一种具有避障功能的无人机系统

1.本发明属于无人机领域，涉及无人驾驶飞机技术，具体提供一种具有避障功能的无人机系统。


背景技术：

2.无人驾驶飞机简称“无人机”，是利用无线电遥控设备和自备程序控制装置操纵的不载人飞机，机上无驾驶舱，但安装有自动驾驶仪、程序控制装置等设备，地面、舰艇或母机遥控站人员通过雷达等设备对其进行跟踪、定位、遥控、遥测和数字传输。无人机在无线电遥控下可以像普通飞机一样起飞或用助推火箭发射升空，也可由母机带到空中投放飞行；回收时，可用与普通飞机着陆过程一样的方式自动着陆，也可通过遥控用降落伞或拦网回收，可反复使用多次；广泛用于空中侦察、监视、通信、反潜和电子干扰等领域。
3.无人机在不同的应用场景中具有不同的避障需求，例如，在工程场地进行巡检时，需要与建筑主体维持着特殊距离或者角度，以避免可能的碰撞；在隧道等昏暗的场地，需要能主动避开原有障碍物，甚至要能快速躲避飞行动物，才能在视线不明的情况下完成巡检任务；在巡视铁塔时，须能够避开微细的电线，以避免被细微物缠绕而导致危险；在编队表演时，防止编队中的无人机碰撞。完美的避障系统需要同时适应不同应用场景，降低事故发生率，因此，避障技术成为无人机发展里的重要议题。
[0004]“测距”作为无人机避障的基础，只要无人机能够准确测量与障碍物之间的距离，就能够在撞向障碍物之前停止前进。目前，无人机避障系统主要有以下方式：超声波避障技术、红外避障技术、视觉避障技术和激光避障技术，其中，激光避障技术应用最为广泛。激光避障技术具体为通过控制激光透过光线折返的时间计算与物体之间的距离，进而得出3d景深图，其优点在于探测距离远、扫描速度快、精度高、抗光干扰性佳；但是，现有激光避障设备重量较大、场视角有限，无法同时探测无人机水平飞行方向、顶部与底部障碍物，若同时配置多部激光避障设备，又将造成无人机自重显著增大，进而提高无人制造的技术难度、生产成本及维护保养成本。


技术实现要素：

[0005]
本发明的目的在于针对现有技术存在的诸多问题，提供一种具有避障功能的无人机系统，通过水平扫描件、顶部扫描件和底部扫描件合理设计和配合，使得设置一部激光避障设备即可探测无人机水平飞行方向、顶部与底部的障碍物。
[0006]
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种具有避障功能的无人机系统，包括：飞控件与扫描成像避障件，所述飞控件包括：机身与飞行动力件，所述飞行动力件为机身提供动力，所述机身包括：机壳与支撑件；所述扫描成像避障件设置于机身上，包括：水平扫描件、顶部扫描件、底部扫描件、中继动力件与控制器，其中，水平扫描件对水平飞行周向进行障碍物探测，顶部扫描件通过中继动力件将水平扫描件的部分探测光束中继转向飞行动力件上方进行障碍物探测，底部扫描件通过
中继动力件将水平扫描件的部分探测光束中继转向机身下方进行障碍物探测，控制器用于控制水平扫描件、顶部扫描件、底部扫描件及中继动力件实现障碍物探测与躲避。
[0007]
优选的，所述支撑件包括：n个支撑子件，n≥3；n个支撑子件沿机壳外壁周向均匀分布、且位于同一水平面上，每个支撑子件包括：支撑固定管与支撑腿，支撑固定管水平固定设置于机壳外壁上，支撑固定管的内壁设置有第一螺旋槽与滑块，第一螺旋槽内固定嵌装有磁力线圈；支撑腿呈直角杆状，支撑腿的水平段嵌装于支撑固定管内、且外壁设置有第二螺旋槽；磁力线圈通入直流电后产生磁场推动支撑腿沿支撑固定管的轴线往复移动，同时第二螺旋槽与滑块配合使得支撑腿围绕支撑固定管的轴线周向转动，实现支撑腿竖直段的收起与释放。
