基于双目视觉SLAM的无人机自主导航系统

基于双目视觉slam的无人机自主导航系统
技术领域
1.本实用新型涉及无人机导航技术领域，尤其涉及基于双目视觉slam的无人机自主导航系统。


背景技术：

2.近年来，随着计算机控制技术、计算机视觉技术以及人工智能技术的飞速发展，不仅使得无人机从传统的军事领域逐步融入到民用领域的各个方面，而且在无人机的工作方式上也发生了巨大的变化，从以前传统的手动遥控方式到现在的完全自主化控制方式逐渐过渡。
3.无人机的智能化与自主化发展离不开导航定位技术，传统的导航系统主要采用gps的方式来实现；当无人机进入某些特殊环境作业时，易受到环境的干扰使得gps信号变弱或者完全失效，为此，我们提出基于双目视觉slam的无人机自主导航系统解决上述问题。


技术实现要素：

4.本实用新型提供基于双目视觉slam的无人机自主导航系统，解决了传统的导航系统主要采用gps的方式来实现；当无人机进入某些特殊环境作业时，易受到环境的干扰使得gps信号变弱或者完全失效的技术问题。
5.为解决上述技术问题，本实用新型提供的基于双目视觉slam的无人机自主导航系统，包括无人机主体、高性能机载处理器、电池仓、供电电池、热成像仪、zed双目相机、a2激光雷达、rtk定位模块、视觉slam定位模块和缆绳投放装置，所述高性能机载处理器安装在无人机主体的内部，所述电池仓开设在无人机主体的内部，所述供电电池安装在电池仓的内部，所述无人机主体和zed双目相机均安装在无人机主体的底部，所述rtk定位模块和支撑腿均安装在无人机主体的顶部，所述高性能机载处理器与供电电池电性连接，所述热成像仪、zed双目相机、a2激光雷达、rtk定位模块、视觉slam定位模块和缆绳投放装置均与高性能机载处理器电性连接。
6.优选的，所述无人机主体底部对称安装有支撑腿，所述支撑腿的材质为高碳钢。
7.优选的，所述缆绳投放装置包括安装板、绕绳辊、救生绳、驱动电机、主动齿轮和从动齿轮，所述安装板对称安装在无人机主体的底部，所述绕绳辊转动安装在两个所述安装板之间，所述救生绳绕接在绕绳辊上，所述驱动电机安装在无人机主体内部，所述驱动电机的驱动端安装有主动齿轮，所述绕绳辊的一端连接有从动齿轮，所述主动齿轮与从动齿轮啮合连接。
8.优选的，所述无人机主体上开设有散热口，所述散热口与电池仓连通。
9.优选的，所述供电电池采用专业级锂聚合物电池。
10.优选的，所述高性能机载处理器上运行有ros系统，所述热成像仪、zed双目相机、a2激光雷达、rtk定位模块、视觉slam定位模块和缆绳投放装置均均通过ros系统来实现与高性能机载处理器之间的通信。
11.与相关技术相比较，本实用新型提供的基于双目视觉slam的无人机自主导航系统具有如下有益效果：
12.为了弥补无人机基于gps导航系统的不足，采用slam技术作为无人机的自主导航方式，无人机可以在没有外界信号提供的基础之上，实现周围环境地图的建立并且根据建立的环境地图来进行自身的定位。
附图说明
13.图1为基于双目视觉slam的无人机自主导航系统的结构示意图；
14.图2为基于双目视觉slam的无人机自主导航系统的剖面结构示意图；
15.图3为基于双目视觉slam的无人机自主导航系统框图。
16.图中标号：1、无人机主体；2、高性能机载处理器；3、电池仓；4、供电电池；5、热成像仪；6、zed双目相机；7、a2激光雷达；8、rtk定位模块；9、支撑腿；10、安装板；11、绕绳辊；12、救生绳；13、驱动电机；14、主动齿轮；15、从动齿轮。
具体实施方式
17.下面详细描述本实用新型的实施方式。
18.实施例一，由图1-3给出，基于双目视觉slam的无人机自主导航系统，包括无人机主体1、高性能机载处理器2、电池仓3、供电电池4、热成像仪5、zed双目相机6、a2激光雷达7、rtk定位模块8、视觉slam定位模块和缆绳投放装置，高性能机载处理器2安装在无人机主体1的内部，电池仓3开设在无人机主体1的内部，供电电池4安装在电池仓3的内部，无人机主体1和zed双目相机6均安装在无人机主体1的底部，rtk定位模块8和支撑腿9均安装在无人机主体1的顶部，高性能机载处理器2与供电电池4电性连接，热成像仪5、zed双目相机6、a2激光雷达7、rtk定位模块8、视觉slam定位模块和缆绳投放装置均与高性能机载处理器2电性连接。
