一種具有環(huán)境感知能力的飛行裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及飛行器領(lǐng)域，具體涉及一種具有環(huán)境感知能力的飛行裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 人類對(duì)天空的探索從未停止，各種飛行器的發(fā)明拓寬了人類對(duì)天空的了解，也極 大的方便了人們的生活。
[0003] 智能環(huán)境感知系統(tǒng)的主要功能是通過(guò)傳感器獲取飛行器以及環(huán)境信息，具體為飛 行器的位姿及狀態(tài)信息獲取、飛行器周圍障礙物的識(shí)別與跟蹤（其中包括動(dòng)態(tài)及靜態(tài)障礙 物）以及飛行器飛行空域的交通狀況分析等。
[0004] 飛行裝置，在其上設(shè)置智能環(huán)境感知系統(tǒng)以提高其安全、多功能化等綜合性能是 目前必然的發(fā)展趨勢(shì)。但是，現(xiàn)在的環(huán)境感知系統(tǒng)往往存在感知維度不足、計(jì)算精度不高、 實(shí)時(shí)性不強(qiáng)等問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對(duì)上述問題，本發(fā)明提供一種具有環(huán)境感知能力的飛行裝置。
[0006] 本發(fā)明的目的采用以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：
[0007] -種具有環(huán)境感知能力的飛行裝置，包括飛行器和安裝在飛行器上的毫米波雷達(dá) 三維環(huán)境感知系統(tǒng);毫米波雷達(dá)三維環(huán)境感知系統(tǒng)包括毫米波雷達(dá)、旋轉(zhuǎn)機(jī)械裝置、控制單 元和數(shù)據(jù)處理單元;旋轉(zhuǎn)機(jī)械裝置包括第一旋轉(zhuǎn)軸、旋轉(zhuǎn)盤和第二旋轉(zhuǎn)軸，第一旋轉(zhuǎn)軸豎直 布置且與旋轉(zhuǎn)盤的中心固接，所述第一旋轉(zhuǎn)軸通過(guò)第一步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)；由第二步進(jìn)電 機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)的第二旋轉(zhuǎn)軸水平套裝在軸承座內(nèi)，所述軸承座通過(guò)2個(gè)豎直布置的支撐軸固 接在旋轉(zhuǎn)盤上;所述第二旋轉(zhuǎn)軸的中點(diǎn)處設(shè)置有連接部，所述連接部垂直于第二旋轉(zhuǎn)軸且 與第二旋轉(zhuǎn)軸一體成型，毫米波雷達(dá)與連接部垂直固接;所述毫米波雷達(dá)的自身固有掃描 平面垂直于旋轉(zhuǎn)盤所在平面，且掃描范圍角為± 30° ;所述旋轉(zhuǎn)盤在布置支撐軸的一側(cè)有切 口，切口所在的直線平行于第二旋轉(zhuǎn)軸所在的直線，且任一支撐軸與切口所在直線的距離 小于50mm;所述第一步進(jìn)電機(jī)和第二步進(jìn)電機(jī)均通過(guò)單片機(jī)來(lái)控制，單片機(jī)用于接收控制 命令，并將控制命令轉(zhuǎn)化為控制信號(hào)發(fā)送給電機(jī)，同時(shí)根據(jù)裝置的初始位置和兩個(gè)步進(jìn)電 機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)的角度計(jì)算出旋轉(zhuǎn)機(jī)械裝置的當(dāng)前位置，并將旋轉(zhuǎn)機(jī)械裝置的當(dāng)前位置狀態(tài)反饋給 數(shù)據(jù)處理單元;所述旋轉(zhuǎn)機(jī)械裝置整體在第一步進(jìn)電機(jī)的帶動(dòng)下面向飛行器前進(jìn)方向做水 平180°的周期往返運(yùn)動(dòng)，同時(shí)毫米波雷達(dá)在第二步進(jìn)電機(jī)的帶動(dòng)下面向飛行器前進(jìn)方向做 豎直180°的周期往返運(yùn)動(dòng)；