[0008]
优选的，所述飞行动力件包括：传动轴、旋翼桨叶与飞行电机，所述飞行电机设置于机壳内，所述传动轴呈管状、且轴线与机壳的中心轴重合，传动轴底端连接飞行电机，传动轴顶端穿过机壳后固定设置旋翼桨叶，飞行电机通过传动轴带动旋翼桨叶为机身提供动力。
[0009]
优选的，所述水平扫描件包括：扫描支撑板、扫描传动管、水平扫描电机、激光发射接收器，所述扫描支撑板水平固定套装在机壳外壁上，所述扫描传动管套装在机壳外、且位于扫描支撑板上，扫描传动管内壁周向设置有内轮齿，所述水平扫描电机固定设置在机壳的内壁上，水平扫描电机的转轴上设置有外轮齿，所述外轮齿穿过机壳侧壁后与内轮齿啮合，使得水平扫描电机带动扫描传动管在扫描支撑板上与机壳发生相对周向旋转，所述激光发射接收器固定设置在扫描传动管的外壁上实施障碍物探测。
[0010]
优选的，所述中继动力件包括：中心中继管、中继软管、中继电机、中继蜗杆与中继蜗轮，所述中心中继管设置于机壳内、且轴线与机壳的中心轴重合，所述中继电机设置于机壳内，所述中继蜗杆设置于中继电机的转轴上，所述中继蜗轮固定套装在中心中继管的外壁上、且与中继蜗杆啮合，使得中继电机带动中心中继管旋转；中心中继管的底端贯穿机壳的底端面，中心中继管的顶端固定嵌装中继软管，所述中继软管的自由端穿过飞行动力件的传动轴，中继软管随中心中继管旋转、且于传动轴内自由旋转。
[0011]
优选的，所述顶部扫描件包括：顶部中继管、顶部激光发射接收镜与顶部中继光纤，所述顶部中继管呈直角管状，顶部中继管的水平段位于机壳的下方、且通过中继轴与中心中继管固定连接，顶部中继管的竖直段内侧设置有第一托板，顶部中继管通过第一托板挂置在扫描支撑板上、且随中心中继管旋转而与机壳发生相对周向旋转；所述顶部中继光纤嵌装在顶部中继管内、且依次穿过中心中继管与中继软管，所述顶部激光发射接收镜设置于中继软管自由端的端面上；所述顶部中继管的竖直段内固定嵌装有第一发射中继透镜与第一接收中继透镜、且第一发射中继透镜与第一接收中继透镜分别对应激光发射接收器的发射口与接收口设置，使得激光发射接收器的发射口发出的发射激光经第一发射中继透镜折射后进入顶部中继光纤，经过顶部中继光纤后通过顶部激光发射接收镜向机壳上方发射，同时，顶部激光发射接收镜接收经障碍物的反射激光，反射激光经过顶部中继光纤后通过第一接收中继透镜进入激光发射接收器的接收口。
[0012]
优选的，所述底部扫描件包括：底部中继管、底部激光发射接收镜与底部中继光纤，所述底部中继管呈直角管状，底部中继管的水平段位于机壳的下方、且通过中继轴与顶部中继管固定连接，底部中继管的竖直段内侧设置有第二托板，底部中继管通过第二托板
挂置在扫描支撑板上、且随中心中继管旋转而与机壳发生相对周向旋转，第二托板与第一托板于扫描支撑板上沿圆周均匀分布；所述底部中继光纤嵌装在底部中继管内，所述底部激光发射接收镜设置于底部中继管的水平段外侧；所述底部中继管的竖直段内固定嵌装有第二发射中继透镜与第二接收中继透镜、且第二发射中继透镜与第二接收中继透镜分别对应激光发射接收器的发射口与接收口设置，使得激光发射接收器的发射口发出的发射激光经第二发射中继透镜折射后进入底部中继光纤，经过底部中继光纤后通过底部激光发射接收镜向机壳下方发射，同时，底部激光发射接收镜接收经障碍物的反射激光，反射激光经过底部中继光纤后通过第二接收中继透镜进入激光发射接收器的接收口。
