本發(fā)明涉及一種用于社區(qū)安防的無人機(jī)。

背景技術(shù)：

當(dāng)今社會(huì)，居民對(duì)社區(qū)安全的要求越來越高，二十四小時(shí)不間斷巡邏成為新的必不可少的需求，將無人機(jī)用于社區(qū)安防是無人機(jī)一個(gè)非常巨大的應(yīng)用前景。目前社區(qū)現(xiàn)有的安防監(jiān)控系統(tǒng)以固定攝像機(jī)監(jiān)控與安保人員隨機(jī)巡邏為主，攝像機(jī)通過無線或者有線的方式將視頻傳回監(jiān)控室。社區(qū)巡邏人員根據(jù)攝像頭收集的信息選擇要巡邏的路線。目前有學(xué)者研究將無人機(jī)用于視頻監(jiān)控領(lǐng)域?；驹硎菍z像頭安裝在飛行器上，通過射頻信號(hào)傳回視頻信息，安保人員通過觀看視頻并利用遙控器控制飛行器的運(yùn)動(dòng)軌跡，其最大弊端在于飛行時(shí)間太短，無法實(shí)現(xiàn)對(duì)社區(qū)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是一種將智能升降平臺(tái)與改進(jìn)型無人機(jī)相結(jié)合的新型用于社區(qū)安防無人機(jī)系統(tǒng)。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是提供了一種社區(qū)安防無人機(jī)，其特征在于，包括無人機(jī)和與搭載無人機(jī)的智能升降平臺(tái)，智能升降平臺(tái)搭載全新質(zhì)子交換膜燃料電池給降落其上的無人機(jī)充電，無人機(jī)在飛行過程中，采用視覺方法進(jìn)行導(dǎo)航，具體包括以下步驟：

利用搭載在無人機(jī)上的攝像頭實(shí)時(shí)獲取視頻圖像，對(duì)視頻流中每幀圖像進(jìn)行圖像校正后，使用FAST特征檢測算法提取視頻流中當(dāng)前一幀圖像的特征，并在下一幀圖像中采用KLT算法進(jìn)行特征匹配，根據(jù)已匹配的特征點(diǎn)構(gòu)建光流場，然后估計(jì)無人機(jī)上攝像頭的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，并進(jìn)行里程推算，并周期地更新姿態(tài)與參考幀。

優(yōu)選地，所述無人機(jī)采用基于圖像識(shí)別與處理的原理實(shí)現(xiàn)在所述智能升降平臺(tái)上的自動(dòng)著陸，自動(dòng)著陸時(shí)，首先要通過計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)對(duì)相應(yīng)的引導(dǎo)地表進(jìn)行捕獲，并按要求對(duì)獲取的圖像進(jìn)行處理，為特征識(shí)別和姿態(tài)調(diào)整做準(zhǔn)備，通過圖像處理實(shí)現(xiàn)對(duì)所述智能升降平臺(tái)上的著陸特征進(jìn)行識(shí)別，在圖像處理過程中，把實(shí)時(shí)處理速度設(shè)為最優(yōu)級(jí)，同時(shí)，智能升降平臺(tái)利用圖像回傳反饋的位置信息發(fā)出指令對(duì)無人機(jī)的位置進(jìn)行校正，緩慢降落無人機(jī)的高度，直至小于預(yù)定的安全值，暫停電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)使其落地。

優(yōu)選地，所述無人機(jī)包括機(jī)架，在機(jī)架的四個(gè)角部分別設(shè)有一個(gè)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的旋翼，電機(jī)由設(shè)于機(jī)架上的飛控板控制，機(jī)架底部還設(shè)有起落架，由設(shè)于機(jī)架上的電池為飛控板及電機(jī)提供工作電壓。

優(yōu)選地，所述智能升降平臺(tái)包括用于升降所述無人機(jī)的保護(hù)筒，保護(hù)筒中心設(shè)有十字視覺識(shí)別點(diǎn)，在保護(hù)筒的四周設(shè)有圖像攝像機(jī)，保護(hù)筒底部設(shè)有行走輪。

