本發(fā)明涉及一種基于嵌入式CPS的超聲波實時避障防撞無人機裝置，屬于無人機技術領域。

背景技術：

四旋翼無人機是一種智能機器人。在動力來源和姿態(tài)控制兩方面，四旋翼飛行器以電機帶動旋翼作為驅(qū)動力來源，其空氣動力學原理與傳統(tǒng)固定翼飛行器及基于槳距控制的直升機系統(tǒng)有很大區(qū)別——得益于近幾十年來，在納米技術低雷諾數(shù)空氣動力學和 MEMS 技術方面研究的深入、科技的發(fā)展和應用的普及，四軸飛行器采用多種微傳感器、微處理器以及眾多子系統(tǒng)（導航、通信、動力和飛行控制等）構(gòu)成的高集成系統(tǒng)，飛行器結(jié)構(gòu)極為簡化，重量大幅減輕，而制造及裝配也十分容易。除此以外，飛行器擁有垂直起降能力，不需要配置反扭矩槳，通過結(jié)構(gòu)對稱的旋翼產(chǎn)生的反扭矩即可使飛行器平衡。通過搭載的功能傳感器，它能夠輕松駕馭例如對障礙物的識別、避讓、圍繞等在此之前其他類型飛行器難以完成的任務。飛行特性方面四軸飛行器體現(xiàn)出了強大優(yōu)勢和潛力，因而在軍事領域和民用領域都顯示出了極高的研究和應用價值。該發(fā)明由國家自然科學基金項目（61562051）、云南省應用基礎研究計劃重點項目（2014FA029）資助研究，主要在于探索CPS等實時嵌入式控制系統(tǒng)時序建模方法在四旋翼無人機超聲波實時避障防撞上的應用與推廣，解決超聲波實時避障防撞無人機裝置欠驅(qū)動控制與連續(xù)時間行為的關聯(lián)轉(zhuǎn)換難題，為超聲波實時避障防撞無人機裝置計算進程邏輯時間與物理進程物理時間的一致性提供理論依據(jù)。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術問題是：本發(fā)明提供一種基于嵌入式CPS的超聲波實時避障防撞無人機裝置，首先，電機的驅(qū)動電路采用三相六臂全橋電路，控制電路的管理控制芯片采用單片機STM32實現(xiàn)，以充分發(fā)揮其高性能、資源豐富的特點，因而外圍電路結(jié)構(gòu)簡單，實現(xiàn)電機的啟動和穩(wěn)定運行，大大提高四旋翼無人機無刷直流電機的調(diào)速和控制性能，解決了現(xiàn)有電路結(jié)構(gòu)復雜成本高，缺乏經(jīng)濟性等不足；其次通過超聲波測距模塊，實時監(jiān)測無人機與障礙物的距離，實現(xiàn)無人機自在主飛行時的自動避障功能，解決了現(xiàn)有市場上無人機無法實現(xiàn)自主飛行的障礙物自動躲避問題，進一步提高了無人機本身自帶的機動性、便攜性、可操作性，能夠更好的實現(xiàn)、完成、解決現(xiàn)有無人機應用領域的各種實際問題。

本發(fā)明技術方案是：一種基于嵌入式CPS的超聲波實時避障防撞無人機裝置，包括電源模塊1、控制模塊2、電機驅(qū)動模塊3、無線通信模塊4、姿態(tài)測量模塊5、防撞結(jié)構(gòu)6、超聲波測距模塊7、外圍輔助設備接口模塊8；其中電源模塊1分別與控制模塊2、電機驅(qū)動模塊3相連接，控制模塊2分別與電源模塊1、電機驅(qū)動模塊3、無線通信模塊4、姿態(tài)測量模塊5、防撞結(jié)構(gòu)6、超聲波測距模塊7、外圍輔助設備接口模塊8相連接。

所述電源模塊1包括3S聚合物鋰離子電池（自帶電池消除電路BEC, Battery Eliminating Circuit）、5V-3.3V 轉(zhuǎn)換電路、分流板；其中，3S聚合物鋰離子電池分別與5V-3.3V 轉(zhuǎn)換電路、分流板相連，5V-3.3V 轉(zhuǎn)換電路與控制模塊2中單片機模塊相連，為其提供工作電源，分流板直接與電機驅(qū)動模塊3相連，為電機工作提供電源。

所述5V-3.3V 轉(zhuǎn)換電路包括線性電源穩(wěn)壓芯片AMS1117、電容C1、C2、C3、C4；其中由3S聚合物鋰離子電池通過自帶BEC直流輸出5V電壓與線性電源穩(wěn)壓芯片AMS1117的+VIN引腳，電容C1的一端與線性電源穩(wěn)壓芯片AMS1117的+VIN引腳相連；電容C1的另一端直接接入大地GND；電容C2的一端與線性電源穩(wěn)壓芯片AMS1117的+VIN引腳相連，電容C2的另一端直接接入大地GND；線性電源穩(wěn)壓芯片AMS1117的GND引腳直接接入大地GND；電容C3的一端與線性電源穩(wěn)壓芯片AMS1117的OUT引腳相連，電容C3的另一端直接接入大地GND；電容C4的一端與線性電源穩(wěn)壓芯片AMS1117的OUT引腳相連，電容C4的另一端直接接入大地GND；線性電源穩(wěn)壓芯片AMS1117的OUT引腳直接作為3.3V電壓的正極VCC。