[0013]
进一步优选的，中心中继管的旋转方向与扫描传动管的旋转方向相同、且与飞行动力件的旋转方向相反，并且中心中继管的旋转速度与扫描传动管的旋转速度不同。
[0014]
基于上述技术方案，本发明的有益效果在于：1）本发明具有避障功能的无人机系统结构设计合理、结构简洁、障碍物探测精度高、探测距离远、抗光干扰性强、重量轻、运行可靠性高、制造和维护保养成本低；2）本发明具有避障功能的无人机系统设置了飞控件和扫描成像避障件，飞控件采用单旋翼飞行动力系统，显著降低整机制造工艺复杂度、制造成本和维护保养成本，提高整机飞行可靠性，并且通过扫描成像避障件的反向旋转以抵消所述飞控件的旋翼桨叶旋转时对机壳产生的扭矩，提高整机的飞行稳定性；3）本发明具有避障功能的无人机系统的扫描成像避障件中设置了水平扫描件、顶部扫描件和底部扫描件，水平扫描件在机壳上对水平飞行周向进行障碍物探测，顶部扫描件在水平扫描件上将水平扫描件的部分探测光束转向至旋翼桨叶上方进行顶部障碍物探测，底部扫描件在水平扫描件上将水平扫描件的部分探测光束转向至机壳下方进行底部障碍物探测，通过所述结构设计，本发明仅使用一套激光避障探测系统即可实现无人机系统水平飞行周向、顶部与底部的障碍物探测，有效降低了整机重量、制造和维护保养成本。
附图说明
[0015]
图1为本发明中具有避障功能的无人机系统的主视结构示意图；图2为本发明中具有避障功能的无人机系统的俯视立体结构示意图；图3为本发明中具有避障功能的无人机系统的仰视立体结构示意图；图4为本发明中具有避障功能的无人机系统的俯视结构示意图；图5为本发明中具有避障功能的无人机系统的剖视立体结构示意图；图6为本发明中具有避障功能的无人机系统中支撑子件的结构示意图；其中：1为机壳，1-1为分隔板，1-2为飞控腔，1-3为避障腔；2为支撑子件，2-1为支撑固定管，2-2为支撑腿；3为传动轴，4为旋翼桨叶，5为飞行电机，6为扫描支撑板，7为扫描传动管，8为水平扫描电机，9为激光发射接收器，11为中心中继管，12为中继软管，13为中继电机，14为中继蜗杆，15为中继蜗轮，16为顶部中继管，16-1为第一托板，17为顶部激光发射接收镜，18为底部中继管，18-1为第二托板，19为底部激光发射接收镜。
具体实施方式
[0016]
为使本发明的目的、技术方案与有益效果更加清楚明白，下面结合附图和实施例
对本发明作进一步详细说明。
[0017]
本实施例提供一种具有避障功能的无人机系统，其结构如图1~图6所示，包括：飞控件与扫描成像避障件；具体为：所述飞控件包括：机身与飞行动力件；所述机身包括：机壳1与支撑件，所述机壳1呈圆筒状、且顶端面与底端面封闭，机壳1内腔中设置有分隔板1-1，所述分隔板1-1将机壳1内腔分隔为飞控腔1-2与避障腔1-3、且飞控腔1-2位于避障腔1-3的上方；所述分隔板1-1也用于增加飞控和避障控制元件密封性，以提高整机的防水和防尘性能；所述支撑件包括：n个支撑子件2，n≥3；n个支撑子件2沿机壳1外壁周向均匀分布、且位于同一水平面上，每个支撑子件2包括：支撑固定管2-1与支撑腿2-2，支撑固定管2-1水平固定设置于机壳1外壁上，支撑固定管2-1的内壁设置有第一螺旋槽与滑块，第一螺旋槽内固定嵌装有磁力线圈；支撑腿2-2呈直角杆状，支撑腿2-2的水平段嵌装于支撑固定管2-1内、且外壁设置有第二螺旋槽；磁力线圈