；第一内环：102；第二内环：103；横梁：104；第一滚动轴承：105；第一镁铝合金连接件：106；第二滚动轴承：107；第二镁铝合金连接件：108；阻尼弹簧：109；第三镁铝合金连接件：110；高强度碳纤维棒：111；三通连接件：112；四通连接件：113；五通连接件：114。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明较佳实施例所述的安全防撞的无人机，如图1-图4所示，所述安全防撞的无人机包括：多自由度无人机外框100、无人机平台200和多传感器集成采集系统(图中未示意)。

具体地，所述多自由度无人机外框100由防撞外框101、两个可旋转的环状结构(即第一内环102和第二内环103)和横梁104组成；所述防撞外框100用于将所述无人机平台200完全包覆，以达到防撞保护的目的；所述无人机平台200安装在所述横梁104的中心位置；即两个可旋转的环状结构分别为第一内环102和第二内环103。

其中，所述防撞外框101由高强度碳纤维棒111与多通关节(所述多通关节包括三通连接件112、四通连接件113和五通连接件115)组成。碳纤维棒是采用高科技复合材料碳纤维原丝经浸乙烯基树脂高温固化拉挤(或缠绕)制成的，碳纤维成为当前最重要的高性能纤维材料之一；碳纤维具有强度高，寿命长、耐腐蚀，质量轻、低密度等优点。所述三通连接件112(三通连接件表示可以在三个方向上插入三根高强度碳纤维棒)、四通连接件113(四通连接件表示可以在四个方向上插入四根高强度碳纤维棒)和五通连接件115(五通连接件表示可以在五个方向上插入五根高强度碳纤维棒)均通过尼龙材料进行3d打印而成。如图13所示，表示一个五通连接件，即所述五通连接件具有五个插头，可以允许五根高强度碳纤维棒插入所述五通连接件，所述五通连接件中间镂空，镂空圆环等间距排列设置五个插头。

其中，如图3和图4所示，所述第一内环102的直径略大于所述第二内环103的直径，即所述第二内环103在所述第一内环102内部，且所述第一内环102和所述第二内环103通过第一滚动轴承105和第一镁铝合金连接件106连接；所述第一滚动轴承105为低阻尼(阻尼是指任何振动系统在振动中，由于外界作用或系统本身固有的原因引起的振动幅度逐渐下降的特性，以及此一特性的量化表征，阻尼是指阻碍物体的相对运动、并把运动能量转化为热能或其他可以耗散能量的一种作用)的滚动轴承；如图8所示，表示的是所述第一滚动轴承105，所述第一滚动轴承105中间为镂空的圆环，直条形状的轴穿过圆环一体成型，所述第一滚动轴承105两端各有一个凹槽，便于第一镁铝合金连接件106卡入所述凹槽中，如图9所示，表示的是第一镁铝合金连接件106，所述第一镁铝合金连接件106是一个带缺口的圆环，内部开设有两个u型槽，两个第一镁铝合金连接件106分别卡入第一滚动轴承105两端的凹槽，将所述第一内环102和所述第二内环103固定连接，如图3所示，所述第一内环102和所述第二内环103连接处有两处(结构完全相同)，且以所述横梁104呈中心对称设置。

进一步地，两个内环(即第一内环102和第二内环103)均为碳纤维板切割的四分之一圆弧，然后圆弧两端打孔，然后用锚固件固定拧上螺丝组成圆环(例如两两四分之一圆弧之间通过1个锚固件固定拧上8个螺丝连接起来)，两个内环互不干扰可独立旋转。

其中，如图4和图5所示，所述第一内环102与所述防撞外框101通过第二滚动轴承107和第二镁铝合金连接件108连接，如图10所示，所述第二滚动轴承107呈三段设置，从上往下依次是第一圆环段、第二圆环段和第三圆环段，第一圆环段、第二圆环段和第三圆环段的圆环直径依次增大，呈阶梯状分布；如图11所示，所述第二镁铝合金连接件108由两部分组成，图11中左侧的为朝向所述第一内环102方向的连接件，图11中右侧的为背离所述第一内环102方向的连接件，两个连接件配合所述第二滚动轴承107将所述第一内环102与所述防撞外框固定连接在一起，所述第一内环102与所述防撞外框101的连接处有两处(结构完全相同)，且以所述横梁104呈中心对称设置。

进一步地，如图5所示，在所述第一内环102与所述防撞外框101的连接处设置有阻尼弹簧109；所述阻尼弹簧109用于缓冲外力对所述第二镁铝合金连接件108的冲击。

如图5所示，所述横梁104与所述第二内环103通过第三镁铝合金连接件110连接，所述横梁104沿所述第三镁铝合金连接件110进行360°旋转，相当于固定在所述横梁104上的所述无人机平台200可以沿着所述横梁104进行360°的旋转，便于拍摄各个角度的图像。