所述控制模塊2包括放大電路12、升壓電路13、驅(qū)動控制電路、濾波電路15、5V-3.3V轉(zhuǎn)換電路、單片機模塊；其中，單片機模塊分別與放大電路12、升壓電路13、驅(qū)動控制電路、濾波電路15、5V-3.3V轉(zhuǎn)換電路相連。

所述放大電路12包括74HC04放大器Q7、Q9、Q10、Q11、Q12、上拉電阻R13、R14；其中，74HC04放大器Q7的輸入端與74HC04放大器Q11的輸入端并聯(lián)，并作為放大電路12的輸入端，且與單片機模塊中單片機的P1.0方波脈沖信號輸出端口相連接，74HC04放大器Q7的輸出端與74HC04放大器Q9的輸入端相連接，74HC04放大器Q9的輸出端與上拉電阻R13的一端相連接，上拉電阻的R13的另一端與電源VCC相連接，74HC04放大器Q10的輸入端與74HC04放大器Q9的輸入端相連接，74HC04放大器Q10的輸出端與超聲波發(fā)射器19的一端相連接，74HC04放大器Q11的另一端與超聲波發(fā)射器19相連接，74HC04放大器Q12的輸入端與74HC04放大器Q11的輸入端相連接，74HC04放大器Q12的另一端與上拉電阻R14的一端、超聲波發(fā)射器19相連接，上拉電阻R14的另一端與電源VCC相連接，電源VCC為3.3V電壓源。

所述升壓電路13包括電感L1、VNPN型三極管Q8、二極管B1、電容C5；其中，電感L1的一端作為升壓電路13的輸入端與濾波電路15的輸出端相連接，電感L1的另一端與VNPN型三極管Q8的基極相連接；VNPN型三極管Q8的發(fā)射極與二極管B1的陽極相連接，VNPN型三極管Q8的集電極直接接入大地GND；二極管B1的陰極與電容C5的一端相連接，并且作為升壓電路13的輸出端與控制模塊2中的單片機模塊相連接；電容C5的另一端直接接入大地GND。

所述驅(qū)動控制電路包括定值電阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10、R11、R12，PNP型晶體管T1、T2、T3，NPN型三極管Q1、Q2、Q3，PNP型三極管Q4、Q5、Q6；其中定值電阻R1的一端為驅(qū)動控制電路A的A1端，另一端接入PNP型晶體管T1的基極，PNP型晶體管T1的集電極通過定值電阻R2與NPN型三極管Q1的并聯(lián)電路連接至電源模塊1的穩(wěn)壓直流電源VCC，PNP型晶體管T1的發(fā)射極直接入大地GND，定值電阻R3的一端為驅(qū)動控制電路A的B1端，另一端與定值電阻R4和PNP型三極管Q4的并聯(lián)電路串聯(lián)，PNP型三極管Q4的集電極與NPN型三極管Q1的發(fā)射極相連接，PNP型三極管Q4的發(fā)射極直接接入大地GND；定值電阻R5的一端為驅(qū)動控制電路B的A2端，另一端接入PNP型晶體管T2的基極，PNP型晶體管T2的集電極通過定值電阻R6與NPN型三極管Q2的并聯(lián)電路連接至電源模塊1的穩(wěn)壓直流電源VCC，PNP型晶體管T2的發(fā)射極直接入大地GND，定值電阻R7的一端為驅(qū)動控制電路B的B2端，另一端與定值電阻R8和PNP型三極管Q5的并聯(lián)電路串聯(lián)，PNP型三極管Q5的集電極與NPN型三極管Q2的發(fā)射極相連接，PNP型三極管Q5的發(fā)射極直接接入大地GND；定值電阻R9的一端為驅(qū)動控制電路C的A3端，另一端接入PNP型晶體管T3的基極，PNP型晶體管T3的集電極通過定值電阻R10與NPN型三極管Q3的并聯(lián)電路連接至電源模塊1的穩(wěn)壓直流電源VCC，PNP型晶體管T3的發(fā)射極直接入大地GND，定值電阻R11的一端為驅(qū)動控制電路C的B3端，另一端與定值電阻R12和PNP型三極管Q6的并聯(lián)電路串聯(lián)，PNP型三極管Q6的集電極與NPN型三極管Q3的發(fā)射極相連接，PNP型三極管Q6的發(fā)射極直接接入大地GND；驅(qū)動控制電路中的A1引腳、A2引腳、A3引腳與控制模塊2中單片機模塊中的PWM驅(qū)動信號相接，B1引腳、B2引腳、B3引腳與控制模塊2中單片機模塊中的I/O口相連接。

所述濾波電路15包括電阻R15、R16、R17、R18、R19、電容C6、C7、C8、放大器Q13；其中電阻R15一端與電容C6的一端相連接作為濾波電路15的輸入端，與超聲波測距模塊7中超聲波接收器20的輸出端相連，電阻15另一端與電阻R16的一端相連接，電阻R16的另一端與放大器Q13的“-”級相連接，電容C6的另一端與電阻R17的一端、電容C7的一端相連，電容C7的另一端與電阻R16的另一端、放大器Q13的“-”級相連接，電阻R17的另一端與電阻R19的一端相連接，電阻R19的另一端與電阻R18的一端、放大器Q13的“+”級相連接，電阻R18的另一端直接接入大地GND，電容C8的一端與電阻R15的一端、電阻R16的一端相連，電容C8的另一端直接接入大地GND，放大器Q13的基極作為濾波電路15的輸出端與控制模塊2中單片機模塊相連接。

