一种无人机自主抓取装置及其控制方法

1.本发明涉及无人机自动化抓取技术领域，具体涉及一种无人机自主抓取装置及其控制方法。


背景技术：

2.基于配送需求剧增、人力成本飙升、服务场景复杂等多因素驱动，加之相关软硬件技术的进步，使无人机达到了实用性的基本要求，并共同促成了一个物流创新的“变局”一无人机物流。无人机被认为是解决配送“最后一公里”难题的有效手段。未来，物流无人机定将成为现代物流业不可或缺的基础设施，助力物流业实现跨越式发展。
3.相比于一般的航空运输和直升机运输，无人机运输具有成本低、调度灵活等优势，并能弥补传统的航空运力空白。随着航空货运需求量逐年攀升，持证飞行员的数量和配套资源、以及飞行员和机组成员的人工成本等成为发展的制约因素。而无人机货运的成本相对低廉，且无人驾驶的特点能使机场在建设和营运管理方面实现全要素的集约化发展。
4.智慧物流，是指利用系列智能化技术，使物流系统能模仿人的智能，具有思维、感知、学习和推理判断能力，并能自行解决物流中的某些问题。据统计，2020年中国智慧物流整体市场规模是356.7亿元，到2022年10月增长至1280.5亿元，年均复合增长率超过70％。传统的物流早已不能满足如今得物流需求，因此需要高效的运输方式及精准的投放装置来实现高效物流、智慧物流。
5.现有技术中，如专利号为202211007425.6，专利名称为一种民用快递运输无人机的现有技术，但是改装置整体空间利用率偏低，即无人机起落架之内的底部空间利用率不高。所述技术采用的升降装置为气缸式，需要外配气源，体积大，成本高。正由于其体积大造成所述升降装置整体长度偏长，在起降和运输过程中容易因为重心偏移对无人机的控制带来负荷。其次，所述抓取装置内侧短机械臂运动方式和驱动方式过于简单，所述内侧短机械臂底部受到平行于其运动方式的压力，在夹取过程中极易出现弯曲现象，给第二驱动组件带来额外负荷。再者，所述快递盒追踪系统采用固定的快递盒，导致快递货物尺寸被约束，使用空间被限制。
6.现有技术中，如专利号为201821222029.4，专利名称为一种用于无人机的抓取机构及无人机，但是该无人机抓取机构受力点相对单一，抓取面积小，给舵机带来较大的负荷，效率低，且抓取过程中极易滑落。所述抓取机构由于作用点单一，在抓取过程中所述两个夹持板作用线会不通过货物质心，而造成货物绕着所述夹持板缓慢旋转现象，即存在较大风险完不成规定抓取任务。所述抓取机构在货物运输过程中也极易出现由于重心偏移而导致无人机难以控制。所述抓取机构由于作用面相互平行，抓取快递货物的长宽比收到限制，即长宽比越大的货物越不适用。


技术实现要素：

7.为解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种无人机自主抓取装置及其控制
方法，采取电动箭叉式升降装置，成本低，结构简单，容易控制，同时正常回收状态下所占空间小，一方面有效利用无人机底部空间；另一方面应用行星轮组代替传统机械臂组件实现对目标物体的抓取，同时巧妙的应用多个传动齿轮将两个行星轮紧凑的啮合在一起，其不仅结构紧凑、体积小、重量轻，效率高、功率损失小，而且传动平衡，抗冲击振动能力强，解决了上述背景技术中提到的问题。
8.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种无人机自主抓取装置，包括机械结构和控制模块；所述机械机构包括连接基座、通过连接基座与无人机进行连接的升降装置、设置在升降装置上端的支撑组件和设置在升降装置下端中央的行星轮组件；所述控制模块包括双目相机、电源模块、第一处理器、第二处理器、第一距离传感器、第二距离传感器和第三距离传感器；所述电源模块包括电机驱动模块和舵机驱动模块。
9.优选的，所述升降装置包括升降上底座、第一驱动电机、第一滑块、第一丝杆、支架、支架连接柱以及升降下底座；