如图12所示，所述第三镁铝合金连接件110与所述第二内环103连接处为阶梯状的圆柱，第一圆柱的直径小于第二圆柱的直径，在第二圆柱的下方为矩形凸出结构，矩形凸出结构包括两个水平凸台，两个水平凸台中间用来放置所述横梁104的一端，再通过螺丝固定，从而将所述横梁104与所述第二内环103固定连接；所述横梁104两端各有一个所述第三镁铝合金连接件110，分别与所述第二内环103固定连接，即所述第而内环103与所述横梁104连接处有两处(结构完全相同)，且以所述横梁104呈中心对称设置。

其中，所述第一镁铝合金连接件106、所述第二镁铝合金连接件108以及所述第三镁铝合金连接件110均是通过cnc加工而成。

进一步地，如图7所示，表示的是所述横梁104，所述横梁104中间为镂空(镂空形状为正方形)的矩形框，矩形框的两端是对称设置(以矩形框的中心对称)的两根直板，每根直板与所述第三镁铝合金连接件110连接的地方均设置有两个开孔，便于通过锚固件将所述横梁104和所述所述第三镁铝合金连接件110固定。

所述防撞外框101整个将所述无人机平台200(如图6所示，即表示无人机平台，此处无人机平台为无人机本体，即除去外框的无人机)完全包裹，所述无人机平台200则固定安装在中间横梁104的中心位置，以保证重心的稳定，横梁104与第二内环103连接，可沿所述第三镁铝合金连接件110进行360°旋转。

进一步地，如图1和图2所示，所述防撞外框的形状为足球状，即通过所述多自由度无人机外框100的所述防撞外框101包裹后的无人机的整个形状就是一个足球的形状，与足球一样由12个五边形和20个六边形组成，即所述防撞外框的外形由12个五边形和20个六边形组成，多边形的边即高强度碳纤维棒111，多边形通过三通连接件、四通连接件或者五通连接件组成，本发明中，所述防撞外框101包括50个三通连接件112、10个四通连接件113和2个五通连接件114。

进一步地，所述无人机平台200为采用碳纤机架的无人机平台，即无人机平台为了尽量减轻质量采用了简洁的碳纤机架，直接用碳纤维板切割而成，无刷电机、电调、飞控、图传、gps、电池等组件可直接安装在的机架的相应位置，然后固定到横梁104的中心位置即可，主要配件的选择参考依据主要包括续航时间、最大升力以及外观尺寸大小等。

进一步地，所述多传感器集成采集系统包括多个传感器、同步控制器和微处理器，并且可根据实际需求进行搭配组合，所述多传感器集成采集系统设置在所述无人机平台200内。其中，所述多传感器集成采集系统中的多个传感器包括：用于测量物体的加速度和角速度的惯性测量单元、用于获取图像和视频资料的可见光相机、用于感知物体辐射的热量以获取环境的热成像资料的红外相机和获取环境的三维信息的单线激光扫描仪。具体地，惯性测量单元包含一个三轴加速度计和一个三轴陀螺仪，可固定在移动平台上，能够测量物体的加速度和角速度；可见光相机即无人机上挂载的普通相机，可获取图像和视频资料；红外相机可感知物体辐射的热量，可以获取环境的热成像资料；单线激光扫描仪即只有一个激光发射源的激光扫描仪，可获取环境的三维信息。

如图14所示，其中，时钟源为同步控制器和微处理器提供运行的时钟节拍(即基准频率，可在此时钟的基础上通过pll倍频或分频)，多个传感器(例如传感器1、传感器2、传感器3、……、传感器n)通过接口转换电路将信号转换为同步控制器可以识别的电平标准，通过同步控制器触发多个传感器数据同步采集，并以时间为标志将多传感器数据进行关联，然后按照既定格式(格式为用户自定义的通常包含帧头、功能字、数据位、校验位、帧尾等)打包上传至微处理器进行解析和简单预处理后存储到存储设备中，在测量采集任务结束后可通过usb、千兆网等有线方式或者wifi等无线方式通过微处理器访问存储设备将数据下载至本地。

进一步地，本发明中采用fpga作为同步控制器，fpga由于其为并行特性、灵活性高且硬件可重构，因此可根据不同的应用去编辑硬件，被广泛用于多传感器同步、智能互联系统等领域。不仅逻辑资源丰富而且具有很强的价格优势，静态功耗也相对上代cycloneiv系列产品降低了50％，专用接口资源也十分丰富，完全能满足当前的任务需求。fpga以高精度的温补晶振(tcxo)为时间基准，同步触发多个传感器数据采集，然后进行同步采集并按既定协议打包，然后上传至微处理器进行解析存储或简单预处理后，再写入约定格式的文件中，最后写入存储设备中。

进一步地，如图15所示，本发明中微处理器采用的是nxp的i.mx8mini系列嵌入式多核应用处理器，它包含4个cortex-a53内核平台和1个cortex-m4内核平台，支持linux,android,windows10iot等多种操作系统以及freertos实时操作系统。同时它还集成了usb2.0控制器和千兆网接口以及pcie2.0x1通道，支持ddr4、emmc、flash等多种存储设备。能较好的胜任本系统的任务需求。