所述無線通信模塊4采用通用的2.4G無線通訊模塊。

所述姿態(tài)測量模塊5采用MPU6050傳感器、HMC5883L三軸地磁傳感器羅盤，MPU6050傳感器整合了六軸運動跟蹤設備，包括三軸陀螺儀、三軸加速度傳感器。

所述防撞結(jié)構(gòu)6包括防護罩17、防護網(wǎng)18；其中防護罩17采用含有1-3%纈氨酸薯蕷皂苷元酯的塑料外殼，防護網(wǎng)18所用網(wǎng)線的線芯采用特制合成多路纖維束，網(wǎng)線外層采用特制螺旋編制合成纖維，防撞結(jié)構(gòu)的繞制以羽毛球拍的球拍線與球拍體繞制的方式繞制。

所述超聲波測距模塊7包括超聲波發(fā)射器19、放大電路12、超聲波接收器20、升壓電路13、濾波電路15、超聲波測距模塊外殼21；其中，超聲波發(fā)射器19的底部通過聚餐酸酯和硅膠與超聲波測距模塊外殼21無縫連接，超聲波接收器20的底部通過聚餐酸酯和硅膠與超聲波測距模塊外殼21連接再和超聲波發(fā)射器19所在同一平面無縫連接，超聲波發(fā)射器19發(fā)射端與超聲波接收器20的接收端與所在平面成90度角垂直向外；超聲波發(fā)射器19的下方設有放大電路12，且超聲波發(fā)射器19與放大電路12輸入端相連接，放大電路12的輸出端與控制模塊2中單片機模塊相連接；超聲波接收器20下方設有升壓電路13、濾波電路15，且超聲波接收器20與升壓電路13輸入端相連接，升壓電路13的輸出端與濾波電路15的輸入端相連接，濾波電路15的輸出端與控制模塊2中單片機模塊相連接。

所述外圍輔助設備接口模塊8采用四線制I2C擴展板。

本發(fā)明的工作原理是：

當本無人機切換至自主飛行時，無人機中的電源模塊1首先開始工作，由于無人機自身特性的限制，電源模塊采用3S聚合物鋰離子電池，并且該類型電池自帶電池消除電路BEC, Battery Eliminating Circuit），3S聚合物鋰離子電池提供11.1V電壓，通過BEC直接輸出5V電壓，由于控制模塊2、外圍輔助設備接口模塊8的工作電壓為3.3V，無線通信模塊4、姿態(tài)測量模塊5、超聲波測距模塊7的工作電壓為5V，電機驅(qū)動模塊3的工作電壓為11V；故將3S聚合物鋰離子電池直接通過分流板直接與電機驅(qū)動模塊3連接，作為無刷直流電機的工作電壓，將BEC的5V輸出電壓直接作為無線通信模塊4、姿態(tài)測量模塊5、超聲波測距模塊7的工作電壓，將BEC的5V輸出電壓作為5V-3.3V 轉(zhuǎn)換電路的輸入，將5V電壓轉(zhuǎn)換為3.3V電壓作為控制模塊2、外圍輔助設備接口模塊8的工作電壓；此時，控制模塊2、電機驅(qū)動模塊3、無線通信模塊4、姿態(tài)測量模塊5、超聲波測距模塊7、外圍輔助設備接口模塊8上電，開始工作。

當控制模塊2上電工作后，實時監(jiān)測姿態(tài)測量模塊5、超聲波測距模塊7的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)被單片機模塊讀取后，經(jīng)過單片機模塊的處理后反饋給執(zhí)行器電機驅(qū)動模塊3，用以調(diào)整無人機的飛行姿態(tài)。

當電機驅(qū)動模塊3上電工作后，單片機模塊根據(jù)檢測到的電機轉(zhuǎn)子位置，利用MOSFET的開關特性，實現(xiàn)電機的通電控制，例如，當Q1、Q5打開時，AB相導通，此時電流流向為電源正極→Q1→繞組A→繞組B→Q5→電源負極。類似的，當MOSFET打開順序分別為Q1、Q5，Q1、Q6，Q2、Q6，Q2、Q4，Q3、Q4，Q3、Q5時，只要在合適的時機進行準確換向，就可實現(xiàn)無刷直流電機的連續(xù)運轉(zhuǎn)。無刷直流電機能夠正常連續(xù)運轉(zhuǎn)，就要對轉(zhuǎn)子位置進行檢測，從而實現(xiàn)準確換向，由于無刷直流電機要求系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、重量輕，因而采用無位置傳感器的方式，利用第三相產(chǎn)生的感生電動勢過零點時刻延遲30°換向，由于無刷直流電機的兩相導通模式，因而可以利用不導通的第三相檢測反電勢的大小；反電勢檢測電路，中性點N 與單片機的AIN0 相接，Ain，Bin，Cin分別接單片機的ADC0，ADC1，ADC2.不停地比較中性點N電壓與A，B，C三相三個端點電壓的大小，以檢測出每相感應電動勢的過零點。單片機模塊16模擬比較器的正向輸入端為AIN0，負向輸入端則根據(jù)ADMUX寄存器的配置而選擇ADC0，ADC1，ADC2，從而利用了單片機模塊自帶的模擬比較器的復用功能。當A，B相通電期間，C相反電勢與中性點N進行比較，類似的，就可以成功檢測出各相的過零事件，當電機的反電勢檢測出來后，就可以找到反電勢的過零點，在反電勢過零后延遲30°電角度進行換向操作。無刷直流電機的驅(qū)動電路采用三相六臂全橋驅(qū)動方式，采用此方式可以減少電流波動和轉(zhuǎn)矩脈動，使得電機輸出較大的轉(zhuǎn)矩。在電機驅(qū)動部分使用6個功率場效應管控制輸出電壓，直流無刷電機驅(qū)動電路電源電壓為11V驅(qū)動電路中，三極管Q1-Q3采用IRFR 5305（P溝道），三極管Q4-Q6為IRFR 1205（N 溝道）。該場效應管內(nèi)藏續(xù)流二極管，為場效應管關斷時提供電流通路，以避免管子的反向擊穿；A1-A3 提供三相全橋上橋臂柵極驅(qū)動信號，并與單片機模塊的硬件PWM驅(qū)動信號相接，通過改變PWM信號的占空比來實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速控制，B1-B3提供下橋臂柵極驅(qū)動信號，由單片機的I/O口直接提供，具有導通與截止兩種狀態(tài)；無刷直流電機驅(qū)動控制采用三相六狀態(tài)控制策略，功率管具有六種觸發(fā)狀態(tài)，每次只有兩個管子導通，每60°電角度換向一次，例如某一時刻AB 相導通時，C 相截至，無電流輸出。此時，電機驅(qū)動模塊3正常工作。