10.所述第一驱动电机对称安装于升降上底座内侧中央，所述第一丝杆两端分别与第一驱动电机连接，第一丝杆上设置有两段长度相等方向相反的螺纹装饰线；
11.所述支架两端连接支架连接柱，并且支架中间通过支架连接钉连接；所述支架连接柱两端连接滚动轴套对称安装于升降上底座中的支架运动轨道中；所述第一滑块分别被支架连接柱和第一丝杆错位贯穿，支架连接柱和第一丝杆呈90
°
夹角；
12.优选的，所述支架运动轨道平行于升降上底座平面，并安装于升降上底座下侧；所述升降下底座平行于升降上底座，且行星轮组件安装在升降下底座中央。
13.优选的，所述支撑组件为左右对称安装，支撑组件包括支撑基座、第二滑块、第二驱动电机、第二丝杆和第三丝杆；
14.所述支撑基座安装于升降上底座上端中央；第二丝杆两端分别与支撑基座一端和升降上底座一侧连接，第三丝杆两端分别与支撑基座另一端和升降上底座另一侧连接，并且第二丝杆和第三丝杆上设置有长度相同、旋向相反的装饰螺纹线，第二丝杆和第三丝杆靠近升降上底座的杆体末端均设置有齿轮；
15.所述第二驱动电机安装在支撑基座里，第二驱动电机末端连有电机齿轮，并且通过皮带将电机齿轮和丝杆杆体末端的齿轮连接；
16.所述第二滑块贯穿于第二丝杆，同时下端连接支撑杆，支撑杆底部设有支撑板。
17.优选的，所述行星轮组件包括上盖、舵机、齿轮组件、齿轮固定架和下盖；所述齿轮组件包括两个外齿轮、两个太阳齿轮、四个行星齿轮、四个传动齿轮；
18.所述两个外齿轮分别为第一外齿轮和第二外齿轮；所述两个太阳齿轮分别为第一太阳齿轮和第二太阳齿轮；所述四个行星齿轮分别为第一行星齿轮、第二行星齿轮、第三行星齿轮和第四行星齿轮；所述四个传动齿轮分别为第一传动齿轮、第二传动齿轮、第三传动齿轮和第四传动齿轮。
19.优选的，所述上盖安装在升降下底座中央；所述舵机与第一太阳齿轮连接；第一太阳齿轮与第一行星齿轮和第二行星齿轮啮合，同时第一外齿轮与第一行星齿轮和第二行星齿轮啮合；
20.所述第一传动齿轮与第二行星齿轮和第二传动齿轮啮合；第二传动齿轮与第三行星齿轮啮合；第三传动齿轮与第一行星齿轮和第四传动齿轮啮合；
21.所述第四传动齿轮与第四行星齿轮啮合；第三行星齿轮和第四行星齿轮分别与第二太阳齿轮和第二外齿轮啮合；
22.所述齿轮组件中的所有齿轮均通过齿轮固定轴与齿轮固定架连接；所述四个行星齿轮下端均有机械臂连接件，通过机械臂连接件将机械臂连接在四个行星齿轮上；每个机械臂下端均安装有两段弹簧，并且下端连接旋转板，同时每个旋转板均设有防滑垫。
23.优选的，所述控制模块中的双目相机安装在升降上底座底部；所述第一距离传感器安装在下盖底部中央；所述第二距离传感器安装在支撑杆距离第三距离传感器50mm处，同时第三距离传感器安装在支撑杆上，距离支撑板20mm处；电源模块、第一处理器和第二处理器均安装在升降上底座中。
24.另外，为实现上述目的，本发明还提供了如下技术方案：一种无人机自主抓取控制方法，包括如下步骤：
25.s1、采用双目相机，利用世界坐标系与机体坐标系的转化关系和elas立体匹配算法进行对目标物体的定位；
26.s2、利用第一处理器和飞行控制器控制无人机的移动，
27.s3、通过第二处理器基于yolov4-tiny目标检测算法与双目视觉引导系统对目标物体进行检测与定位以及尺寸估计；
28.s4、将三个距离传感器作为信号输入，电机驱动和舵机驱动作为执行元件，结合pid算法实现对目标物体的精准抓取。
29.优选的，所述对目标物体的精准抓取具体包括：
30.第一阶段：升降装置向下伸长，其通过第一驱动电机带动第一滑块在第一丝杆中运动，进而使支架带动支架连接柱在支架运动轨道内运动，通过第一距离传感器对目标物体进行距离判断；