通入直流电后产生磁场推动支撑腿2-2沿支撑固定管2-1的轴线往复移动，同时第二螺旋槽与滑块配合使得支撑腿2-2围绕支撑固定管2-1的轴线周向转动，实现支撑腿2-2竖直段的收起与释放，进而实现支撑件对无人机系统的支撑，当无人机系统处于飞行状态时，支撑腿2-2收起，以便于扫描成像避障件对水平飞行方向的环境进行扫描成像和避障，当无人机系统处于停靠状态时，支撑腿2-2释放，以实现无人机系统着陆；所述飞行动力件包括：传动轴3、旋翼桨叶4与飞行电机5，所述飞行电机5设置于飞行腔1-2中、且位于分隔板1-1上，所述传动轴3呈管状、且轴线与机壳1的中心轴重合，传动轴3底端连接飞行电机5，传动轴3顶端穿过机壳1顶端面后固定设置旋翼桨叶4，使得飞行电机5通过传动轴带动旋翼桨叶4转动，实现无人机系统的飞行功能；所述飞行动力件采用单旋翼式动力系统，以显著降低整机制造成本和维护保养成本，提高整机飞行可靠性；并且通过扫描成像避障件的反向旋转能够抵消所述旋翼桨叶4旋转时对机壳1产生的扭矩，有效提高整机的飞行稳定性；所述扫描成像避障件包括：水平扫描件、顶部扫描件、底部扫描件、中继动力件与控制器；所述水平扫描件包括：扫描支撑板6、扫描传动管7、水平扫描电机8、激光发射接收器9，所述扫描支撑板6呈圆环板状，扫描支撑板6水平固定套装在机壳1的外壁上，所述扫描传动管7套装在机壳1外、且位于扫描支撑板6上，扫描传动管7与扫描支撑板6之间设置第一推力球轴承（第一推力球轴承一端面与扫描传动管对应端面固定连接，另一端面与扫描支撑板6对应端面固定连接），使得扫描传动管7通过第一推力球轴承在扫描支撑板6上与机壳1发生相对周向旋转；所述扫描传动管7内壁周向设置有内轮齿，所述水平扫描电机8固定设置在机壳1的内壁上、且位于避障腔1-3中，并且水平扫描电机8的转轴上设置有外轮齿，所述外轮齿穿过机壳1外壁后与内轮齿啮合，使得水平扫描电机8带动外轮齿转动时，通过内轮齿带动扫描传动管7围绕机壳1旋转、且旋转方向与旋翼桨叶4的旋转方向相反，以抵消一部分旋翼桨叶4旋转时对机壳1产生的扭矩，以防止机壳1发生自转；所述激光发射接收器9固定设置在扫描传动管7的外壁上，使得激光发射接收器9随扫描传动管7转动；
进一步的，所述激光发射接收器9的数量为两个，两个激光发射接收器9沿扫描传动管7周向均匀分布；作为另一种选择，所述激光发射接收器9的数量为一个，则对应配置一个配重块，激光发射接收器9与配重块沿扫描传动管7周向均匀分布，以提高扫描传动管7转动时的稳定性；更进一步的，所述激光发射接收器9的垂直视场角大于90度，使得激光发射接收器9随扫描传动管7转动时对无人机系统的周围进行扫描探测障碍物，以实现水平飞行过程中及时避障；所述中继动力件包括：中心中继管11、中继软管12、中继电机13、中继蜗杆14与中继蜗轮15，所述中心中继管11设置于避障腔1-3中、且轴线与机壳1的中心轴重合，所述中继电机13设置于避障腔1-3中、且位于机壳1的底端面上，所述中继蜗杆14设置于中继电机13的转轴上，所述中继蜗轮15固定套装在中心中继管11的外壁上、且与中继蜗杆14啮合，使得中继电机13通过中继蜗杆14与中继蜗轮15带动中心中继管11旋转；中心中继管11的底端贯穿机壳1的底端面，中心中继管11的顶端固定嵌装中继软管12，所述中继软管12的自由端穿过传动轴3，中继软管12随中心中继管11旋转、且于传动轴3内自由旋转；所述中继软管12与传动轴3之间做密封处理；所述顶部扫描件