當姿態(tài)測量模塊5上電工作后，MPU6050作為慣導傳感器，實時檢測無人機姿態(tài)信息，并以數(shù)字輸出6軸或9軸的旋轉(zhuǎn)矩陣、四元數(shù)、歐拉角格式的融合演算數(shù)據(jù)，達到131LSBs/°/sec的分辨率，并將實時檢測到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂颇K2中的單片機模塊，待單片機模塊處理、反饋給電機驅(qū)動模塊3；同時，三軸地磁傳感器羅盤HMC5883L本身內(nèi)置HMC118X系列磁阻傳感器和霍尼韋爾專利的專門設計集成電路（ASIC），自帶自動消磁驅(qū)動器、置位/復位和偏執(zhí)驅(qū)動器、偏差校準和12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可將實時檢測到的地球磁場等低磁場方向和大小數(shù)據(jù)，以高靈敏度、高線性精度的形式，通過自身12位模數(shù)傳感器傳輸?shù)娇刂颇K2中的單片機模塊，待單片機模塊處理、反饋給電機驅(qū)動模塊3，用以調(diào)整無人機的飛行姿態(tài)。

當超聲波測距模塊7上電工作后，超聲波發(fā)射器19采用超聲波發(fā)射換能器TCT40-16T，超聲波發(fā)射器19通過控制模塊2中單片機模塊軟件編程的方式向外界發(fā)出40kHz左右的方波脈沖信號，但由于單片機模塊的端口輸出功率不夠，故在單片機模塊的輸出端口接入放大電路12，放大電路是由74HC04組成的推挽式電路進行功率放大，該放大電路12的輸出端接有上拉電阻R13、R14，一方面可以提供方想起74HC04輸出高電平的驅(qū)動能力，另一方面可以增加超聲波發(fā)射器19的阻尼效果，縮短其自由振蕩的時間，能夠發(fā)射距離足夠遠，滿足測量距離要求的功率，最后將放大電路12的輸出與超聲波發(fā)射器19相連，最后通過超聲波發(fā)射器19以聲波的形式發(fā)射到空氣中，當聲波在空氣中遇到障礙物就會返回，通過超聲波接收器20順利接收到回波，其中，超聲波接收器20采用超聲波接收換能器TCT40-16R，是與超聲波發(fā)射換能器TCT40-16T配套的超聲波接收換能器，超聲波接收器20接收后將物理信號轉(zhuǎn)換成電信號，并將電信號通過升壓電路13、濾波電路15進行放大、濾波、整形等處理，最后將調(diào)整后的信號傳輸?shù)娇刂颇K2中的單片機模塊，并通過單片機模塊處理反饋給執(zhí)行器驅(qū)動控制電路（電機驅(qū)動電路）控制無人機的飛行姿態(tài)，實現(xiàn)躲避障礙物的功能。

本發(fā)明的有益效果是：此裝置能充分發(fā)揮STM32單片機高性能、資源豐富的特點，外圍電路結(jié)構(gòu)設計簡單，大大提高四旋翼無人機無刷直流電機的調(diào)速和控制性能，解決了現(xiàn)有電路結(jié)構(gòu)復雜成本高，缺乏經(jīng)濟性等不足；其次通過超聲波測距模塊，實時監(jiān)測無人機與障礙物的距離，實現(xiàn)無人機自在主飛行時的自動避障功能，解決了現(xiàn)有市場上無人機無法實現(xiàn)自主飛行的障礙物自動躲避問題，進一步提高了無人機本身自帶的機動性、便攜性、可操作性，能夠更好的實現(xiàn)、完成、解決現(xiàn)有無人機應用領域的各種實際問題。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的裝置結(jié)構(gòu)圖；

圖2為本發(fā)明的裝置俯視圖；

圖3為本發(fā)明的裝置側(cè)視圖；

圖4為本發(fā)明的5V-3.3V轉(zhuǎn)換電路原理圖；

圖5為本發(fā)明的RC環(huán)形振蕩電路原理圖；

圖6為本發(fā)明的超聲波測距模塊裝置圖；

圖7為本發(fā)明的放大電路原理圖；

圖8為本發(fā)明的控制模塊結(jié)構(gòu)圖；

圖9為本發(fā)明的濾波電路原理圖；

圖10為本發(fā)明的升壓電路原理圖；

圖11-13為本發(fā)明的驅(qū)動控制電路原理圖。

圖1-10中各標號：1-電源模塊，2-控制模塊，3-電機驅(qū)動模塊，4-無線通信模塊，5-姿態(tài)測量模塊，6-防撞結(jié)構(gòu)，7-超聲波測距模塊，8-外圍輔助設備接口模塊，12-放大電路，13-升壓電路，15-濾波電路，17-防護罩，18-防護網(wǎng)，19-超聲波發(fā)射器，20-超聲波接收器，21-超聲波測距模塊外殼。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施例，對本發(fā)明作進一步說明。