31.第二阶段：第二处理器把对边缘检测与直线拟合的尺寸估计结果串口通信反馈给第一处理器，第一处理器采用pid算法调节并控制舵机带动第一太阳齿轮旋转，旋转板在接触目标物体时依靠内置弹簧自动旋转至与目标物体的表面平行，第一太阳齿轮在旋转过程中抓起目标物体；
32.第三阶段：目标物体被抓起后，通过第三距离传感器使支撑板的高度略低于目标物体底部的高度；然后第二驱动电机驱动第二滑块分别在第二丝杆、第三丝杆中运动，驱使支撑杆向内运动，并采用pid算法调节支撑杆向内运动的速度，完成目标物体的精准抓取。
33.本发明的有益效果是：
34.1)本发明采取电动箭叉式升降装置，成本低，结构简单，容易控制。两个驱动电机由同一端口供电，能实现同步转动，从而带动支架连接柱镜像运动，在根本上解决了传统箭叉式升降在升降过程中会出现重心偏移的情况。其通过与双目视觉系统和第一距离传感器的配合，能有效地将行星轮组通过升降装置下降和上升。
35.2)本发明应用行星轮组代替传统机械臂组件实现对目标物体的抓取，同时巧妙的应用多个传动齿轮将两个行星轮紧凑的啮合在一起。整个行星轮组件由一个舵机驱动，即第一太阳齿轮为主动轮，靠着其较高的传动比带动其余从动轮。其不仅结构紧凑、体积小、重量轻，效率高、功率损失小，而且传动平衡，抗冲击振动能力强。同时快递货物在运输过程中，依靠支撑组件的支撑板支撑货物，在整个运输过程中不需要额外的电能输入，大大降低
了电能消耗。
36.3)本发明抓取采取多个作用点，受力面相垂直的固定方式，不论是在抓取过程还是运输过程，装置都能牢固抓取快递货物。控制方法原理简单，控制方便。利用双目视觉的优点，搭配yolov4-tiny目标检测算法对目标货物进行检测，利用世界坐标系与机体坐标系的转化关系和elas立体匹配算法进行对目标物体的定位；抓取机构的阶段控制由三个距离传感器作为信号输入，电机和舵机作为执行元件，控制线路简单可靠，且效率高。
37.4)本发明采用双目相机，利用双目视觉系统实现对目标货物精确定位，不需要与之配套的快递盒，搭配行星轮组可变的抓取空间能够实现对不同尺寸快递货物的灵活抓取，可用于偏远地区快递运输，末端配送，仓储管理，应急救援，应急物资的运输等。
附图说明
38.图1为本发明无人机自主抓取装置的结构示意图；
39.图2为本发明无人机自主抓取装置的升降装置结构示意图；
40.图3为本发明无人机自主抓取装置的支撑组件的结构示意图；
41.图4为本发明无人机自主抓取装置的行星轮组件的结构示意图；
42.图5为本发明无人机自主抓取装置的抓取装置的俯视图；
43.图6为本发明无人机自主抓取装置的控制模块示意图；
44.图7为本发明无人机自主抓取装置的快递货物抓取示意图；
45.图中，1-连接基座；2-升降装置；3-支撑组件；4-行星轮组件；5-升降上底座；6-第一驱动电机；7-第一滑块；8-第一丝杆；9-滚动轴套；10-支架连接钉；11-支架；12-支架连接柱；13-升降下底座；14-支撑基座；15-第二滑块；16-第二驱动电机；17-第二丝杆；18-电机齿轮；19-皮带；20-支撑杆；21-支撑板；22-舵机；23-齿轮固定架；24-第一外齿轮；25-第一太阳齿轮；26-第一行星齿轮；27-第二行星齿轮；28-第一传动齿轮；29-第二传动齿轮；30-第三传动齿轮；31-第二太阳齿轮；32-第三行星齿轮；33-第四行星齿轮；34-齿轮固定轴；35-第二外齿轮；36-机械臂；37-弹簧；38-旋转板；39-防滑垫；40-机械臂连接件；41-第三丝杆；42-上盖；43-支架运动轨道；44-第四传动齿轮；45-下盖；46-双目相机；47-第一距离传感器；48-第二距离传感器；49-第三距离传感器；50-第一处理器；51-第二处理器；52-电源模块；53-电机驱动模块；54-舵机驱动模块；55-快递货物。
具体实施方式
46.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
