室內無人機導航方法及無人機的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及無人機技術領域，特別涉及一種室內無人機導航方法及無人機。
【背景技術】
[0002] 現有的無人機中沒有可獨立工作的用于室內定位的微型無人機。并且，目前無人 機采用的導航方法比較傳統，依賴的傳感器類型較多，從而導致無人機的結構和融合算法 都較為復雜。
【發明內容】
[0003] 本發明的目的旨在至少解決所述技術缺陷之一。
[0004] 為此，本發明的目的在于提出一種室內無人機導航方法及無人機，應用較少的傳 感器，實現對室內及無人機相關數據采集，生產成本較低，適合推廣使用。
[0005] 為了實現上述目的，本發明的實施例提供一種室內無人機導航方法，包括如下步 驟：
[0006] 步驟S1，采用三軸陀螺儀測量無人機的角速度，并采用多組超聲波測距傳感器測 量超聲波信號、采用溫度傳感器測量室內的溫度數據；
[0007] 步驟S2,根據所述室內的溫度數據對測量的超聲波信號進行溫度補償；
[0008] 步驟S3,利用溫度補償后的超聲波信號分別計算所述無人機與室內的四壁、天花 板和地板的距離，并根據無人機與室內的四壁、天花板和地板的距離反向定位出所述無人 機的位置；
[0009] 步驟S4,根據所述無人機的角速度，計算所述無人機的姿態角，包括如下步驟：
[0010] 步驟S41，建立機體坐標系和導航坐標系；
[0011] 步驟S42,根據所述無人機的角速度計算所述無人機在所述機體坐標系和導航坐 標系下，機體轉動的旋轉矩陣，并根據所述旋轉矩陣計算所述無人機的飛機姿態矩陣；
[0012] 步驟S43,根據所述飛機姿態矩陣計算所述無人機的飛行姿態角。
[0013] 進一步，所述超聲波測距傳感器為6組，分別安裝于所述無人機上多個固定位置 處。
[0014] 進一步，在所述步驟S42中，所述飛行姿態角為機體按照以下順序轉動時的角度： 繞所述Z軸轉動的角度Φ，繞所述Y軸轉動的角度Θ，繞所述X軸轉動的角度Φ。
[0015] 進一步，在所述步驟S42中，所述旋轉矩陣為（cl，c2, c3)，
[0016] 根據繞z軸轉動Φ角，計算得到
[0017] 根據繞y軸轉動Θ角，計算得到
[0018] 根據繞X軸轉動Φ角，計算得到
[0019] 進一步，在所述步驟S42中，根據所述旋轉矩陣計算所述無人機的飛機姿態矩陣， 包括如下步驟：
[0020] 根據所述旋轉矩陣將參考體系變化至載體系，cnb= c3c2cl ;
[0021] 然后計算所述飛機姿態矩陣Cbn為：
[0023] 進一步，在所述步驟S43中，所述無人機的飛行姿態角分別為：
[0025] 根據本發明實施例的室內無人機導航方法，采用多個方向的超聲波傳感器，可計 算無人機相對于室內四壁、天花板、地板的位置，然后反向定位出無人機在室內的位置。本 發明應用較少的傳感器，實現對室內及無人機相關數據采集，生產成本較低，適合推廣使 用。此外，本發明可以通過測量的無人機的三軸角速度，計算出無人機的飛行姿態角，精確 度高且算法簡單。
[0026] 本發明另一方面實施例還提出一種無人機，包括：電源模塊、電池、電機、電機驅動 模塊、多個超聲波測距傳感器、溫度傳感器、陀螺儀和控制芯片，其中，所述電池與所述電源 模塊、所述電機和所述控制芯片分別相連，所述電機驅動模塊的一端與所述電機相連，另一 端與所述控制芯片的脈沖寬帶調制單元相連，用于在所述脈沖寬帶調制單元輸出的PWM脈 沖信號的控制下驅動所述電機工作；所述多個超聲波傳感器與所述控制芯片的監測端口相 連，用于測量超聲波信號并傳送至所述控制芯片；所述溫度傳感器與所述控制芯片的監測 端口相連，用于測量室內的溫度數據并傳送至所述控制芯片；所述陀螺儀與所述控制芯片 的SPI接口相連，用于測量所述無人機的角速度并傳送至所述控制芯片；所述控制芯片根 據所述室內的溫度數據對測量的超聲波信號進行溫度補償，利用溫度補償后的超聲波信號 分別計算所述無人機與室內的四壁、天花板和地板的距離，并根據無人機與室內的四壁、天 花板和地板的距離反向定位出所述無人機的位置，以及所述控制芯片還用于根據所述無人 機的角速度，計算所述無人機的姿態角，包括：建立機體坐標系和導航坐標系，然后根據所 述無人機的角速度計算所述無人機在所述機體坐標系和導航坐標系下，機體轉動的旋轉矩 陣，并根據所述旋轉矩陣計算所述無人機的飛機姿態矩陣，并根據所述飛機姿態矩陣計算 所述無人機的飛行姿態角。
[0027] 進一步，所述無人機為四旋翼無人機，所述多個超聲波傳感器分別固定于所述四 旋翼無人機的四個機翼和中心位置處。
[0028] 進一步，本發明實施例的無人機還包括：燈光閃爍模塊，所述燈光閃爍模塊與所述 控制芯片相連，用于在所述無人機飛行時發出閃爍光以提示周邊。
[0029] 進一步，本發明實施例的無人機還包括：無線通信模塊，所述無線通信模塊與所述 控制芯片相連，用于與外部的終端設備進行通信交互，以由外部的終端設備遠程控制所述 無人機。