實施例1：如圖1-13所示，一種基于嵌入式CPS的超聲波實時避障防撞無人機裝置，包括電源模塊1、控制模塊2、電機驅(qū)動模塊3、無線通信模塊4、姿態(tài)測量模塊5、防撞結(jié)構(gòu)6、超聲波測距模塊7、外圍輔助設備接口模塊8；其中電源模塊1分別與控制模塊2、電機驅(qū)動模塊3相連接，控制模塊2分別與電源模塊1、電機驅(qū)動模塊3、無線通信模塊4、姿態(tài)測量模塊5、防撞結(jié)構(gòu)6、超聲波測距模塊7、外圍輔助設備接口模塊8相連接。

實施例2：如圖1-13所示，一種基于嵌入式CPS的超聲波實時避障防撞無人機裝置，包括電源模塊1、控制模塊2、電機驅(qū)動模塊3、無線通信模塊4、姿態(tài)測量模塊5、防撞結(jié)構(gòu)6、超聲波測距模塊7、外圍輔助設備接口模塊8；其中電源模塊1分別與控制模塊2、電機驅(qū)動模塊3相連接，控制模塊2分別與電源模塊1、電機驅(qū)動模塊3、無線通信模塊4、姿態(tài)測量模塊5、防撞結(jié)構(gòu)6、超聲波測距模塊7、外圍輔助設備接口模塊8相連接。

所述電源模塊1包括3S聚合物鋰離子電池（自帶電池消除電路BEC, Battery Eliminating Circuit）、5V-3.3V 轉(zhuǎn)換電路、分流板；其中，3S聚合物鋰離子電池分別與5V-3.3V 轉(zhuǎn)換電路、分流板相連，5V-3.3V 轉(zhuǎn)換電路與控制模塊2中單片機模塊相連，為其提供工作電源，分流板直接與電機驅(qū)動模塊3相連，為電機工作提供電源。

實施例3：如圖1-13所示，一種基于嵌入式CPS的超聲波實時避障防撞無人機裝置，本實施例與實施例2相同，其中，

所述5V-3.3V 轉(zhuǎn)換電路包括線性電源穩(wěn)壓芯片AMS1117、電容C1、C2、C3、C4；其中由3S聚合物鋰離子電池通過自帶BEC直流輸出5V電壓與線性電源穩(wěn)壓芯片AMS1117的+VIN引腳，電容C1的一端與線性電源穩(wěn)壓芯片AMS1117的+VIN引腳相連；電容C1的另一端直接接入大地GND；電容C2的一端與線性電源穩(wěn)壓芯片AMS1117的+VIN引腳相連，電容C2的另一端直接接入大地GND；線性電源穩(wěn)壓芯片AMS1117的GND引腳直接接入大地GND；電容C3的一端與線性電源穩(wěn)壓芯片AMS1117的OUT引腳相連，電容C3的另一端直接接入大地GND；電容C4的一端與線性電源穩(wěn)壓芯片AMS1117的OUT引腳相連，電容C4的另一端直接接入大地GND；線性電源穩(wěn)壓芯片AMS1117的OUT引腳直接作為3.3V電壓的正極VCC。

實施例4：如圖1-13所示，一種基于嵌入式CPS的超聲波實時避障防撞無人機裝置，本實施例與實施例3相同，其中，

所述控制模塊2包括放大電路12、升壓電路13、驅(qū)動控制電路、濾波電路15、5V-3.3V轉(zhuǎn)換電路、單片機模塊；其中，單片機模塊分別與放大電路12、升壓電路13、驅(qū)動控制電路、濾波電路15、5V-3.3V轉(zhuǎn)換電路相連。

所述放大電路12包括74HC04放大器Q7、Q9、Q10、Q11、Q12、上拉電阻R13、R14；其中，74HC04放大器Q7的輸入端與74HC04放大器Q11的輸入端并聯(lián)，并作為放大電路12的輸入端，且與單片機模塊中單片機的P1.0方波脈沖信號輸出端口相連接，74HC04放大器Q7的輸出端與74HC04放大器Q9的輸入端相連接，74HC04放大器Q9的輸出端與上拉電阻R13的一端相連接，上拉電阻的R13的另一端與電源VCC相連接，74HC04放大器Q10的輸入端與74HC04放大器Q9的輸入端相連接，74HC04放大器Q10的輸出端與超聲波發(fā)射器19的一端相連接，74HC04放大器Q11的另一端與超聲波發(fā)射器19相連接，74HC04放大器Q12的輸入端與74HC04放大器Q11的輸入端相連接，74HC04放大器Q12的另一端與上拉電阻R14的一端、超聲波發(fā)射器19相連接，上拉電阻R14的另一端與電源VCC相連接，電源VCC為3.3V電壓源。