47.在快递运输行业，快递无人机也正慢慢被开发和应用。快递无人机能自动将快递包裹送达目的地，其优点主要在于解决偏远地区的配送问题，提高配送效率，同时减少人力成本。现有的无人机智能化程度低，需要人工将快递盒固定在无人机上运输，不能根据快递盒的位置自动准确抓取快递运输。
48.实施例1
49.请参阅图1-图7，本发明提供一种技术方案：一种无人机自主抓取装置，包括机械结构和控制模块。如图1所示，所述机械机构包括连接基座1、通过连接基座与无人机进行连接的升降装置2、设置在升降装置上端的支撑组件3和设置在升降装置下端中央的行星轮组件4。
50.进一步的，如图2所示，升降装置2包括升降上底座5、第一驱动电机6、第一滑块7、第一丝杆8、支架11、支架连接柱12以及升降下底座13。
51.第一驱动电机6对称安装于升降上底座5内侧中央，所述第一丝杆8两端分别与第一驱动电机6连接，第一丝杆8上设置有两段长度相等方向相反的螺纹装饰线；
52.支架11两端连接支架连接柱12，并且支架11中间通过支架连接钉10连接；所述支架连接柱12两端连接滚动轴套9对称安装于升降上底座5中的支架运动轨道43中；第一滑块7分别被支架连接柱12和第一丝杆8错位贯穿，支架连接柱12和第一丝杆8呈90
°
夹角；
53.进一步的，支架运动轨道43平行于升降上底座5平面，并安装于升降上底座5下侧；所述升降下底座13平行于升降上底座5，且行星轮组件4安装在升降下底座13中央。
54.进一步的，如图3所示，支撑组件3为左右对称安装，支撑组件3包括支撑基座14、第二滑块15、第二驱动电机16、第二丝杆17和第三丝杆41；
55.所述支撑基座14安装于升降上底座5上端中央；第二丝杆17两端分别与支撑基座14一端和升降上底座5一侧连接，第三丝杆41两端分别与支撑基座14另一端和升降上底座5另一侧连接，并且第二丝杆17和第三丝杆41上设置有长度相同、旋向相反的装饰螺纹线，第二丝杆17和第三丝杆41靠近升降上底座5的杆体末端均设置有齿轮；
56.所述第二驱动电机16安装在支撑基座14里，第二驱动电机16末端连有电机齿轮18，并且通过皮带19将电机齿轮18和丝杆杆体末端的齿轮连接；
57.所述第二滑块15贯穿于第二丝杆17，同时下端连接支撑杆20，支撑杆20底部设有支撑板21。
58.进一步的，如图4所示，行星轮组件4包括上盖42、舵机22、齿轮组件、齿轮固定架23和下盖45；所述齿轮组件包括两个外齿轮、两个太阳齿轮、四个行星齿轮、四个传动齿轮；
59.所述两个外齿轮分别为第一外齿轮24和第二外齿轮35；所述两个太阳齿轮分别为第一太阳齿轮25和第二太阳齿轮31；所述四个行星齿轮分别为第一行星齿轮26、第二行星齿轮27、第三行星齿轮32和第四行星齿轮33；所述四个传动齿轮分别为第一传动齿轮28、第二传动齿轮29、第三传动齿轮30和第四传动齿轮44。
60.进一步的，上盖42安装在升降下底座13中央；所述舵机22与第一太阳齿轮25连接；第一太阳齿轮25与第一行星齿轮26和第二行星齿轮27啮合，同时第一外齿轮24与第一行星齿轮26和第二行星齿轮27啮合；
61.所述第一传动齿轮28与第二行星齿轮27和第二传动齿轮29啮合；第二传动齿轮29与第三行星齿轮32啮合；第三传动齿轮30与第一行星齿轮26和第四传动齿轮44啮合；
62.所述第四传动齿轮44与第四行星齿轮33啮合；第三行星齿轮32和第四行星齿轮33分别与第二太阳齿轮31和第二外齿轮35啮合；
63.所述齿轮组件中的所有齿轮均通过齿轮固定轴34与齿轮固定架23连接；所述四个行星齿轮下端均有机械臂连接件40，通过机械臂连接件40将机械臂36连接在四个行星齿轮上；每个机械臂下端均安装有两段弹簧37，并且下端连接旋转板38，同时每个旋转板均设有
防滑垫39。