[0008] 數(shù)據(jù)處理單元包括數(shù)據(jù)采集子單元、延時(shí)修正子單元和坐標(biāo)輸出子單元;數(shù)據(jù)采 集子單元接收毫米波雷達(dá)測(cè)量得到的其與目標(biāo)的距離值P，同時(shí)接收單片機(jī)發(fā)送的垂直旋 轉(zhuǎn)角a和水平旋轉(zhuǎn)角0，以及毫米波雷達(dá)的自身掃描角0 ;設(shè)激光雷達(dá)對(duì)某一目標(biāo)的讀數(shù)為 &，<1，0，0)，并定義：當(dāng)雷達(dá)處于水平位置時(shí)< 1 = 〇°，當(dāng)雷達(dá)處于水平位置上方時(shí)<1值為正，雷 達(dá)處于水平位置下方時(shí)a值為負(fù)，當(dāng)?shù)诙D(zhuǎn)軸與飛行器正前方方向垂直時(shí)0 = 0°，當(dāng)雷達(dá) 位于0 = 0°的右側(cè)時(shí)0為正值，當(dāng)雷達(dá)位于0 = 0°的左側(cè)時(shí)0為負(fù)值；當(dāng)毫米波雷達(dá)的自身掃 描方向與毫米波雷達(dá)所在平面垂直時(shí)9 = 0°，當(dāng)自身掃描方向位于9 = 0°的上方時(shí)0為正值， 當(dāng)自身掃描方向位于9 = 0°的下方時(shí)9為負(fù)值；
[0009]優(yōu)選地，延時(shí)修正子單元包括距離測(cè)量修正模塊、水平掃描修正模塊和垂直掃描 修正模塊:距離測(cè)量修正模塊，用于對(duì)距離值P的測(cè)量值進(jìn)行針對(duì)雷達(dá)檢測(cè)波往返過(guò)程中延 時(shí)效應(yīng)的修正，其輸出的修正因子為：
[0011 ] 當(dāng)I cn+e: I > I a2+021且I I > I & I時(shí)，上式取正號(hào)，否則取負(fù)號(hào)；
[0012] 垂直旋轉(zhuǎn)修正模塊，用于對(duì)垂直旋轉(zhuǎn)角a進(jìn)行針對(duì)雷達(dá)檢測(cè)波往返過(guò)程中延時(shí)效 應(yīng)的修正，其輸出的修正因子
當(dāng)Icul > |a2|時(shí)，上式取正號(hào)，否則 取負(fù)號(hào)；
[0013] 水平旋轉(zhuǎn)修正模塊，用于對(duì)水平旋轉(zhuǎn)角0進(jìn)行針對(duì)雷達(dá)檢測(cè)波往返過(guò)程中延時(shí)效 應(yīng)的修正，其輸出的修正因子當(dāng)| & | > | |時(shí)，上式取正號(hào)，否則 取負(fù)號(hào)；
[0014] 其中m為毫米波雷達(dá)的最大可探測(cè)距離，5
用于反應(yīng)檢測(cè)目標(biāo)和毫米波雷 達(dá)之間距離對(duì)延時(shí)效應(yīng)的影響，目標(biāo)越靠近雷達(dá)則延時(shí)越小，反之延時(shí)越大;t為對(duì)該目標(biāo) 雷達(dá)檢測(cè)波發(fā)出的時(shí)間，t2為雷達(dá)檢測(cè)波返回的時(shí)間；| ti-ts |代表了雷達(dá)檢測(cè)波往返于目 標(biāo)和雷達(dá)之間所需的時(shí)間;Ti為毫米波雷達(dá)的水平旋轉(zhuǎn)周期，T2為毫米波雷達(dá)的豎直旋轉(zhuǎn)周 期抑為以時(shí)的a值，a 2為t2時(shí)的a值辦為t時(shí)的0值，為t2時(shí)的0值;eAt時(shí)的0值，02為t 2時(shí) 的9值毫米波雷達(dá)的采樣間隔為2°/s;
[0015] 坐標(biāo)輸出子單元:經(jīng)延時(shí)修正子單元修正后輸出的目標(biāo)空間坐標(biāo)為：
[0018] 數(shù)據(jù)處理單元還包括目標(biāo)RCS起伏特性測(cè)量子單元，用于對(duì)目標(biāo)的RCS序列變異系 數(shù)進(jìn)行測(cè)量：
[0019] 對(duì)于處在光學(xué)區(qū)域的復(fù)雜目標(biāo)，假設(shè)由N個(gè)散射中心構(gòu)成，則多散射中心目標(biāo)的 RCS表示為目標(biāo)方位角的函數(shù)：