包括：顶部中继管16、顶部激光发射接收镜17与顶部中继光纤，所述顶部中继管16呈直角管状，顶部中继管16的水平段位于机壳1的下方、且通过中继轴与中心中继管11固定连接，顶部中继管16的竖直段内侧（面向机壳一侧）设置有第一托板16-1，顶部中继管16通过第一托板16-1挂置在扫描支撑板6上，第一托板16-1与扫描支撑板6之间设置第二推力球轴承（第二推力球轴承一端面与第一托板16-1对应端面固定连接，另一端面与扫描支撑板对应端面固定连接），使得顶部中继管通过第二推力球轴承在扫描支撑板6上随中心中继管11旋转而与机壳1发生相对周向旋转；所述顶部中继光纤嵌装在顶部中继管16内、且依次穿过中心中继管11与中继软管12，所述顶部激光发射接收镜17设置于中继软管12自由端的端面上；所述顶部中继管16的竖直段内固定嵌装有第一发射中继透镜与第一接收中继透镜、且第一发射中继透镜与第一接收中继透镜分别对应激光发射接收器9的发射口与接收口设置，使得激光发射接收器9的发射口发出的发射激光经第一发射中继透镜折射后进入顶部中继光纤，经过顶部中继光纤后通过顶部激光发射接收镜17向旋翼桨叶4上方发射，同时，顶部激光发射接收镜17接收经障碍物的反射激光，反射激光经过顶部中继光纤后通过第一接收中继透镜进入激光发射接收器9的接收口；由于所述顶部激光发射接收镜17向旋翼桨叶4上方发射激光呈扇形分布，因此，旋转的所述顶部激光发射接收镜17能够对旋翼桨叶4上方进行面状扫描，以及时探测旋翼桨叶上方的障碍物；进一步的，顶部中继管16的旋转方向与旋翼桨叶4的旋转方向相反，并且顶部中继管16的旋转速度与扫描传动管7的旋转速度不同，进而使顶部中继管16内嵌装的第一发射中继透镜、第一接收中继透镜能够与激光发射接收器9沿径向线重合，以中继传输发射激光与反射激光；例如，顶部中继管的转速为10r/s，扫描传动管转速为1r/s，所述顶部中继管在旋转过程中总能追上激光发射接收器，追上后第一发射中继透镜、第一接收中继透镜与激光发射接收器9沿径向线重合，通过调整两者的转速差，能够调整径向重合次数；所述底部扫描件包括：底部中继管18、底部激光发射接收镜19与底部中继光纤，所述底部中继管18呈直角管状，底部中继管18的水平段位于机壳1的下方、且通过中继轴与顶部中继管16固定连接，底部中继管18的竖直段内侧（面向机壳一侧）设置有第二托板18-1，
底部中继管18通过第二托板18-1挂置在扫描支撑板6上、且第二托板18-1与第一托板16-1于扫描支撑板6上沿圆周均匀分布，第二托板18-1与扫描支撑板6之间通过第二推力球轴承连接（第二推力球轴承一端面与第二托板18-1对应端面固定连接，另一端面与扫描支撑板对应端面固定连接），使得底部中继管18通过第二推力球轴承在扫描支撑板6上随中心中继管11旋转而与机壳1发生相对周向旋转；所述底部中继光纤嵌装在底部中继管18内，所述底部激光发射接收镜19设置于底部中继管18的水平段外侧（背向机壳一侧）；所述底部中继管18的竖直段内固定嵌装有第二发射中继透镜与第二接收中继透镜、且第二发射中继透镜与第二接收中继透镜分别对应激光发射接收器9的发射口与接收口设置，使得激光发射接收器9的发射口发出的发射激光经第二发射中继透镜折射后进入底部中继光纤，经过底部中继光纤后通过底部激光发射接收镜19向机壳1下方发射，同时，底部激光发射接收镜19接收经障碍物的反射激光，反射激光经过底部中继光纤后通过第二接收中继透镜进入激光发射接收器9