64.进一步的，如图5和图6所示，控制模块包括双目相机46、电源模块52、第一处理器50、第二处理器51、第一距离传感器47、第二距离传感器48和第三距离传感器49；所述电源模块52包括电机驱动模块53和舵机驱动模块54。控制模块中的双目相机46安装在升降上底座5底部；所述第一距离传感器47安装在下盖45底部中央；所述第二距离传感器48安装在支撑杆20上，并距离第三距离传感器49上端50mm，所述50mm能够使第二距离传感器48准确地识别支撑杆20与快递货物之间的距离，同时第三距离传感器49安装在支撑杆20上，距离支撑板21上端20mm，所述20mm能够较好的判断快递货物最底端是否已超过支撑板21；电源模块52、第一处理器50和第二处理器51均安装在升降上底座5中。
65.实施例2
66.一种无人机自主抓取装置，包括机械结构和控制系统；所述机械结构包括升降装置2、支撑组件3、行星轮组件4。升降装置为电动剪叉式升降、通过连接基座1可以与无人机进行连接；支撑组件3安装在升降装置上端；行星轮组件4安装在升降装置下端中央。
67.升降装置2包括一个升降上底座5、两个第一驱动电机6、两个第一滑块7、一根第一丝杆8、八个滚动轴套9、两个支架连接钉10、四根支架11、四根支架连接柱12、一个升降下底座13、八个支架运动轨道43。
68.支撑组件3包括一个支撑基座14、两个第二滑块15、两个第二驱动电机16、一个第二丝杆17、一个第三丝杆41、两个电机齿轮18、两根皮带19、两根支撑杆20、两个支撑板21；
69.行星轮组件4包括一个上盖42、一个舵机22、一个齿轮固定架23、两个外齿轮、两个太阳齿轮、四个行星齿轮、四个传动齿轮、十个齿轮固定轴34、四个机械臂36、八个内置弹簧37、四个旋转板38、四个防滑垫39、四个机械臂连接件40、一个下盖45。
70.控制模块包括两个stm32系列单片机、一个双目相机46、一个电源模块52、三个距离传感器，且所述电源模块又包括电机驱动模块53和舵机驱动模块54。双目相机和elas立体匹配算法用于对目标物体定位，canny边缘检测和直线拟合用于对目标物体进行参数估计。所述装置应用在无人机时，无人机主体由第一处理器50和飞行控制器控制无人机的移动，第二处理器51采用基于yolov4-tiny目标检测算法与双目视觉引导系统对目标物体进行检测与定位以及尺寸估计，其数据的反馈值用于引导无人机飞到目标物体区域，并采用距离传感器与pid算法实现对目标物体的精准抓取。本技术中未具体描述的yolov4-tiny、pid、elas等等算法均为现有技术。
71.升降装置2包含的第一驱动电机6对称安装于升降上底座5内侧中央；支架运动轨道43平行于升降上底座5平面，并安装于升降上底座5下侧；第一丝杆8上有两段长度相等方向相反的螺纹装饰线，并且第一丝杆8两端分别与第一驱动电机6连接；支架连接柱12两端连接滚动轴套9对称安装于升降上底座5中的支架运动轨道43中；第一滑块7分别贯穿支架连接柱12、第一丝杆8；支架11两端连接支架连接柱12，并且支架11中间通过支架连接钉10连接；升降下底座13平行于升降上底座5，并且行星轮组件4安装在升降下底座13中央。
72.支撑组件3为左右对称安装，包括的支撑基座14安装于升降上底座5上端中央；第二丝杆17两端分别与支撑基座14一端和升降上底座5一侧连接，第三丝杆41两端分别与支撑基座14另一端和升降上底座5另一侧连接，并且第二丝杆17和第三丝杆41上有长度相同，旋向相反的装饰螺纹线，同时靠近升降上底座5的末端带有齿轮；第二驱动电机16安装在支
撑基座14里，同时末端连有电机齿轮18，并且通过皮带19连接电机齿轮18和丝杆末端的齿轮；第二滑块15贯穿于第二丝杆17，同时下端连接支撑杆20，支撑杆20底部设有支撑板21；第二滑块15贯穿于第三丝杆41，同时下端连接支撑杆20，支撑杆20底部设有支撑板21。
