一种机体内可部署多种计算和传感设备的四旋翼无人机

1.本发明属于无人机设计制造技术领域，具体涉及一种机体内可部署多种计算和传感设备的四旋翼无人机。


背景技术：

2.四旋翼无人机是一种依赖四个旋翼为主要动力来源，并以旋翼的动力作为姿态控制器的无人机，通常需要搭载飞行控制计算机对其输出进行控制，且具备一定的自主作业能力。四旋翼无人机自控制技术成熟以来，由于其位置控制较为精确，应用场景较为广泛，机体根据任务需求设计适应的机体大小的特点，逐渐成为航空航天智能控制的学术研究领域中的重要实验平台，特别是在多智能体控制领域。在多智能体研究的实验领域，为了验证复杂多变的算法，智能体平台上需要搭载更加复杂的设备，比如安装更多传感器设备，加强智能体对环境的感知能力、安装更多通讯设备，加强智能体的通信能力、或者安装更强的计算设备，加强智能体在任务中自主计算任务的能力。传统的开放式机架上安装上述设备时都将设备裸露在无遮挡的机架内，不仅无法在室外飞行环境中保护设备，也无法在坠落或撞击时提供冲击防护。


技术实现要素：

3.本发明的目的是解决上述问题，提供一种机体包覆内可以安装大量的传感、通信和计算设备，机动性好，移动灵活的四旋翼无人机。
4.为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种机体内可部署多种计算和传感设备的四旋翼无人机，包括机身，机身包括机身主体、旋翼和旋翼电机，机身主体和旋翼电机固连，旋翼电机与旋翼相连，旋翼电机带动旋翼转动；机身的顶部上设有无人机上盖，机身和无人机上盖之间设有中支架，长螺丝依次穿过无人机上盖和中支架与机身相连，机身的中部安装有英伟达jetson tx2 nx计算机和电池，机身的底部设有因特尔d435i双目深度摄像头、起落架和四合一电机调速器，四合一电机调速器位于相邻起落架之间；无人机上盖内部安装有uwb极宽频天线，uwb极宽频天线的天线穿设于无人机上盖，中支架上安装有pixhawk4飞行控制电脑和网络通讯设备，pixhawk4飞行控制电脑和网络通讯设备电连接，电池分别与uwb极宽频天线、pixhawk4飞行控制电脑、gnss天线、网络通讯设备、英伟达jetson tx2 nx计算机，因特尔d435i双目深度摄像头、四合一电机调速器和旋翼电机电连接并供电。
5.优选地，所述pixhawk4飞行控制电脑内置有加速度计，陀螺仪和磁罗盘，可以通过感知无人机姿态变化，并控制四个旋翼电机的功率输出以控制无人机姿态和运动，pixhawk4飞行控制电脑与中支架之间安装有粘性减震材料，用于减震；加速度计为加速度传感器，pixhawk4飞行控制电脑在获取了加速度传感器和陀螺仪传感器的信号后，pixhawk4飞行控制电脑工作过程如下：
6.s11、结合卡尔曼滤波算法和先前的姿态信息计算得出当前时刻的姿态信息，计算
与期望姿态的误差，输入pixhawk4飞行控制电脑中的控制器，使飞行器收敛于期望姿态，完成内环姿态控制；
7.s12、对加速度传感器的信号进行二重积分计算飞行器的位移，将位移与期望位置的误差输入pixhawk4飞行控制电脑中的控制器，使飞行器收敛于期望的位置，完成外环控制。
8.优选地，所述中支架的两侧镶嵌在机身中加强机身机臂部位的刚性。
9.优选地，所述中支架为支架结构，中支架上设有中支架梯形凸台，机身上设有机身卡槽，中支架梯形凸台位于机身卡槽中。
10.优选地，所述网络通讯设备上搭载有wi-fi模块或5g通讯模块，使无人机完成通讯。
11.优选地，所述因特尔d435i双目深度摄像头通过双目摄像机获取环境的深度点云信息，从而使无人机具备感知周边环境的能力，因特尔d435i双目深度摄像头上连接有转接座，转接座通过减震球连接在机身上；因特尔d435i双目深度摄像头中的深度相机利用调幅连续波(amcw)时差测距(tof)原理，过程如下：
12.s31、该相机将近红外(nir)频谱中的调制光投射到场景中；
13.s32、将记录光线从相机传播到场景，从场景返回到相机所花费的间接时间测量值，在相机内部生成当前画面的点云深度信息；