惯性测量单元(imu)一般为rs-422接口，需要经过电平转换电路将rs-422电平转换为fpga可识别的lvttl电平，相机模组(camera)一般为usb接口或者以太网接口，单线激光雷达(lidar)一般为usb口或以太网接口，一般imu数据接口的通信速率较高，常见的为460800bp或921600bps，而微处理器的硬件串口通常不支持这么高的波特率，而usb、以太网此类接口用硬件描述语言实现起来相对复杂，本系统采用的同步方案是由fpga做传感器的同步控制器，首先根据任务需要设定满足要求的数据更新速率，生成相应频率的同步触发信号，触发多传感器的数据采集。惯性测量单元数据接口通过电平转换电路直接与fpga连接，相机模组则通过usb接口与微处理器连接，激光雷达通过以太网口与微处理器连接。上电启动后微处理器中的采集程序自启动，然后向fpga发送同步指令，fpga收到指令触发传感器的同步采集，然后按既定程序将imu的数据打上时间戳上传至微处理器，同时微处理器通过三个线程分别记录相机、激光雷达的数据以及解析fpga打包上传的imu数据，最后将数据写入约定格式的文件中存入内存卡中。然后用wifi通过ssh协议访问嵌入式处理器或直接使用数据线与嵌入式处理相连，将数据下载到本地。

进一步地，如图16所示，本发明还提供一种基于所述安全防撞的无人机的数据采集方法，所述数据采集方法包括：

步骤s10，多个传感器通过接口转换电路将信号转换为同步控制器可识别的电平标准，通过同步控制器生成的同步触发信号触发多个传感器进行数据同步采集，并以时间为标志将多个传感器的数据进行关联；

步骤s20，按照既定格式打包上传至微处理器进行解析和预处理后，存储到存储设备中，在无人机测量采集任务结束后使用个人电脑通过数据线或wifi访问存储设备将数据下载至本地。

本发明中，防撞外框具有xyz轴三个方向的旋转自由度，可迅速将碰撞外力释放；足球状的结构有效保证了结构强度；碳纤维材料有效减轻了结构重量，同时也间接的增加了有效载荷和续航时间。现有的物理防撞措施大多为局部防撞，如桨叶保护罩等或者与机体刚性连接的全包保护罩，当发生碰撞时飞机姿态很难保持稳定，所以实际使用中加装此类保护装置的无人机仍然无法做到对检测目标的贴近飞行，而本发明加装全向防撞保护框后即可实现贴近飞行。

另外，本发明使用fpga+mpu组合的多传感器同步方案，充分发挥了fpga的灵活性、并行性和mpu外设接口丰富的特点，有效保障了多传感器数据时间序列的严格对齐，为多传感器数据的融合提供了可能。现有多传感器同步方案多采用mcu，虽然大部分mcu均采用的哈佛结构，极大的提升了程序的执行效率，但由于其主频偏低而且存在指令周期，虽然可通过实时操作系统进行任务调度，很大程度上提升其实时性，但依然无法满足高动态条件下的数据实时性要求。采用mpu的方案，一般使用linux或者android等非实时操作系统，mpu的主频一般较高，但一般为arm或者x86架构，使用复杂指令集，即使可通过编程实现多线程任务，但其时序控制能力弱，存在诸多未知性。而纯fpga的方案优势固然是十分突出，fpga的时序控制能力十分强，可以做到各类延迟的最优化，但完全采用fpga则需要的大量的逻辑资源，成本昂贵；因此，综合各方优势选择了小规模fpga与多核mpu组合的方案，兼顾了fpga与mpu各自的优势，有助于无人机获取更加精准的时空数据；具有可靠性好，精度高、成本低额优势。

综上所述，本发明提供一种安全防撞的无人机及数据采集方法，所述安全防撞的无人机包括：多自由度无人机外框、无人机平台和多传感器集成采集系统；所述多自由度无人机外框由防撞外框、两个可旋转的环状结构和横梁组成；所述防撞外框用于将所述无人机平台完全包覆；所述无人机平台安装在所述横梁的中心位置；所述两个可旋转的环状结构分别为第一内环和第二内环；所述第一内环和所述第二内环通过第一滚动轴承和第一镁铝合金连接件连接；所述第一内环与所述防撞外框通过第二滚动轴承和第二镁铝合金连接件连接，并且在所述第一内环与所述防撞外框的连接处设置有阻尼弹簧；所述阻尼弹簧用于缓冲外力对所述第二镁铝合金连接件的冲击；所述横梁与所述第二内环通过第三镁铝合金连接件连接，所述横梁沿所述第三镁铝合金连接件进行360°旋转；所述多传感器集成采集系统包括多个传感器、同步控制器和微处理器，所述多传感器集成采集系统设置在所述无人机平台内。本发明的无人机具有特殊结构的全向防撞外框，可迅速将碰撞外力释放，足球状的结构设计有效保证了结构强度，采用碳纤维材料有效减轻了结构重量，同时也间接的增加了有效载荷和续航时间；另外，本发明的数据采集方法充分利用了fpga的可重构和并行特性以及微处理器基于指令架构且接口丰富的特点，具有可靠性高、精度高、成本低的优势。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。