73.行星轮组件4包含的上盖42安装在升降下底座13中央；舵机22与第一太阳齿轮25连接；第一太阳齿轮25与第一行星齿轮26和第二行星齿轮27啮合，同时第一外齿轮24与第一行星齿轮26和第二行星齿轮27啮合；第一传动齿轮28与第二行星齿轮27和第二传动齿轮29啮合；第二传动齿轮29与第三行星齿轮32啮合；第三传动齿轮30与第一行星齿轮26和第四传动齿轮69啮合；第四传动齿轮69与第四行星齿轮33啮合；第三行星齿轮32和第四行星齿轮33分别与第二太阳齿轮31和第二外齿轮35啮合；所述所有齿轮均通过齿轮固定轴34与齿轮固定架23连接；所述四个行星齿轮下端均有机械臂连接件40，通过机械臂连接件40将机械臂36连接在四个行星齿轮上；每个机械臂下端均安装有两段弹簧37，并且下端连接旋转板38，同时每个旋转板都设有防滑垫39。
74.进一步的，第一滑块7为对称运动，且第一滑块7中有与第一丝杆8相互吻合的装饰螺纹线；所述第二滑块15为对称运动，且第二滑块15中分别有与第二丝杆17，第三丝杆41相互吻合的装饰螺纹线；四个机械臂两两镜像运动。
75.进一步的，第一驱动电机6和第一距离传感器47、第三距离传感器49组成一个系统由同一电源端口控制；所述第二驱动电机16和第二距离传感器48相互配合由另一电源端口控制。
76.控制模块包含的双目相机46安装在升降上底座5底部；第一距离传感器47安装在下盖45底部中央；第二距离传感器48安装在支撑杆20距离第三距离传感器50mm处，同时第三距离传感器安装在支撑杆20上，距离支撑板20mm处；第一处理器50、第二处理器51、电源模块52、电机驱动模块53、舵机驱动模块54均安装在升降上底座5中。
77.本发明应用行星轮组代替传统机械臂组件实现对目标物体的抓取，同时巧妙的应用多个传动齿轮将两个行星轮紧凑的啮合在一起。整个行星轮组件由一个舵机驱动，即第一太阳齿轮为主动轮，靠着其较高的传动比带动其余从动轮。其不仅结构紧凑、体积小、重量轻，效率高、功率损失小，而且传动平衡，抗冲击振动能力强。同时快递货物在运输过程中，依靠支撑组件的支撑板支撑货物，在整个运输过程中不需要额外的电能输入，大大降低了电能消耗。
78.实施例3
79.利用无人机自主抓取装置，本发明还提供了一种无人机自主抓取控制方法，包括如下步骤：
80.s1、采用双目相机46，利用世界坐标系与机体坐标系的转化关系和elas立体匹配算法进行对目标物体的定位；
81.s2、利用第一处理器50和飞行控制器控制无人机的移动，
82.s3、通过第二处理器51基于yolov4-tiny目标检测算法与双目视觉引导系统对目标物体进行检测与定位以及尺寸估计；
83.s4、将第一、第二、第三三个距离传感器作为信号输入，电机驱动和舵机驱动作为执行元件，结合pid算法实现对目标物体的精准抓取。如图7所示，以目标物体为快递货物55为例。
84.进一步的，对目标物体的精准抓取具体包括：
85.第一阶段：升降装置2向下伸长，其通过第一驱动电机6带动第一滑块7在第一丝杆8中运动，进而使支架11带动支架连接柱12在支架运动轨道43内运动，通过第一距离传感器47对目标物体进行距离判断；
86.第二阶段：第二处理器51把对边缘检测与直线拟合的尺寸估计结果串口通信反馈给第一处理器50，第一处理器50采用pid算法调节并控制舵机22带动第一太阳齿轮25旋转，旋转板38在接触目标物体时依靠内置弹簧37自动旋转至与目标物体的表面平行，第一太阳齿轮25在旋转过程中抓起目标物体；
87.第三阶段：目标物体被抓起后，通过第三距离传感器49使支撑板21的高度略低于目标物体底部的高度；然后第二驱动电机16驱动第二滑块15分别在第二丝杆17、第三丝杆41中运动，驱使支撑杆20向内运动，并采用pid算法调节支撑杆20向内运动的速度，完成目标物体的精准抓取。