14.s33、通过串口连接到英伟达jetson tx2 nx计算机；
15.s34、英伟达jetson tx2 nx计算机利用realsense-ros订阅相关话题获取与rgb图对齐的深度图及任意指定一点的深度值，生成点云图。
16.优选地，所述电池为一体插拔电池，采用四块高压电芯，4000mah的电量，能够提供无人机23分钟续航时间，配备专用十一针插口，在电池插入机身时即联通供电，电池的两侧有弹片锁舌，在电池卡入机身对应位置的卡槽内。
17.优选地，所述起落架采用弹性形变吸能设计，能够有效提供无人机和内部设备在常规着陆时造成的冲击，相邻起落架两侧通过横筋相连，加强无人机着陆时横向应力的吸收。
18.本发明的有益效果是：
19.1、本发明所提供的一种机体内可部署多种计算和传感设备的四旋翼无人机，可以安装大量的通讯、传感和计算设备，可以在一架无人机中提供视觉环境感知重建能力，短距离内精确测距定位能力，全球定位系统定位能力，运营商网络通讯能力和局域网通讯能力，具有较强的机载运算能力以及较好的气动外形，具备作为多智能体科学研究算法验证平台的能力。
20.2、本发明除了uwb极宽频天线需要良好电磁环境伸出机体外，全部安装在无人机的封闭机体内，除提供必要的对流散热之外可以抵御一般的异物撞击，灰尘和雨滴，减少因为意外造成的设备损坏，财产损失。同时封闭的机体还可以优化无人机在前飞时的阻力表现，可以显著提升无人机的续航时间。
21.3、本发明在其机体包覆内可以安装大量的传感、通信和计算设备，轴距为390mm，可以在室内、林地等狭窄环境应用，机动性好，移动灵活。
附图说明
22.图1是本发明一种机体内可部署多种计算和传感设备的四旋翼无人机的结构示意图；
23.图2是本发明uwb极宽频天线穿过无人机上盖向上方支出时，在不安装电池和安装电池后的状态对比图；
24.图3是本发明机身上的长螺丝固定安装孔位置示意图。
25.附图标记说明：1、无人机上盖；2、uwb极宽频天线；3、pixhawk4飞行控制电脑；4、gnss天线；5、中支架；6、网络通讯设备；7、英伟达jetson tx2 nx计算机；8、因特尔d435i双目深度摄像头；9、电池；10、机身；11、起落架；12、四合一电机调速器；51、支架梯形凸台；101、机身卡槽；102、长螺丝固定安装孔。
具体实施方式
26.下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明：
27.如图1到图3所示，本发明提供的一种机体内可部署多种计算和传感设备的四旋翼无人机，包括机身10，机身10包括机身主体、旋翼和旋翼电机，机身主体和旋翼电机固连，旋翼电机与旋翼相连，旋翼电机带动旋翼转动。机身10的顶部上设有无人机上盖1，机身10和无人机上盖1之间设有中支架5，长螺丝依次穿过无人机上盖1和中支架5与机身10相连，机身10的中部安装有英伟达jetson tx2 nx计算机7和电池9，机身10的底部设有因特尔d435i双目深度摄像头8、起落架11和四合一电机调速器12，四合一电机调速器12位于相邻起落架11之间。无人机上盖1内部安装有uwb极宽频天线2，uwb极宽频天线2的天线穿设于无人机上盖1，中支架5上安装有pixhawk4飞行控制电脑3和网络通讯设备6，pixhawk4飞行控制电脑3和网络通讯设备6电连接，电池9分别与uwb极宽频天线2、pixhawk4飞行控制电脑3、gnss天线4、网络通讯设备6、英伟达jetson tx2 nx计算机7，因特尔d435i双目深度摄像头8、四合一电机调速器12和旋翼电机电连接并供电。
28.在本实施例中，本发明无人机的轴距为390mm。无人机上盖1，在使用长螺丝贯穿中支架5后与机身10连接，提升无人机的机身10在水平方向上的扭转刚性，无人机上盖1的两侧与机身10连接的地方为倾斜结构，倾斜结构具有斜坡限位的功能，在螺丝锁紧过程中协助无人机上盖1安装到正确的位置。