實施例5：如圖1-13所示，一種基于嵌入式CPS的超聲波實時避障防撞無人機裝置，本實施例與實施例4相同，其中，

所述升壓電路13包括電感L1、VNPN型三極管Q8、二極管B1、電容C5；其中，電感L1的一端作為升壓電路13的輸入端與濾波電路15的輸出端相連接，電感L1的另一端與VNPN型三極管Q8的基極相連接；VNPN型三極管Q8的發(fā)射極與二極管B1的陽極相連接，VNPN型三極管Q8的集電極直接接入大地GND；二極管B1的陰極與電容C5的一端相連接，并且作為升壓電路13的輸出端與控制模塊2中的單片機模塊相連接；電容C5的另一端直接接入大地GND。

實施例6：如圖1-13所示，一種基于嵌入式CPS的超聲波實時避障防撞無人機裝置，本實施例與實施例5相同，其中，

所述驅(qū)動控制電路包括定值電阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10、R11、R12，PNP型晶體管T1、T2、T3，NPN型三極管Q1、Q2、Q3，PNP型三極管Q4、Q5、Q6；其中定值電阻R1的一端為驅(qū)動控制電路A的A1端，另一端接入PNP型晶體管T1的基極，PNP型晶體管T1的集電極通過定值電阻R2與NPN型三極管Q1的并聯(lián)電路連接至電源模塊1的穩(wěn)壓直流電源VCC，PNP型晶體管T1的發(fā)射極直接入大地GND，定值電阻R3的一端為驅(qū)動控制電路A的B1端，另一端與定值電阻R4和PNP型三極管Q4的并聯(lián)電路串聯(lián)，PNP型三極管Q4的集電極與NPN型三極管Q1的發(fā)射極相連接，PNP型三極管Q4的發(fā)射極直接接入大地GND；定值電阻R5的一端為驅(qū)動控制電路B的A2端，另一端接入PNP型晶體管T2的基極，PNP型晶體管T2的集電極通過定值電阻R6與NPN型三極管Q2的并聯(lián)電路連接至電源模塊1的穩(wěn)壓直流電源VCC，PNP型晶體管T2的發(fā)射極直接入大地GND，定值電阻R7的一端為驅(qū)動控制電路B的B2端，另一端與定值電阻R8和PNP型三極管Q5的并聯(lián)電路串聯(lián)，PNP型三極管Q5的集電極與NPN型三極管Q2的發(fā)射極相連接，PNP型三極管Q5的發(fā)射極直接接入大地GND；定值電阻R9的一端為驅(qū)動控制電路C的A3端，另一端接入PNP型晶體管T3的基極，PNP型晶體管T3的集電極通過定值電阻R10與NPN型三極管Q3的并聯(lián)電路連接至電源模塊1的穩(wěn)壓直流電源VCC，PNP型晶體管T3的發(fā)射極直接入大地GND，定值電阻R11的一端為驅(qū)動控制電路C的B3端，另一端與定值電阻R12和PNP型三極管Q6的并聯(lián)電路串聯(lián)，PNP型三極管Q6的集電極與NPN型三極管Q3的發(fā)射極相連接，PNP型三極管Q6的發(fā)射極直接接入大地GND；驅(qū)動控制電路中的A1引腳、A2引腳、A3引腳與控制模塊2中單片機模塊中的PWM驅(qū)動信號相接，B1引腳、B2引腳、B3引腳與控制模塊2中單片機模塊中的I/O口相連接。

實施例7：如圖1-13所示，一種基于嵌入式CPS的超聲波實時避障防撞無人機裝置，本實施例與實施例6相同，其中，

所述濾波電路15包括電阻R15、R16、R17、R18、R19、電容C6、C7、C8、放大器Q13；其中電阻R15一端與電容C6的一端相連接作為濾波電路15的輸入端，與超聲波測距模塊7中超聲波接收器20的輸出端相連，電阻15另一端與電阻R16的一端相連接，電阻R16的另一端與放大器Q13的“-”級相連接，電容C6的另一端與電阻R17的一端、電容C7的一端相連，電容C7的另一端與電阻R16的另一端、放大器Q13的“-”級相連接，電阻R17的另一端與電阻R19的一端相連接，電阻R19的另一端與電阻R18的一端、放大器Q13的“+”級相連接，電阻R18的另一端直接接入大地GND，電容C8的一端與電阻R15的一端、電阻R16的一端相連，電容C8的另一端直接接入大地GND，放大器Q13的基極作為濾波電路15的輸出端與控制模塊2中單片機模塊相連接。

實施例8：如圖1-13所示，一種基于嵌入式CPS的超聲波實時避障防撞無人機裝置，本實施例與實施例7相同，其中，

所述無線通信模塊4采用通用的2.4G無線通訊模塊。

所述姿態(tài)測量模塊5采用MPU6050傳感器、HMC5883L三軸地磁傳感器羅盤，MPU6050傳感器整合了六軸運動跟蹤設備，包括三軸陀螺儀、三軸加速度傳感器。

實施例9：如圖1-13所示，一種基于嵌入式CPS的超聲波實時避障防撞無人機裝置，本實施例與實施例8相同，其中，

所述防撞結(jié)構(gòu)6包括防護罩17、防護網(wǎng)18；其中防護罩17采用含有1-3%纈氨酸薯蕷皂苷元酯的塑料外殼，防護網(wǎng)18所用網(wǎng)線的線芯采用特制合成多路纖維束，網(wǎng)線外層采用特制螺旋編制合成纖維，防撞結(jié)構(gòu)的繞制以羽毛球拍的球拍線與球拍體繞制的方式繞制。