對(duì)于無人機(jī)的續(xù)航問題，目前國內(nèi)商用的無人機(jī)續(xù)航能力一般在15-20分鐘左右，這在一些任務(wù)中會(huì)顯得捉襟見肘，續(xù)航能力成為限制應(yīng)用主要因素，在用于安防社區(qū)的時(shí)候，由于一般要求巡航的時(shí)間稍微有點(diǎn)長，以目前的續(xù)航能力很難滿足更換電池的周期需要。因此更持久的續(xù)航是亟待解決的問題。我們采用車基搭載全新質(zhì)子交換膜燃料電池能給降落其上的鋰電無人機(jī)充電的設(shè)計(jì)，將續(xù)航能力提升到2小時(shí)以上，基本上能能夠滿足社區(qū)的長時(shí)間巡邏需求；而且與無人機(jī)配合的智能升降平臺(tái)的配合能夠進(jìn)一步延長無人機(jī)的續(xù)航時(shí)間，無人機(jī)可以在獨(dú)立的工作更長的時(shí)間。目前無人機(jī)在復(fù)雜環(huán)境中還不能完全自主飛行，而且在高樓林立的小區(qū)里，GPS信號(hào)被完全遮擋，采用一般GPS定位導(dǎo)航的方法將不能使用。我們提出一種新的導(dǎo)航方法，采用全新的視覺方法，這種定位方法不止用于無人機(jī)，同時(shí)也用于搭載無人機(jī)的升降平臺(tái)，在任何區(qū)域甚至是室內(nèi)都能實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的自主導(dǎo)航、自主規(guī)劃路徑，不僅如此，我們的視覺避障功能，自動(dòng)躲避障礙物功能也進(jìn)一步提升了飛行器的性能，滿足社區(qū)內(nèi)安防巡邏的全天候飛行需求。通過無人機(jī)與無人車的相互協(xié)同合作，能夠?qū)崿F(xiàn)在有特殊情況是空中巡航，普通時(shí)間在地上巡邏的比較經(jīng)濟(jì)便捷可行的方案。

由于采用了上述的技術(shù)方案，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下的優(yōu)點(diǎn)和積極效果：本發(fā)明有良好的實(shí)用性，可以在現(xiàn)有的設(shè)備上進(jìn)行改造，無人機(jī)與智能車相互協(xié)同工作，車載大容量燃料電池給停降其上的無人機(jī)充電將有效克服無人機(jī)自帶鋰電電力不足的弊端，無人機(jī)的續(xù)航能力將通過與其協(xié)同工作的的移動(dòng)起降平臺(tái)得到大幅提升。所設(shè)計(jì)的新一代無人機(jī)在社區(qū)安防方面相關(guān)的續(xù)航和導(dǎo)航性能上有了較大的提升，其在社區(qū)安防方面的應(yīng)用前景是非常可觀的。

附圖說明

圖1為多旋翼無人機(jī)的模型示意圖：1是旋翼，2是電池，3是起落架，4是機(jī)架，5是電機(jī)，6是飛控板；

圖2為地面移動(dòng)起降平臺(tái)的模型示意圖：7是行走輪，8是保護(hù)筒，9是十字視覺識(shí)別點(diǎn)，10是圖像攝像機(jī)；

圖3為視覺導(dǎo)航算法實(shí)施框圖；

圖4為自主起降功能中的圖像識(shí)別與處理流程圖；

圖5為自動(dòng)著陸的流程圖；

圖6為整體系統(tǒng)的框架圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解，這些實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明作各種改動(dòng)或修改，這些等價(jià)形式同樣落于本申請所附權(quán)利要求書所限定的范圍。

本發(fā)明提供的一種社區(qū)安防無人機(jī)，包括無人機(jī)和與搭載無人機(jī)的智能升降平臺(tái)。如圖1所示，無人機(jī)包括旋翼1、電池2、起落架3、機(jī)架4、電機(jī)5、飛控板6。