的接收口；同理，由于所述底部激光发射接收镜19向机壳1下方发射激光呈扇形分布，因此，旋转的所述底部激光发射接收镜19能够对机壳1下方进行面状扫描，以及时探测机壳1下方的障碍物；所述控制器设置于飞控腔1-2中、且位于分隔板1-1上，控制器用于控制激光发射接收器9发出发射激光、并根据反射激光信号生成障碍物的3d景深图，进而控制飞行动力件中的飞行电机5、扫描成像避障件的水平扫描电机8与中继电机13实现避障；具体而言：沿同一方向周向旋转的顶部中继管16、底部中继管18以及激光发射接收器9对机壳1作用的扭矩与旋翼桨叶4对机壳1的扭矩相互抵消，以提高所述机壳1稳定性；同时，当无人机系统需要转弯时，只需通过水平扫描电机8或中继电机13调整激光发射接收器9或者顶部中继管16、底部中继管18的转速，通过改变顶部中继管16、底部中继管18以及激光发射接收器9对机壳1作用的扭矩与旋翼桨叶4对机壳1的扭矩差值来实现转弯，所述中继软管12能够满足无人机系统向前与向后飞行过程中对顶部中继光纤的弯曲需求。
[0018]
进一步的，所述机壳1外壁上还设置有带有云台的摄像头，所述摄像头用于完成拍摄任务。
[0019]
更进一步的，所述具有避障功能的无人机系统进行避障的具体过程为：1）控制器按照预定程序控制飞行动力件转动，同时控制顶部中继管16、底部中继管18与激光发射接收器9反向转动，以带动机身（机壳）按照预定轨迹起飞；2）机身起飞的同时，控制器控制每个支撑子件2收起支撑腿2-2；3）控制器按照预定程序通过激光发射接收器9向周围发射探测激光，并且同时接收经障碍物反射回来的反射激光，以形成机身（机壳）水平飞行周向的3d景深图；4）由于顶部中继管16和底部中继管18的转速与激光放射接收器转速具有转速差，使得顶部中继管16内嵌装的第一发射中继透镜、第一接收中继透镜按照预定频率与激光发射接收器9沿径向线重合，以中继传输激光发射接收器9的发射激光与反射激光，以形成机身（机壳）顶部的3d景深图；5）底部中继管18内嵌装的第二发射中继透镜、第二接收中继透镜按照预定频率与激光发射接收器9沿径向线重合，以中继传输激光发射接收器9的发射激光与反射激光，以形成机身（机壳）底部的3d景深图；6）所述控制器根据水平飞行周向的3d景深图、顶部的3d景深图与底部的3d景深图
控制飞行动力件避障飞行。
[0020]
综上所述，本发明提供的具有避障功能的无人机系统结构设计合理、结构简洁、障碍物探测精度高、探测距离远、抗光干扰性强、重量轻、运行可靠性高、制造和维护保养成本低；本发明设置了飞控件和扫描成像避障件，飞控件采用单旋翼飞行动力系统，显著降低整机制造工艺复杂度、制造成本和维护保养成本，提高整机飞行可靠性，并且通过扫描成像避障件的反向旋转以抵消飞控件的旋翼桨叶旋转时对机壳产生的扭矩，提高整机的飞行稳定性。进一步的，本发明的扫描成像避障件中设置了水平扫描件、顶部扫描件和底部扫描件，水平扫描件在机壳上对水平飞行周向进行障碍物探测，顶部扫描件在水平扫描件上将部分探测光束转向至旋翼桨叶上方进行顶部障碍物探测，底部扫描件在水平扫描件上将部分探测光束转向至机壳下方进行底部障碍物探测，通过所述结构设计，本发明仅使用一套激光避障探测系统即可实现无人机系统水平飞行周向、顶部与底部的障碍物探测，有效降低了整机重量、制造和维护保养成本。
[0021]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。