實施例10：如圖1-13所示，一種基于嵌入式CPS的超聲波實時避障防撞無人機裝置，本實施例與實施例9相同，其中，

所述超聲波測距模塊7包括超聲波發(fā)射器19、放大電路12、超聲波接收器20、升壓電路13、濾波電路15、超聲波測距模塊外殼21；其中，超聲波發(fā)射器19的底部通過聚餐酸酯和硅膠與超聲波測距模塊外殼21無縫連接，超聲波接收器20的底部通過聚餐酸酯和硅膠與超聲波測距模塊外殼21連接再和超聲波發(fā)射器19所在同一平面無縫連接，超聲波發(fā)射器19發(fā)射端與超聲波接收器20的接收端與所在平面成90度角垂直向外；超聲波發(fā)射器19的下方設有放大電路12，且超聲波發(fā)射器19與放大電路12輸入端相連接，放大電路12的輸出端與控制模塊2中單片機模塊相連接；超聲波接收器20下方設有升壓電路13、濾波電路15，且超聲波接收器20與升壓電路13輸入端相連接，升壓電路13的輸出端與濾波電路15的輸入端相連接，濾波電路15的輸出端與控制模塊2中單片機模塊相連接。

實施例11：如圖1-13所示，一種基于嵌入式CPS的超聲波實時避障防撞無人機裝置，包括電源模塊1、控制模塊2、電機驅(qū)動模塊3、無線通信模塊4、姿態(tài)測量模塊5、防撞結(jié)構(gòu)6、超聲波測距模塊7、外圍輔助設備接口模塊8；其中電源模塊1分別與控制模塊2、電機驅(qū)動模塊3相連接，控制模塊2分別與電源模塊1、電機驅(qū)動模塊3、無線通信模塊4、姿態(tài)測量模塊5、防撞結(jié)構(gòu)6、超聲波測距模塊7、外圍輔助設備接口模塊8相連接。

所述電源模塊1包括3S聚合物鋰離子電池（自帶電池消除電路BEC, Battery Eliminating Circuit）、5V-3.3V 轉(zhuǎn)換電路、分流板；其中，3S聚合物鋰離子電池分別與5V-3.3V 轉(zhuǎn)換電路、分流板相連，5V-3.3V 轉(zhuǎn)換電路與控制模塊2中單片機模塊相連，為其提供工作電源，分流板直接與電機驅(qū)動模塊3相連，為電機工作提供電源。

所述5V-3.3V 轉(zhuǎn)換電路包括線性電源穩(wěn)壓芯片AMS1117、電容C1、C2、C3、C4；其中由3S聚合物鋰離子電池通過自帶BEC直流輸出5V電壓與線性電源穩(wěn)壓芯片AMS1117的+VIN引腳，電容C1的一端與線性電源穩(wěn)壓芯片AMS1117的+VIN引腳相連；電容C1的另一端直接接入大地GND；電容C2的一端與線性電源穩(wěn)壓芯片AMS1117的+VIN引腳相連，電容C2的另一端直接接入大地GND；線性電源穩(wěn)壓芯片AMS1117的GND引腳直接接入大地GND；電容C3的一端與線性電源穩(wěn)壓芯片AMS1117的OUT引腳相連，電容C3的另一端直接接入大地GND；電容C4的一端與線性電源穩(wěn)壓芯片AMS1117的OUT引腳相連，電容C4的另一端直接接入大地GND；線性電源穩(wěn)壓芯片AMS1117的OUT引腳直接作為3.3V電壓的正極VCC。

所述控制模塊2包括放大電路12、升壓電路13、驅(qū)動控制電路、濾波電路15、5V-3.3V轉(zhuǎn)換電路、單片機模塊；其中，單片機模塊分別與放大電路12、升壓電路13、驅(qū)動控制電路、濾波電路15、5V-3.3V轉(zhuǎn)換電路相連。

所述放大電路12包括74HC04放大器Q7、Q9、Q10、Q11、Q12、上拉電阻R13、R14；其中，74HC04放大器Q7的輸入端與74HC04放大器Q11的輸入端并聯(lián)，并作為放大電路12的輸入端，且與單片機模塊中單片機的P1.0方波脈沖信號輸出端口相連接，74HC04放大器Q7的輸出端與74HC04放大器Q9的輸入端相連接，74HC04放大器Q9的輸出端與上拉電阻R13的一端相連接，上拉電阻的R13的另一端與電源VCC相連接，74HC04放大器Q10的輸入端與74HC04放大器Q9的輸入端相連接，74HC04放大器Q10的輸出端與超聲波發(fā)射器19的一端相連接，74HC04放大器Q11的另一端與超聲波發(fā)射器19相連接，74HC04放大器Q12的輸入端與74HC04放大器Q11的輸入端相連接，74HC04放大器Q12的另一端與上拉電阻R14的一端、超聲波發(fā)射器19相連接，上拉電阻R14的另一端與電源VCC相連接，電源VCC為3.3V電壓源。

所述升壓電路13包括電感L1、VNPN型三極管Q8、二極管B1、電容C5；其中，電感L1的一端作為升壓電路13的輸入端與濾波電路15的輸出端相連接，電感L1的另一端與VNPN型三極管Q8的基極相連接；VNPN型三極管Q8的發(fā)射極與二極管B1的陽極相連接，VNPN型三極管Q8的集電極直接接入大地GND；二極管B1的陰極與電容C5的一端相連接，并且作為升壓電路13的輸出端與控制模塊2中的單片機模塊相連接；電容C5的另一端直接接入大地GND。