[0021] 其中，〇1表示第i個(gè)散射中心RCS，a+0表示目標(biāo)相對(duì)毫米波雷達(dá)的方位角，心表示第 i個(gè)散射中心相對(duì)雷達(dá)中心距離必為人為設(shè)定的參數(shù)；
[0022] 則RCS序列變異系數(shù)表示為：
其中0(k)表示第k次探測(cè) 目標(biāo)的RCS值，RCS序列均值
[0023] 本飛行裝置的有益效果為:設(shè)計(jì)了新的毫米波雷達(dá)三維環(huán)境感知系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn) 前方水平180°和豎直方向180°的無(wú)死角掃描覆蓋，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)耐用，抗干擾能力強(qiáng);利 用步進(jìn)式電動(dòng)機(jī)配合其它部件實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)控制功能，控制方便精確;針對(duì)新式旋轉(zhuǎn)雷達(dá)系 統(tǒng)的特點(diǎn)以及延時(shí)效應(yīng)設(shè)計(jì)了距離測(cè)量修正模塊、水平掃描修正模塊、垂直掃描修正模塊 等修正模塊，使得雷達(dá)的坐標(biāo)定位功能更精確，且實(shí)時(shí)性更強(qiáng)；給出了精確的坐標(biāo)計(jì)算方 法，為自動(dòng)控制和誤差控制提供了基礎(chǔ);針對(duì)該新型旋轉(zhuǎn)機(jī)械裝置，采用了新的RCS起伏特 性測(cè)量裝置，使得R CS變異系數(shù)的測(cè)量更加精準(zhǔn)，對(duì)目標(biāo)識(shí)別更有利;旋轉(zhuǎn)盤、旋轉(zhuǎn)軸等部件 的尺寸可根據(jù)具體情況靈活選取，為各種不同大小的飛行裝置的適用性提供了條件；用毫 米波雷達(dá)取代傳統(tǒng)的光波雷達(dá)，利用大氣窗口傳播時(shí)的衰減小，受自然光和熱輻射源影響 小，能夠在惡劣的天氣狀況下對(duì)飛行環(huán)境進(jìn)行有效識(shí)別并躲避障礙物，為安全飛行提供可 靠保障，具有高分辨力、高精度、小天線口徑等優(yōu)越性。
【附圖說(shuō)明】
[0024]利用附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，但附圖中的實(shí)施例不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的任何限 制，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)以下附圖獲得 其它的附圖。
[0025]圖1是一種具有環(huán)境感知能力的飛行裝置的結(jié)構(gòu)框圖；
[0026]圖2是旋轉(zhuǎn)機(jī)械裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027]圖3是毫米波雷達(dá)自身掃描示意圖；
[0028]圖4是雷達(dá)檢測(cè)目標(biāo)時(shí)的不意圖；
[0029]圖5是數(shù)據(jù)處理單元的結(jié)構(gòu)框圖。
[0030]附圖標(biāo)記:毫米波雷達(dá)-1;旋轉(zhuǎn)盤-2;第一旋轉(zhuǎn)軸-3;第二旋轉(zhuǎn)軸-4;軸承座-5;支 撐軸-6;連接部-7;第一步進(jìn)電機(jī)-8;第二步進(jìn)電機(jī)-9;旋轉(zhuǎn)機(jī)械裝置-10;控制單元-11;數(shù) 據(jù)處理單元-12;數(shù)據(jù)采集子單元13;延時(shí)修正子單元-14;坐標(biāo)輸出子單元-15;切口-16;目 標(biāo)-17;飛行器前進(jìn)方向-18。
【具體實(shí)施方式】
[0031]結(jié)合以下實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。