29.uwb极宽频天线2可以在百米级别范围内提供通信、测距和定位的能力。uwb极宽频天线2通过螺丝安装在无人机上盖1的内部，uwb极宽频天线2的端部为可折叠状结构，可折叠状结构在本领域中为现有螺栓连接折叠结构，uwb极宽频天线2与无人机上盖1通过螺栓转动连接，从而实现折叠。uwb极宽频天线2的端部穿过无人机上盖1向上方支出，在不安装电池9时，uwb极宽频天线2的收纳状态，可以向后折入安装电池9的电池仓内，在安装完成电池9之后可以向斜后方折叠，减少无人机正面投影面积。
30.pixhawk4飞行控制电脑3内置有加速度计，陀螺仪和磁罗盘，可以通过感知无人机姿态变化，并控制四个旋翼电机的功率输出以控制无人机姿态和运动，pixhawk4飞行控制电脑3与中支架5之间安装有粘性减震材料，用于减震。
31.加速度计为加速度传感器，pixhawk4飞行控制电脑3兼容市售大部分基于px4项目开发的飞行控制电脑，pixhawk4飞行控制电脑3内置的加速度传感器和陀螺仪传感器感知
姿态信息，输出四路电机信号，完成对飞行器的控制。pixhawk4飞行控制电脑3在获取了加速度传感器和陀螺仪传感器的信号后，pixhawk4飞行控制电脑3工作过程如下：s11、结合卡尔曼滤波算法和先前的姿态信息计算得出当前时刻的姿态信息，计算与期望姿态的误差，输入pixhawk4飞行控制电脑3中的控制器，使飞行器收敛于期望姿态，完成内环姿态控制。s12、对加速度传感器的信号进行二重积分计算飞行器的位移，将位移与期望位置的误差输入pixhawk4飞行控制电脑3中的控制器，使飞行器收敛于期望的位置，完成外环控制。
32.在本实施例中，gnss天线4可以获取卫星定位信息，该设备通过螺丝单独安装在机身10的头部，与可能造成电磁干扰的设备原理，提高定位精度，gnss天线4为m8ngnss天线。gnss天线4采用m8n型号的gnss天线，通过螺丝连接到机身10上，其安装位置和保护尺寸可以支持市售大部分gps天线的安装。
33.gnss天线4支持多种定位系统，如：gps、glonass l10f、qzss l1 c/a和beidou b1。可双模同时工作，如：星基增强系统(sbas)l1 c/a:美国waas，欧洲egnos，日本msas。gnss天线4的工作过程为：s21、其天线接收gnss卫星发送的星历信号，当卫星数量大于4颗时可解算飞行器所在的经纬度信息。s22、gnss天线4使用mavlink协议通过串口将经纬度信息传输至pixhawk4飞行控制电脑3。
34.中支架5的两侧镶嵌在机身10中加强机身机臂部位的刚性。中支架5为支架结构，中支架5上设有中支架梯形凸台51，机身10上设有机身卡槽101，中支架梯形凸台51位于机身卡槽101中。
35.中支架5作为机体内pixhawk4飞行控制电脑3和6网络通讯设备6的安装承托平台，在安装时首先将中支架5的四个角的中支架梯形凸台卡入机身10对应的机身卡槽中，滑入对应的安装位置，最后使用长螺丝贯穿固定无人机上盖1、中支架5和机身10。
36.网络通讯设备6上搭载有wi-fi模块或5g通讯模块，使无人机完成通讯。在实际使用过程中，网络通讯设备6为现有通讯设备，通过网络通讯设备6可以使得无人机可以借助运营商通讯网络进行组网，完成通讯。网络通讯设备6通过螺丝连接在中支架5上，网络通讯设备6的天线从无人机的机身10侧面引出，以保证通讯质量。
37.在本实施例中英伟达jetson tx2 nx计算机7为现有计算机设备，可以运行较为复杂的程序，更好的达成所需要求。通过螺丝连接在中支架5和10机身10上，同时该设备发热量较大，需要配备风冷式散热器，因此在机身10下部有挖孔使该设备在安装时伸出机体，提供足够的气流。
38.因特尔d435i双目深度摄像头8通过双目摄像机获取环境的深度点云信息，从而使无人机具备感知周边环境的能力，因特尔d435i双目深度摄像头8上连接有转接座，转接座通过减震球连接在10机身上。因特尔d435i双目深度摄像头8与转接座通过螺丝进行连接。
