CN102749927A - 无人飞机自动规避障碍物的系统及其规避方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种无人飞机自动规避障碍物的系统及其规避方法，包括激光测距装置、机载信号控制系统、机载航线数据库、机载通信系统和导航飞行控制系统。本发明由于所设计的激光扇束扫描装置，尤其对高压线缆等细状障碍物有良好的避障作用，同时可在极短的时间向障碍物发射多条光束，解决了以往单束激光容易被空气中的雾气、泡沫、风尘和蒸汽等颗粒物质遮挡而导致测量数据不准确的问题，提高了激光测距的抗干扰能力,使装有该自动规避装置的无人飞机能在比较复杂的地理环境中高效、安全和快速的完成飞行任务。

Description

无人飞机自动规避障碍物的系统及其规避方法

技术领域

本发明涉及一种无人飞机安全飞行系统及其运用，尤其涉及一种无人飞机自动规避障碍物的系统及其规避方法。

背景技术

无人飞机是一种由无线电遥控设备或者由自身程序控制装置操纵的、执行任务的非载人飞行器。一般的无人飞机上都会安装有导航飞行控制系统、程序控制装置和电源设备等，近些年来，无人飞机在多个领域得到发展和应用，尤其是一般工业和军事研究的热点，具有重大的军事意义和经济地位。

无人飞机主要具有成本相对较低，没有人员伤亡的危险，生存能力强，机动性能好等优点。但也因为是无人驾驶，无人飞机只能依靠飞机自身的飞行控制系统或者地面控制中心的指令进行飞行，那么在遇到高压线缆、树木或者建筑物等障碍物，特别是利用无人飞机对电力线进行巡时，就很有可能与高压线缆发生碰撞，给无人飞机带来巨大隐患，为了保障无人飞机在实行任务时的安全，有必要设计一种自动规避障碍物的方法和装置。

中国专利公开号202046439U，公开日2011年11月23日，名称为“电力巡线无人直升机超低空飞行障碍规避子系统”中国发明专利中公开了一种自动规避障碍物的系统装置，包括测距传感器，电磁场检测传感器和视觉传感器，其中测距传感器和电磁场检测传感器均与信号预处理模块连接，视觉传感器与视觉传感模块连接，信号预处理模块和视觉信号处理模块通过通讯端口与紧急避障模块连接，紧急避障模块与无人机动力装置连接，所述视觉传感器是安装在无人机机身上的多个摄像头。这种电力巡线无人直升机超低空飞行障碍规避子系统针对高压线缆周围具有规律磁场这一性质利用电磁场检测传感器检测无人飞机周围的磁场，从而判断飞机是否处于预定的航道上，但是，准确检测磁场的前提条件是周围必须没有其他磁场的干扰，这一条件极其苛刻，从而大大降低了这种自动规避障碍系统的实用性，并且这种系统中的视觉传感器为多个摄像头，摄像头为视觉仪器，并不能直接测量出与障碍物的距离，只能根据摄录的影像中障碍物的尺寸来粗略的换算出两者距离。而激光测距以其测量精度高、测量范围广和指向性强等优点，而成为广泛使用的距离测量方法。但由于光的直线传播这一性质，无法避开雾气、泡沫、风尘和蒸汽等颗粒物质，从而导致目前激光测距方法的抗干扰能力较差。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：为了解决现有无人飞机的激光测距装置抗干扰能力较差，以及对高压线缆等细状障碍物避障问题，现缺乏一套安全可靠的自动规避障碍物的系统和方法，本发明提供了一种无人飞机自动规避障碍物的系统及其规避方法来解决上述问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种无人飞机自动规避障碍物的系统，包括

激光测距装置：包括发射激光信号的激光发射器和接收反射激光信号的接收器，还具有由多个反射镜面组成的多面体棱镜和驱动多面体棱镜转动的传动装置，所述激光发射器发出激光信号经过多面体棱镜的转动反射成扇束面激光信号发射出去，还具有对发射光和接收的反射光进行启闭控制和数据处理的激光器控制及数据处理模块；