88.本发明利用双目视觉的优点，搭配yolov4-tiny目标检测算法对目标货物进行检测，利用世界坐标系与机体坐标系的转化关系和elas立体匹配算法进行对目标物体的定位；抓取机构的阶段控制由三个距离传感器作为信号输入，电机和舵机作为执行元件，控制线路简单可靠，且效率高。
89.尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种无人机自主抓取装置，其特征在于，包括机械结构和控制模块；所述机械机构包括连接基座(1)、通过连接基座与无人机进行连接的升降装置(2)、设置在升降装置上端的支撑组件(3)和设置在升降装置下端中央的行星轮组件(4)；所述控制模块包括双目相机(46)、电源模块(52)、第一处理器(50)、第二处理器(51)、第一距离传感器(47)、第二距离传感器(48)和第三距离传感器(49)；所述电源模块(52)包括电机驱动模块(53)和舵机驱动模块(54)。2.根据权利要求1所述的无人机自主抓取装置，其特征在于：所述升降装置(2)包括升降上底座(5)、第一驱动电机(6)、第一滑块(7)、第一丝杆(8)、支架(11)、支架连接柱(12)以及升降下底座(13)；所述第一驱动电机(6)对称安装于升降上底座(5)内侧中央，所述第一丝杆(8)两端分别与第一驱动电机(6)连接，第一丝杆(8)上设置有两段长度相等方向相反的螺纹装饰线；所述支架(11)两端连接支架连接柱(12)，并且支架(11)中间通过支架连接钉(10)连接；所述支架连接柱(12)两端连接滚动轴套(9)对称安装于升降上底座(5)中的支架运动轨道(43)中；所述第一滑块(7)分别被支架连接柱(12)和第一丝杆(8)错位贯穿，支架连接柱(12)和第一丝杆(8)呈90
°
夹角。3.根据权利要求2所述的无人机自主抓取装置，其特征在于：所述支架运动轨道(43)平行于升降上底座(5)平面，并安装于升降上底座(5)下侧；所述升降下底座(13)平行于升降上底座(5)，且行星轮组件(4)安装在升降下底座(13)中央。4.根据权利要求1所述的无人机自主抓取装置，其特征在于：所述支撑组件(3)为左右对称安装，支撑组件(3)包括支撑基座(14)、第二滑块(15)、第二驱动电机(16)、第二丝杆(17)和第三丝杆(41)；所述支撑基座(14)安装于升降上底座(5)上端中央；第二丝杆(17)两端分别与支撑基座(14)一端和升降上底座(5)一侧连接，第三丝杆(41)两端分别与支撑基座(14)另一端和升降上底座(5)另一侧连接，并且第二丝杆(17)和第三丝杆(41)上设置有长度相同、旋向相反的装饰螺纹线，第二丝杆(17)和第三丝杆(41)靠近升降上底座(5)的杆体末端均设置有齿轮；所述第二驱动电机(16)安装在支撑基座(14)里，第二驱动电机(16)末端连有电机齿轮(18)，并且通过皮带(19)将电机齿轮(18)和丝杆杆体末端的齿轮连接；所述第二滑块(15)贯穿于第二丝杆(17)，同时下端连接支撑杆(20)，支撑杆(20)底部设有支撑板(21)。5.根据权利要求1所述的无人机自主抓取装置，其特征在于：所述行星轮组件(4)包括上盖(42)、舵机(22)、齿轮组件、齿轮固定架(23)和下盖(45)；所述齿轮组件包括两个外齿轮、两个太阳齿轮、四个行星齿轮、四个传动齿轮；所述两个外齿轮分别为第一外齿轮(24)和第二外齿轮(35)；所述两个太阳齿轮分别为第一太阳齿轮(25)和第二太阳齿轮(31)；所述四个行星齿轮分别为第一行星齿轮(26)、第二行星齿轮(27)、第三行星齿轮(32)和第四行星齿轮(33)；所述四个传动齿轮分别为第一传动齿轮(28)、第二传动齿轮(29)、第三传动齿轮(30)和第四传动齿轮(44)。6.根据权利要求5所述的无人机自主抓取装置，其特征在于：所述上盖(42)安装在升降下底座(13)中央；所述舵机(22)与第一太阳齿轮(25)连接；第一太阳齿轮(25)与第一行星