39.因特尔d435i双目深度摄像头8中的深度相机利用调幅连续波(amcw)时差测距(tof)原理，过程如下：s31、该相机将近红外(nir)频谱中的调制光投射到场景中。s32、将记录光线从相机传播到场景，从场景返回到相机所花费的间接时间测量值，在相机内部生成当前画面的点云深度信息。s33、通过串口连接到英伟达jetson tx2 nx计算机7。s34、英伟达jetson tx2 nx计算机7利用realsense-ros订阅相关话题获取与rgb图对齐的深度图及任意指定一点的深度值，生成点云图。
40.电池9为一体插拔电池，采用四块高压电芯，4000mah的电量，能够提供无人机23分
钟续航时间，配备专用十一针插口，在电池9插入机身10时即联通供电，电池9的两侧有弹片锁舌，在电池9卡入机身10对应位置的卡槽内。
41.在本实施例中，机身10为整体包覆式结构，在安装无人机上盖1后可以更好的保护内部设备，并提供一定的空气动力学外形，减小无人机前飞过程中的空气阻力，提升能量效率，延长续航时间。
42.机身10上安装有长螺丝固定安装孔102，安装时，长螺丝的端部穿过中支架5与长螺丝固定安装孔102配合，并将机身10与无人机上盖1进行固定。
43.起落架11采用弹性形变吸能设计，能够有效提供无人机和内部设备在常规着陆时造成的冲击，相邻起落架11两侧通过横筋相连，加强无人机着陆时横向应力的吸收。
44.起落架11通过突出口插入机身10的插槽，再加螺丝固定的形式安装到机身10上。起落架11采用未来7500高性能尼龙材料，3d打印工艺制造。起落架11的底部为半弧形的立柱，半弧形的立柱到水平接地部分的连接提供弹性变形结构，在受力时弯曲并提供反向作用力，吸收降落时的冲击，减少降落对机身和舱内设备的损害。
45.四合一电机调速器12，由于旋翼电机采用无刷电机，需要此设备接受飞控的动力比例指令，向旋翼电机输出交变三相电才能正常驱动电机，本发明安装了四个与旋翼电机电连接的四合一电机调速器12，发热量较大，因此采用吊舱形式安装在机身10的外部，加强对流散热的能力。机身10上还安装有无线电接收机用于接受遥控器指令，无线电接收机与电池9电连接。
46.在实际使用过程中，本发明可以在一架无人机中提供视觉环境感知重建能力，短距离内精确测距定位能力，全球定位系统定位能力，运营商网络通讯能力和局域网通讯能力。本发明具有较强的机载运算能力以及较好的气动外形，具备作为多智能体科学研究算法验证平台的能力。本发明除了天线相关设备需要良好电磁环境伸出机体外，全部安装在封闭机体内，除提供必要的对流散热之外可以抵御一般的异物撞击，灰尘和雨滴，减少因为意外造成的设备损坏，财产损失。同时封闭的机体还可以优化无人机在前飞时的阻力表现，可以显著提升无人机的续航时间。
47.本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

技术特征：
1.一种机体内可部署多种计算和传感设备的四旋翼无人机，其特征在于：包括机身(10)，机身(10)包括机身主体、旋翼和旋翼电机，机身主体和旋翼电机固连，旋翼电机与旋翼相连，旋翼电机带动旋翼转动；机身(10)的顶部上设有无人机上盖(1)，机身(10)和无人机上盖(1)之间设有中支架(5)，长螺丝依次穿过无人机上盖(1)和中支架(5)与机身(10)相连，机身(10)的中部安装有英伟达jetson tx2 nx计算机(7)和电池(9)，机身(10)的底部设有因特尔d435i双目深度摄像头(8)、起落架(11)和四合一电机调速器(12)，四合一电机调速器(12)位于相邻起落架(11)之间；无人机上盖(1)内部安装有uwb极宽频天线(2)，uwb极宽频天线(2)的天线穿设于无人机上盖(1)，中支架(5)上安装有pixhawk4飞行控制电脑(3)和网络通讯设备(6)，pixhawk4飞行控制电脑(3)和网络通讯设备(6)电连接，电池(9)分别与uwb极宽频天线(2)、pixhawk4飞行控制电脑(3)、gnss天线(4)、网络通讯设备(6)、英伟达jetson tx2 nx计算机(7)，因特尔d435i双目深度摄像头(8)、四合一电机调速器(12)和旋翼电机电连接并供电。2.