[0030] 根據本發明實施例的無人機，采用多個方向的超聲波傳感器，可計算無人機相對 于室內四壁、天花板、地板的位置，然后反向定位出無人機在室內的位置。本發明應用較少 的傳感器，實現對室內及無人機相關數據采集，生產成本較低，適合推廣使用。此外，本發明 可以通過測量的無人機的三軸角速度，計算出無人機的飛行姿態角，精確度高且算法簡單。
[0031] 本發明附加的方面和優點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變 得明顯，或通過本發明的實踐了解到。
【附圖說明】
[0032] 本發明的上述和/或附加的方面和優點從結合下面附圖對實施例的描述中將變 得明顯和容易理解，其中：
[0033] 圖1為根據本發明實施例的室內無人機導航方法的流程圖；
[0034] 圖2為根據本發明實施例的無人機的結構圖；
[0035] 圖3為根據本發明實施例的無人機的示意圖。
【具體實施方式】
[0036] 下面詳細描述本發明的實施例，實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同 或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描 述的實施例是示例性的，旨在用于解釋本發明，而不能理解為對本發明的限制。
[0037] 如圖1所示，本發明實施例的室內無人機導航方法，包括如下步驟：
[0038] 步驟S1，采用三軸陀螺儀測量無人機的角速度，并采用多組超聲波測距傳感器測 量超聲波信號、采用溫度傳感器測量室內的溫度數據。
[0039] 首先，在采集數據之前，先進行程序初始化與系統自檢。初始化的主要功能是完成 內存分配，各個接口初始化，并對系統自檢。
[0040] 在完成上述初始化和自檢之后，開始采集數據。
[0041] 具體地，采用6組超聲波測距傳感器，分別安裝于無人機上多個固定位置處測量 超聲波信號。采用三軸陀螺儀測量無人機的角速度。采用溫度傳感器測量室內的溫度數據。
[0042] 步驟S2,根據室內的溫度數據對測量的超聲波信號進行溫度補償。
[0043] 在本發明的一個實施例中，超聲波溫度補償的公式為：C = C0+0. 607XT°C。
[0044] 其中，T為測量的溫度數據，C0為測量超聲波信號，C為補償后的超聲波信號。
[0045] 步驟S3,利用溫度補償后的超聲波信號分別計算無人機與室內的四壁、天花板和 地板的距離，并根據無人機與室內的四壁、天花板和地板的距離反向定位出無人機的位置。
[0046] 超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據計時器記錄的時間t，就可以計算出 發射點距障礙物（四壁、天花板和地板）的距離（s)，即：s = 340X At/2。
[0047] 需要說明的是，本發明通過溫度補償后的超聲信號測距，其誤差較小，S = 340X0. 000001/2 = 0· 17mm。
[0048] 然后，根據無人機與室內的四壁、天花板和地板的距離反向定位出無人機在室內 的位置。
[0049] 步驟S4,根據無人機的角速度，計算無人機的姿態角，包括如下步驟：
[0050] 步驟S41，建立機體坐標系和導航坐標系。
[0051] 具體地，坐標系建立如下：機體坐標系定義為：X軸表示橫滾軸，對應前方；Y軸表 示俯仰軸，對應右方；Z軸表示航向，對應下方。導航坐標系定義為北東地坐標系。
[0052] 步驟S42,根據無人機的角速度計算無人機在機體坐標系和導航坐標系下，機體轉 動的旋轉矩陣，并根據旋轉矩陣計算無人機的飛機姿態矩陣。
[0053] 飛行姿態角為機體按照以下順序轉動時的角度：繞Z軸轉動的角度Φ，繞Y軸轉 動的角度Θ，繞X軸轉動的角度Φ。
[0054] 機體轉動按照繞航向軸（Z軸）轉動Φ，俯仰軸（Y軸）轉動Θ，橫滾軸（X軸）轉 動Φ的順序轉動時，旋轉矩陣為（cl，c2, c3)，
[0055] 根據繞z軸轉動Φ角，計算得到
[0056] 根據繞y軸轉動Θ角，計算得到
[0057] 根據繞X軸轉動Φ角，計算得到
[0058] 基于此，根據旋轉矩陣計算無人機的飛機姿態矩陣，包括如下步驟：
[0059] 首先，根據旋轉矩陣將參考體系變化至載體系，
[0060] cnb= c3c2cl ； (4)
[0061] 然后，計算飛機姿態矩陣Cbn為：
[0063] 步驟S43,根據飛機姿態矩陣計算無人機的飛行姿態角。
[0064] 無人機的飛行姿態角分別為：
[0066] 在本發明的一個實施例中，本發明中涉及的無人機可以為四旋翼無人機。
[0067] 根據本發明實施例的室內無人機導航方法，采用多個方向的超聲波傳感器，可計 算無人機相對于室內四壁、天花板、地板的位置，然后反向定位出無人機在室內的位置。本 發明應用較少的傳感器，實現對室內及無人機相關數據采集，生產成本較低，適合推廣使 用。此外，本發明可以通過測量的無人機的三軸角速度，計算出無人機的飛行姿態角，精確 度高且算法簡單。
[0068] 如圖2所示，本發明實施例的無人機包括：電源模塊1、電池2、電機3、電機驅動模 塊4、多個超聲波測距傳感器5、溫度傳感器6、陀螺儀7和控制芯片8。
[0069] 具體地，電池 2與電源模塊1、電機3和控制芯片8分別相連。
[0070] 電機驅