19.无人机主体1底部对称安装有支撑腿9，支撑腿9的材质为高碳钢。
20.实施例二，由图1-3给出，基于双目视觉slam的无人机自主导航系统，包括无人机主体1、高性能机载处理器2、电池仓3、供电电池4、热成像仪5、zed双目相机6、a2激光雷达7、rtk定位模块8和缆绳投放装置，高性能机载处理器2安装在无人机主体1的内部，电池仓3开设在无人机主体1的内部，供电电池4安装在电池仓3的内部，无人机主体1和zed双目相机6均安装在无人机主体1的底部，rtk定位模块8和支撑腿9均安装在无人机主体1的顶部，高性能机载处理器2与供电电池4电性连接，热成像仪5、zed双目相机6、a2激光雷达7、rtk定位模块8、支撑腿9和缆绳投放装置均与高性能机载处理器2电性连接，缆绳投放装置包括安装板10、绕绳辊11、救生绳12、驱动电机13、主动齿轮14和从动齿轮15，安装板10对称安装在无人机主体1的底部，绕绳辊11转动安装在两个安装板10之间，救生绳12绕接在绕绳辊11上，驱动电机13安装在无人机主体1内部，驱动电机13的驱动端安装有主动齿轮14，绕绳辊11的一端连接有从动齿轮15，主动齿轮14与从动齿轮15啮合连接，通过设置的缆绳投放装置能够在搜救到被困人员时及时的投放缆绳进行救援，不仅缩减了救援时间且降低了救援难度。
21.此外，为了能够确保供电电池4运行时产生的热量快速散除，无人机主体1上开设有散热口，散热口与电池仓3连通。
22.供电电池4采用专业级锂聚合物电池，电力能源系统采取双电池匹配及双电池仓系统，预计电池为6720mah4s5c超大容量以及10000mah超高容量电池，保证无人机硬件部分的正常运行。
23.高性能机载处理器2上运行有ros系统，热成像仪5、zed双目相机6、a2激光雷达7、rtk定位模块8、视觉slam定位模块和缆绳投放装置均均通过ros系统来实现与高性能机载处理器2之间的通信，ros系统提供了硬件抽象、设备驱动、函数库、可视化工具、消息传递和软件包管理等诸多功能，保证了飞机系统里的庞大数据传递系统有条不紊的进行。
24.工作原理：
25.视觉slam定位模块：我们使用orb方法的特征点匹配，在保证稳定性的同时计算量大大降低。同时采用slam与imu组件相融合的室内导航方法，惯性导航可以短时间内提供较为可靠的位姿信息，而视觉导航则可以提供环境图形变化信息作为位姿信息的补充，同时提供视觉重构等外部环境信息作为必要的补充。
26.采用ros(robotoperatingsystem)系统：通过在机载处理器上运行ros系统来实现各个模块之间的通信。ros(robotoperatingsystem,机器人操作系统)提供了硬件抽象、设备驱动、函数库、可视化工具、消息传递和软件包管理等诸多功能，保证了飞机系统里的庞大数据传递系统有条不紊的进行。
27.机载高性能处理器模块：由于gpu更加适合进行线性代数计算、矩阵运算等，slam算法大量涉及这些数据运算，所以我们采用了nvidia的jetsontx2核心板和载板作为无人机的高性能处理器。该处理器具有功耗低、处理性能强大的优势。
28.超高续航智能电池：电池采用专业级锂聚合物电池，电力能源系统采取双电池匹配及双电池仓系统，预计电池为6720mah4s5c超大容量以及10000mah超高容量电池，证无人机硬件部分的正常运行。
29.三维重建：设置主机和从机，主机进行建图模式，为救援人员传回灾难现场信息；从机进行重定位模式，利用主机的三维图像信息快速的完成自身的定位，利用其余资源进行生命探测，实现了无人机之间的分工合作，加快了搜索速度。
30.生命探测：利用深度学习的方法，搭建网络对红外相机下的人像进行训练，利用谷歌object_detection的八千张人类数据作为数据集，保证了识别的准确性。
31.尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。