[0032] 實(shí)施例1:
[0033]如圖1-4所示的一種具有環(huán)境感知能力的飛行裝置，包括飛行器和安裝在飛行器 上的毫米波雷達(dá)三維環(huán)境感知系統(tǒng);毫米波雷達(dá)三維環(huán)境感知系統(tǒng)包括毫米波雷達(dá)1、旋轉(zhuǎn) 機(jī)械裝置10、控制單元11和數(shù)據(jù)處理單元12;旋轉(zhuǎn)機(jī)械裝置包10括第一旋轉(zhuǎn)軸3、旋轉(zhuǎn)盤2和 第二旋轉(zhuǎn)軸4,第一旋轉(zhuǎn)軸3豎直布置且與旋轉(zhuǎn)盤2的中心固接，所述第一旋轉(zhuǎn)軸3通過(guò)第一 步進(jìn)電機(jī)8驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)；由第二步進(jìn)電機(jī)9驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)的第二旋轉(zhuǎn)軸4水平套裝在軸承座5內(nèi)，所 述軸承座5通過(guò)2個(gè)豎直布置的支撐軸6固接在旋轉(zhuǎn)盤2上;所述第二旋轉(zhuǎn)軸4的中點(diǎn)處設(shè)置 有連接部7,所述連接部7垂直于第二旋轉(zhuǎn)軸4且與第二旋轉(zhuǎn)軸4 一體成型，毫米波雷達(dá)1與連 接部7垂直固接;所述毫米波雷達(dá)1的自身固有掃描平面垂直于旋轉(zhuǎn)盤2所在平面，且掃描范 圍角為±30° ;所述旋轉(zhuǎn)盤2在布置支撐軸6的一側(cè)有切口 16，切口 16所在的直線平行于第二 旋轉(zhuǎn)軸4所在的直線，且任一支撐軸6與切口 16所在直線的距離小于50mm;所述第一步進(jìn)電 機(jī)8和第二步進(jìn)電機(jī)9均通過(guò)單片機(jī)來(lái)控制，單片機(jī)用于接收控制命令，并將控制命令轉(zhuǎn)化 為控制信號(hào)發(fā)送給電機(jī)，同時(shí)根據(jù)裝置的初始位置和兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)的角度計(jì)算出旋轉(zhuǎn) 機(jī)械裝置的當(dāng)前位置，并將旋轉(zhuǎn)機(jī)械裝置10的當(dāng)前位置狀態(tài)反饋給數(shù)據(jù)處理單元12;所述 旋轉(zhuǎn)機(jī)械裝置10整體在第一步進(jìn)電機(jī)8的帶動(dòng)下面向飛行器前進(jìn)方向18做水平180°的周期 往返運(yùn)動(dòng)，同時(shí)毫米波雷達(dá)1在第二步進(jìn)電機(jī)9的帶動(dòng)下面向飛行器前進(jìn)方向20做豎直180° 的周期往返運(yùn)動(dòng)；
[0034]如圖5所示，數(shù)據(jù)處理單元12包括數(shù)據(jù)采集子單元13、延時(shí)修正子單元14和坐標(biāo)輸 出子單元15,數(shù)據(jù)采集子單元13接收毫米波雷達(dá)1測(cè)量得到的其與目標(biāo)的距離值P，同時(shí)接 收單片機(jī)發(fā)送的垂直旋轉(zhuǎn)角a和水平旋轉(zhuǎn)角0，以及毫米波雷達(dá)1自身的掃描角9,從而獲得 完整的毫米波雷達(dá)數(shù)據(jù)和掃描平面的位置;如圖5所示，設(shè)毫米波雷達(dá)1測(cè)得的某一目標(biāo)17 的讀數(shù)為&，<1，0，0)，并定義 ：當(dāng)毫米波雷達(dá)1處于水平位置時(shí)(1 = 〇°，當(dāng)毫米波雷達(dá)1處于水 平位置上方時(shí)a值為正，毫米波雷達(dá)1處于水平位置下方時(shí)a值為負(fù)；當(dāng)?shù)诙D(zhuǎn)軸4與飛行 器正前方方向垂直時(shí)0=0°，當(dāng)毫米波雷達(dá)1位于0=0°的右側(cè)時(shí)0為正值，當(dāng)毫米波雷達(dá)1位 于0=0°的左側(cè)時(shí)0為負(fù)值；當(dāng)毫米