如圖2所示，智能升降平臺(tái)包括行走輪7、保護(hù)筒8、十字視覺識(shí)別點(diǎn)9、圖像攝像機(jī)10。

電池2使用質(zhì)子交換膜燃料電池。其高功率密度、高能量轉(zhuǎn)換效率、可低溫啟動(dòng)、連續(xù)發(fā)電、無電解質(zhì)泄露、可靠性高、低噪音、環(huán)境友好。質(zhì)子交換膜燃料電池適合用于汽車等移動(dòng)設(shè)備。

機(jī)架4由4支力臂、1個(gè)上機(jī)板、1個(gè)下機(jī)板構(gòu)成。4只力臂由于承載4只電機(jī)5，力臂需要克服：電機(jī)5的扭力及重力，其他組件的重力，以及飛行姿態(tài)變換時(shí)的慣性。同時(shí)考慮減輕機(jī)身重量，力臂為三角梁與工字梁結(jié)構(gòu)直臂。上下機(jī)板為剛性十字板，4支力臂分別于兩十字板十字上固定，構(gòu)成以力臂為枝的穩(wěn)定大十字型機(jī)架。為保持無人機(jī)質(zhì)量分布平衡，飛控板6、電池2與其他輔助器材一般安置于機(jī)架4的十字中心。

機(jī)架4使用尼龍材質(zhì)。機(jī)架材料越輕越有利于減輕自重，材料強(qiáng)度越高越有利于動(dòng)力系統(tǒng)輸出強(qiáng)大動(dòng)力，材料韌性好有利于設(shè)備的安裝維護(hù)。碳纖維質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、韌性好，是性能比較理想的機(jī)架材料，尼龍質(zhì)量較輕、強(qiáng)度較強(qiáng)、韌性較好。鋁合金種類繁多，一般密度大于尼龍，強(qiáng)度較尼龍好，韌性較好。在優(yōu)先考慮成本的情況下，選用尼龍材質(zhì)機(jī)架，比較經(jīng)濟(jì)。鑒于成本與性能綜合考慮，采用尼龍材質(zhì)。

電機(jī)5尺寸應(yīng)便于安裝于機(jī)架之上，電機(jī)質(zhì)量、扭力應(yīng)與機(jī)架4匹配。旋翼1半徑應(yīng)小于機(jī)架4十字臂長0.7倍。電機(jī)5與旋翼1產(chǎn)生最大升力應(yīng)大于整機(jī)重量1.5至2倍。電機(jī)5驅(qū)動(dòng)使用分立MOS管，使用串口通信，分別控制四個(gè)電調(diào)。

飛控板6搭載無線通信模塊、六軸陀螺儀、氣壓計(jì)和磁力計(jì)，可實(shí)現(xiàn)固定高度飛行。飛控板6中包含視覺導(dǎo)航算法設(shè)計(jì)。飛控板6根據(jù)攝像頭獲取的圖像進(jìn)行視覺計(jì)算，以及陀螺儀的相應(yīng)數(shù)據(jù)，改變電機(jī)5參數(shù)操控?zé)o人機(jī)。所涉及理論為攝像機(jī)建模，標(biāo)定攝像機(jī)獲取其內(nèi)參。關(guān)鍵幀篩選，相鄰較近的兩幀圖像計(jì)算出的姿態(tài)誤差會(huì)比較大，為此需要確定可以作為運(yùn)動(dòng)估計(jì)的關(guān)鍵幀。特征提取，使用FAST特征檢測算法提取視頻流中每幀圖像的特征，并在下一幀中進(jìn)行特征跟蹤，主要采用KLT算法。根據(jù)已匹配的特征點(diǎn)構(gòu)建光流場，然后估計(jì)攝像機(jī)的姿態(tài)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行里程推算。周期性更新姿態(tài)與關(guān)鍵幀。算法實(shí)施框圖為圖3。