齿轮(26)和第二行星齿轮(27)啮合，同时第一外齿轮(24)与第一行星齿轮(26)和第二行星齿轮(27)啮合；所述第一传动齿轮(28)与第二行星齿轮(27)和第二传动齿轮(29)啮合；第二传动齿轮(29)与第三行星齿轮(32)啮合；第三传动齿轮(30)与第一行星齿轮(26)和第四传动齿轮(44)啮合；所述第四传动齿轮(44)与第四行星齿轮(33)啮合；第三行星齿轮(32)和第四行星齿轮(33)分别与第二太阳齿轮(31)和第二外齿轮(35)啮合；所述齿轮组件中的所有齿轮均通过齿轮固定轴(34)与齿轮固定架(23)连接；所述四个行星齿轮下端均有机械臂连接件(40)，通过机械臂连接件(40)将机械臂(36)连接在四个行星齿轮上；每个机械臂下端均安装有两段弹簧(37)，并且下端连接旋转板(38)，同时每个旋转板均设有防滑垫(39)。7.根据权利要求1所述的无人机自主抓取装置，其特征在于：所述控制模块中的双目相机(46)安装在升降上底座(5)底部；所述第一距离传感器(47)安装在下盖(45)底部中央；所述第二距离传感器(48)安装在支撑杆(20)距离第三距离传感器(49)50mm处，同时第三距离传感器安装在支撑杆(20)上，距离支撑板(21)20mm处；电源模块(52)、第一处理器(50)和第二处理器(51)均安装在升降上底座(5)中。8.一种无人机自主抓取控制方法，其特征在于：包括如下步骤：s1、采用双目相机(46)，利用世界坐标系与机体坐标系的转化关系和elas立体匹配算法进行对目标物体的定位；s2、利用第一处理器(50)和飞行控制器控制无人机的移动，s3、通过第二处理器(51)基于yolov4-tiny目标检测算法与双目视觉引导系统对目标物体进行检测与定位以及尺寸估计；s4、将三个距离传感器作为信号输入，电机驱动和舵机驱动作为执行元件，结合pid算法实现对目标物体的精准抓取。9.根据权利要求8所述的无人机自主抓取控制方法，其特征在于：所述对目标物体的精准抓取具体包括：第一阶段：升降装置(2)向下伸长，其通过第一驱动电机(6)带动第一滑块(7)在第一丝杆(8)中运动，进而使支架(11)带动支架连接柱(12)在支架运动轨道(43)内运动，通过第一距离传感器(47)对目标物体进行距离判断；第二阶段：第二处理器(51)把对边缘检测与直线拟合的尺寸估计结果串口通信反馈给第一处理器(50)，第一处理器(50)采用pid算法调节并控制舵机(22)带动第一太阳齿轮(25)旋转，旋转板(38)在接触目标物体时依靠内置弹簧(37)自动旋转至与目标物体的表面平行，第一太阳齿轮(25)在旋转过程中抓起目标物体；第三阶段：目标物体被抓起后，通过第三距离传感器(49)使支撑板(21)的高度略低于目标物体底部的高度；然后第二驱动电机(16)驱动第二滑块(15)分别在第二丝杆(17)、第三丝杆(41)中运动，驱使支撑杆(20)向内运动，并采用pid算法调节支撑杆(20)向内运动的速度，完成目标物体的精准抓取。

技术总结
本发明公开了一种无人机自主抓取装置及其控制方法，包括机械结构和控制模块；所述机械机构包括连接基座、通过连接基座与无人机进行连接的升降装置、设置在升降装置上端的支撑组件和设置在升降装置下端中央的行星轮组件；所述控制模块包括双目相机、电源模块、第一处理器、第二处理器、第一距离传感器、第二距离传感器和第三距离传感器；所述电源模块包括电机驱动模块和舵机驱动模块。本发明不需要与之配套的快递盒，搭配行星轮组可变的抓取空间能够实现对不同尺寸快递货物的灵活抓取，本发明结构紧凑、体积小、重量轻，效率高、功率损失小，而且传动平衡，抗冲击振动能力强。抗冲击振动能力强。抗冲击振动能力强。


技术研发人员：王凯 苟洪铭 翟元驰 赵彬媛 王福涵 蒋一铭 许仕悦 郭惠晴 邱天
受保护的技术使用者：中国民用航空飞行学院
技术研发日：2023.02.24
技术公布日：2023/6/27