所述驅(qū)動控制電路包括定值電阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10、R11、R12，PNP型晶體管T1、T2、T3，NPN型三極管Q1、Q2、Q3，PNP型三極管Q4、Q5、Q6；其中定值電阻R1的一端為驅(qū)動控制電路A的A1端，另一端接入PNP型晶體管T1的基極，PNP型晶體管T1的集電極通過定值電阻R2與NPN型三極管Q1的并聯(lián)電路連接至電源模塊1的穩(wěn)壓直流電源VCC，PNP型晶體管T1的發(fā)射極直接入大地GND，定值電阻R3的一端為驅(qū)動控制電路A的B1端，另一端與定值電阻R4和PNP型三極管Q4的并聯(lián)電路串聯(lián)，PNP型三極管Q4的集電極與NPN型三極管Q1的發(fā)射極相連接，PNP型三極管Q4的發(fā)射極直接接入大地GND；定值電阻R5的一端為驅(qū)動控制電路B的A2端，另一端接入PNP型晶體管T2的基極，PNP型晶體管T2的集電極通過定值電阻R6與NPN型三極管Q2的并聯(lián)電路連接至電源模塊1的穩(wěn)壓直流電源VCC，PNP型晶體管T2的發(fā)射極直接入大地GND，定值電阻R7的一端為驅(qū)動控制電路B的B2端，另一端與定值電阻R8和PNP型三極管Q5的并聯(lián)電路串聯(lián)，PNP型三極管Q5的集電極與NPN型三極管Q2的發(fā)射極相連接，PNP型三極管Q5的發(fā)射極直接接入大地GND；定值電阻R9的一端為驅(qū)動控制電路C的A3端，另一端接入PNP型晶體管T3的基極，PNP型晶體管T3的集電極通過定值電阻R10與NPN型三極管Q3的并聯(lián)電路連接至電源模塊1的穩(wěn)壓直流電源VCC，PNP型晶體管T3的發(fā)射極直接入大地GND，定值電阻R11的一端為驅(qū)動控制電路C的B3端，另一端與定值電阻R12和PNP型三極管Q6的并聯(lián)電路串聯(lián)，PNP型三極管Q6的集電極與NPN型三極管Q3的發(fā)射極相連接，PNP型三極管Q6的發(fā)射極直接接入大地GND；驅(qū)動控制電路中的A1引腳、A2引腳、A3引腳與控制模塊2中單片機模塊中的PWM驅(qū)動信號相接，B1引腳、B2引腳、B3引腳與控制模塊2中單片機模塊中的I/O口相連接。

所述濾波電路15包括電阻R15、R16、R17、R18、R19、電容C6、C7、C8、放大器Q13；其中電阻R15一端與電容C6的一端相連接作為濾波電路15的輸入端，與超聲波測距模塊7中超聲波接收器20的輸出端相連，電阻15另一端與電阻R16的一端相連接，電阻R16的另一端與放大器Q13的“-”級相連接，電容C6的另一端與電阻R17的一端、電容C7的一端相連，電容C7的另一端與電阻R16的另一端、放大器Q13的“-”級相連接，電阻R17的另一端與電阻R19的一端相連接，電阻R19的另一端與電阻R18的一端、放大器Q13的“+”級相連接，電阻R18的另一端直接接入大地GND，電容C8的一端與電阻R15的一端、電阻R16的一端相連，電容C8的另一端直接接入大地GND，放大器Q13的基極作為濾波電路15的輸出端與控制模塊2中單片機模塊相連接。

所述無線通信模塊4采用通用的2.4G無線通訊模塊。

所述姿態(tài)測量模塊5采用MPU6050傳感器、HMC5883L三軸地磁傳感器羅盤，MPU6050傳感器整合了六軸運動跟蹤設備，包括三軸陀螺儀、三軸加速度傳感器。

所述防撞結(jié)構(gòu)6包括防護罩17、防護網(wǎng)18；其中防護罩17采用含有1-3%纈氨酸薯蕷皂苷元酯的塑料外殼，防護網(wǎng)18所用網(wǎng)線的線芯采用特制合成多路纖維束，網(wǎng)線外層采用特制螺旋編制合成纖維，防撞結(jié)構(gòu)的繞制以羽毛球拍的球拍線與球拍體繞制的方式繞制。

所述超聲波測距模塊7包括超聲波發(fā)射器19、放大電路12、超聲波接收器20、升壓電路13、濾波電路15、超聲波測距模塊外殼21；其中，超聲波發(fā)射器19的底部通過聚餐酸酯和硅膠與超聲波測距模塊外殼21無縫連接，超聲波接收器20的底部通過聚餐酸酯和硅膠與超聲波測距模塊外殼21連接再和超聲波發(fā)射器19所在同一平面無縫連接，超聲波發(fā)射器19發(fā)射端與超聲波接收器20的接收端與所在平面成90度角垂直向外；超聲波發(fā)射器19的下方設有放大電路12，且超聲波發(fā)射器19與放大電路12輸入端相連接，放大電路12的輸出端與控制模塊2中單片機模塊相連接；超聲波接收器20下方設有升壓電路13、濾波電路15，且超聲波接收器20與升壓電路13輸入端相連接，升壓電路13的輸出端與濾波電路15的輸入端相連接，濾波電路15的輸出端與控制模塊2中單片機模塊相連接。

所述外圍輔助設備接口模塊8采用四線制I2C擴展板。

上面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施例作了詳細說明，但是本發(fā)明并不限于上述實施例，在本領域普通技術人員所具備的知識范圍內(nèi)，還可以在不脫離本發(fā)明宗旨的前提下作出各種變化。