根据权利要求1所述的一种机体内可部署多种计算和传感设备的四旋翼无人机，其特征在于：所述pixhawk4飞行控制电脑(3)内置有加速度计，陀螺仪和磁罗盘，可以通过感知无人机姿态变化，并控制四个旋翼电机的功率输出以控制无人机姿态和运动，pixhawk4飞行控制电脑(3)与中支架(5)之间安装有粘性减震材料，用于减震；加速度计为加速度传感器，pixhawk4飞行控制电脑(3)在获取了加速度传感器和陀螺仪传感器的信号后，pixhawk4飞行控制电脑(3)工作过程如下：s11、结合卡尔曼滤波算法和先前的姿态信息计算得出当前时刻的姿态信息，计算与期望姿态的误差，输入pixhawk4飞行控制电脑(3)中的控制器，使飞行器收敛于期望姿态，完成内环姿态控制；s12、对加速度传感器的信号进行二重积分计算飞行器的位移，将位移与期望位置的误差输入pixhawk4飞行控制电脑(3)中的控制器，使飞行器收敛于期望的位置，完成外环控制。3.根据权利要求1所述的一种机体内可部署多种计算和传感设备的四旋翼无人机，其特征在于：所述中支架(5)的两侧镶嵌在机身(10)中加强机身机臂部位的刚性。4.根据权利要求1所述的一种机体内可部署多种计算和传感设备的四旋翼无人机，其特征在于：所述中支架(5)为支架结构，中支架(5)上设有中支架梯形凸台，机身(10)上设有机身卡槽，中支架梯形凸台位于机身卡槽中。5.根据权利要求1所述的一种机体内可部署多种计算和传感设备的四旋翼无人机，其特征在于：所述网络通讯设备(6)上搭载有wi-fi模块或5g通讯模块，使无人机完成通讯。6.根据权利要求1所述的一种机体内可部署多种计算和传感设备的四旋翼无人机，其特征在于：所述因特尔d435i双目深度摄像头(8)通过双目摄像机获取环境的深度点云信息，从而使无人机具备感知周边环境的能力，因特尔d435i双目深度摄像头(8)上连接有转接座，转接座通过减震球连接在机身(10)上；因特尔d435i双目深度摄像头(8)中的深度相机利用调幅连续波(amcw)时差测距(tof)原理，过程如下：s31、该相机将近红外(nir)频谱中的调制光投射到场景中；s32、将记录光线从相机传播到场景，从场景返回到相机所花费的间接时间测量值，在相机内部生成当前画面的点云深度信息；
s33、通过串口连接到英伟达jetson tx2 nx计算机(7)；s34、英伟达jetson tx2 nx计算机(7)利用realsense-ros订阅相关话题获取与rgb图对齐的深度图及任意指定一点的深度值，生成点云图。7.根据权利要求1所述的一种机体内可部署多种计算和传感设备的四旋翼无人机，其特征在于：所述电池(9)为一体插拔电池，采用四块高压电芯，4000mah的电量，能够提供无人机23分钟续航时间，配备专用十一针插口，在电池(9)插入机身(10)时即联通供电，电池(9)的两侧有弹片锁舌，在电池(9)卡入机身(10)对应位置的卡槽内。8.根据权利要求1所述的一种机体内可部署多种计算和传感设备的四旋翼无人机，其特征在于：所述起落架(11)采用弹性形变吸能设计，能够有效提供无人机和内部设备在常规着陆时造成的冲击，相邻起落架(11)两侧通过横筋相连，加强无人机着陆时横向应力的吸收。

技术总结
本发明公开了一种机体内可部署多种计算和传感设备的四旋翼无人机，包括机身，机身的顶部上设有无人机上盖，机身和无人机上盖之间设有中支架，长螺丝依次穿过无人机上盖和中支架与机身相连，机身的中部安装有英伟达Jetson TX2NX计算机和电池，机身的底部设有因特尔D435i双目深度摄像头、起落架和四合一电机调速器，四合一电机调速器位于相邻起落架之间。无人机上盖内部安装有UWB极宽频天线，UWB极宽频天线的天线穿设于无人机上盖，中支架上安装有PixHawk4飞行控制电脑和网络通讯设备，PixHawk4飞行控制电脑和网络通讯设备电连接。本发明所提供的一种机体内可部署多种计算和传感设备的四旋翼无人机，可以安装大量的通讯、传感和计算设备。传感和计算设备。传感和计算设备。


技术研发人员：袁昊扬 孙鹏 李维豪 施孟佶 林伯先 仝世纪 秦开宇
受保护的技术使用者：电子科技大学
技术研发日：2023.01.04
技术公布日：2023/4/18