技术特征：
1.基于双目视觉slam的无人机自主导航系统，包括无人机主体(1)、高性能机载处理器(2)、电池仓(3)、供电电池(4)、热成像仪(5)、zed双目相机(6)、a2激光雷达(7)、rtk定位模块(8)、视觉slam定位模块和缆绳投放装置，其特征在于，所述高性能机载处理器(2)安装在无人机主体(1)的内部，所述电池仓(3)开设在无人机主体(1)的内部，所述供电电池(4)安装在电池仓(3)的内部，所述无人机主体(1)和zed双目相机(6)均安装在无人机主体(1)的底部，所述rtk定位模块(8)和支撑腿(9)均安装在无人机主体(1)的顶部，所述高性能机载处理器(2)与供电电池(4)电性连接，所述热成像仪(5)、zed双目相机(6)、a2激光雷达(7)、rtk定位模块(8)、视觉slam定位模块和缆绳投放装置均与高性能机载处理器(2)电性连接。2.根据权利要求1所述的基于双目视觉slam的无人机自主导航系统，其特征在于，所述无人机主体(1)底部对称安装有支撑腿(9)，所述支撑腿(9)的材质为高碳钢。3.根据权利要求1所述的基于双目视觉slam的无人机自主导航系统，其特征在于，所述缆绳投放装置包括安装板(10)、绕绳辊(11)、救生绳(12)、驱动电机(13)、主动齿轮(14)和从动齿轮(15)，所述安装板(10)对称安装在无人机主体(1)的底部，所述绕绳辊(11)转动安装在两个所述安装板(10)之间，所述救生绳(12)绕接在绕绳辊(11)上，所述驱动电机(13)安装在无人机主体(1)内部，所述驱动电机(13)的驱动端安装有主动齿轮(14)，所述绕绳辊(11)的一端连接有从动齿轮(15)，所述主动齿轮(14)与从动齿轮(15)啮合连接。4.根据权利要求1所述的基于双目视觉slam的无人机自主导航系统，其特征在于，所述无人机主体(1)上开设有散热口，所述散热口与电池仓(3)连通。5.根据权利要求1所述的基于双目视觉slam的无人机自主导航系统，其特征在于，所述供电电池(4)采用专业级锂聚合物电池。6.根据权利要求1所述的基于双目视觉slam的无人机自主导航系统，其特征在于，所述高性能机载处理器(2)上运行有ros系统，所述热成像仪(5)、zed双目相机(6)、a2激光雷达(7)、rtk定位模块(8)、视觉slam定位模块和缆绳投放装置均通过ros系统来实现与高性能机载处理器(2)之间的通信。

技术总结
本实用新型公开了基于双目视觉SLAM的无人机自主导航系统，涉及无人机导航技术领域，包括无人机主体、高性能机载处理器、电池仓、供电电池、热成像仪、ZED双目相机、A2激光雷达、RTK定位模块、视觉SLAM定位模块和缆绳投放装置，所述高性能机载处理器安装在无人机主体的内部，所述电池仓开设在无人机主体的内部，所述供电电池安装在电池仓的内部，所述无人机主体和ZED双目相机均安装在无人机主体的底部，所述RTK定位模块和支撑腿均安装在无人机主体的顶部。本实用新型中，构建了一套完整的基于双目视觉SLAM的无人机自主导航系统并能够检测人类生命的存在，实现构图、导航、生命探测一体化的无人机自主生命探测平台。体化的无人机自主生命探测平台。体化的无人机自主生命探测平台。


技术研发人员：冯思佳 王子涵 吴逾强
受保护的技术使用者：西北工业大学
技术研发日：2022.12.26
技术公布日：2023/6/7