本發(fā)明采用基于圖像識(shí)別與處理的原理實(shí)現(xiàn)飛行器的自動(dòng)著陸。飛行器自動(dòng)著陸首先要通過計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)對(duì)相應(yīng)的引導(dǎo)地表進(jìn)行捕獲，并按要求對(duì)獲取的圖像進(jìn)行處理，為特征識(shí)別和姿態(tài)調(diào)整(粒子群PID算法)做準(zhǔn)備。在圖像處理時(shí)為保證無人機(jī)實(shí)時(shí)判讀及回傳，在盡可能保證圖像精度的情況下，把實(shí)時(shí)處理速度設(shè)為最優(yōu)級(jí)。因此對(duì)攝像機(jī)數(shù)量、著陸圖標(biāo)設(shè)計(jì)、顏色模式和圖像處理算法均需要進(jìn)行優(yōu)化。圖像處理大體有以下幾個(gè)步驟：圖像灰度化處理、高斯采樣閾值分割、降噪濾波、提取智能升降平臺(tái)外部輪廓(智能升降平臺(tái))、邊緣處理、輪廓檢測、輪廓跟蹤。完成這些步驟實(shí)現(xiàn)對(duì)著陸智能升降平臺(tái)的著陸特征準(zhǔn)確識(shí)別。圖像識(shí)別與處理流程圖見圖4。這種模式下，地面控制臺(tái)利用圖像回傳反饋的位置信息發(fā)出指令進(jìn)行位置校正。同時(shí)緩慢降落四旋翼飛行器的高度，直至小于預(yù)定的安全值，暫停電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)使其落地。整個(gè)自動(dòng)著陸的過程流程，如圖5所示。

保護(hù)筒8的前后左右將會(huì)分別嵌入有圖像攝像機(jī)10等，以滿足車載平臺(tái)自身的導(dǎo)航需求和實(shí)時(shí)地面監(jiān)控巡查的功能需求。

十字視覺識(shí)別點(diǎn)9是在起降坪中央位置進(jìn)行的特征色彩處理點(diǎn)，作為精準(zhǔn)降落時(shí)的視覺識(shí)別點(diǎn)。

本發(fā)明基于視覺里程計(jì)算法可以實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的自主導(dǎo)航控制飛行，在本項(xiàng)目的基礎(chǔ)上，通過預(yù)設(shè)定飛行軌跡，運(yùn)用PID算法實(shí)現(xiàn)二次飛行軌跡擬合預(yù)定軌跡可以實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的自主飛行，此設(shè)計(jì)方法還可以用于很多自主飛行機(jī)器人或地面機(jī)器人的路徑規(guī)劃系統(tǒng)。新型起落架的設(shè)計(jì)，以降低起降過程中起落架不穩(wěn)對(duì)整機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性的影響；新型電機(jī)座的設(shè)計(jì)，額外設(shè)計(jì)了微型燃料電池的電池框以增強(qiáng)該高續(xù)航能力四旋翼飛行器的穩(wěn)定性和實(shí)用性，使整機(jī)結(jié)構(gòu)更加完備。通過對(duì)多旋翼飛行姿態(tài)或者狀態(tài)與動(dòng)力供給關(guān)系的分析，及其不同狀態(tài)下飛行器功率要求不同，建立飛行器動(dòng)力輸出模型，與燃料電池輸出特性對(duì)比結(jié)合，控制燃料電池的有效輸出，有望實(shí)現(xiàn)新型飛行器的高效節(jié)能。可分離式的智能地面移動(dòng)飛行系統(tǒng)，通過飛行器停降縮短相對(duì)飛行時(shí)間，并期間對(duì)其充電延長絕對(duì)續(xù)航時(shí)間，能夠大幅度提升飛行器的續(xù)航能力，不僅滿足長時(shí)間的巡邏任務(wù)的電力需求，同時(shí)優(yōu)化能源使用方式達(dá)到節(jié)能減排的效果?？煞蛛x式的智能地面移動(dòng)飛行系統(tǒng)，通過飛行器停降縮短相對(duì)飛行時(shí)間，并期間對(duì)其充電延長絕對(duì)續(xù)航時(shí)間，能夠大幅度提升飛行器的續(xù)航能力，不僅滿足長時(shí)間的巡邏任務(wù)的電力需求，同時(shí)優(yōu)化能源使用方式達(dá)到節(jié)能減排的效果。