机载信号控制系统：接收所述数据处理模块提供的数据信号，并进行分析和处理，制定无人飞机规避障碍物的具体操作方法，生成控制指令信号；

机载航线数据库：存储无人飞机飞行的固定航线信息、限制飞机飞入的空域数据和无人飞机执行任务的航线；

机载通信系统：与地面控制中心进行通讯，将无人飞机位置、飞行参数以及障碍物的位置信息实时传输给地面控制中心，并接收地面控制中心发送的人工飞行指令信号；

导航飞行控制系统：接收机载信号控制系统的控制指令信号，控制无人飞机执行飞行动作，读取机载航线数据库中的数据，控制无人飞机按照固定航线飞行，接收机载通信系统的来自地面控制中心的人工飞行指令信号并控制无人飞机执行飞行动作。

为了增加测量范围，以便加大避障的视野，所述激光测距装置数量为二套，分别设置在无人飞机的左右两侧。

具体的，所述传动装置包括马达和传动轴，马达与多面体棱镜之间通过传动轴传动连接。

具体的，所述激光器控制及数据处理模块包括控制激光发射器的启闭单元、鉴相单元和数据处理单元。

一种实施例，所述激光发射器为发射调制激光信号的激光发射器。

具体的，所述激光器控制及数据处理模块包括控制激光发射器的启闭单元、时钟鉴别单元、时钟间隔测量单元和数据处理单元。

另一种实施例，所述激光发射器为发射脉冲激光信号的激光发射器。

具体的，所述接收模块包括激光光敏器件和设置在激光光敏器件接收端的光学长焦镜头。

为了判断无人飞机与障碍物之间是否处于安全距离，所述机载信号控制中设置有一个用于与实测距离对比的阀值，所述阀值即无人飞机与障碍物之间的安全距离。

一种运用无人飞机自动规避障碍物的系统的无人飞机自动规避障碍物的方法，具有如下步骤：

（a）无人飞机按照原始航线进行飞行，激光测距装置根据飞行速度周期性地测量与周围障碍物的距离，超过激光测距装置测量距离的上限时，视为没有探测到障碍物，在探测到障碍物之前，保持既定航线飞行；

（b）探测到障碍物时，激光测距装置的数据处理模块将距离信号传输到机载信号控制系统，机载信号控制系统将距离信号与预先设定的阀值进行对比，机身与障碍物的距离大于阀值，不产生控制指令信号，无人飞机按照原航线飞行，机身与障碍物的距离小于阀值，机载信号控制系统根据无人飞机的飞行状态和与障碍物的距离解算出无人飞机规避障碍物的具体操作方法，生成控制指令信号，并传输到导航飞行控制系统中；

（c）导航飞行控制系统依照接收到的控制指令信号，控制无人飞机执行改变飞行路线和飞行速度等飞行动作；

（d）激光测距装置提高测量频率，直到无人飞机与所有障碍物之间的距离大于阀值时，导航飞行控制系统读取记载航线数据库，重新回到预定航线继续执行任务，激光测距装置恢复原始测量频率。

激光测距装置采用相位法测量与障碍物之间距离的方法具有如下步骤：

①激光发射器经过激光器控制及数据处理模块开启后，高频主振发出高频激光信号，通过激光调制器加载调制信号发射出调制激光信号；

②发射出的高频的调制激光信号在内光路和外光路同步发射，一路接收内光路的调制激光信号与激光本振混频成中频的基准混频信号，一路通过接收模块接收外光路从被测物反射回的调制激光信号经过放大处理后与激光本振混频成中频的测距混频信号，所述外光路经转动的多面体棱镜反射生成扇束面光向外发射；

③基准混频信号和测距混频信号通过鉴相单元测量相位差；

④测得的相位差通过数据处理单元计算出被测物的高度或距离。

激光测距装置采用脉冲法测量与障碍物之间距离的方法具有如下步骤：

①激光发射器经过激光器控制及数据处理模块开启后，高频主振发出高频激光信号，通过激光调制器加载脉冲信号发射出脉冲激光信号；

②发射出的高频的脉冲激光信号在内光路和外光路同步发射，接收通道一接收内光路反射回的脉冲激光信号，接收通道二通过接收模块接收外光路的从被测物反射回的脉冲激光信号，所述外光路经转动的多面体棱镜反射生成扇束面光向外发射；

③内光路和外光路的脉冲激光信号通过时钟鉴别单元测量往返时间；

④测得的往返时间通过时钟间隔测量单元测得时间差；

⑤测得的时间差通过数据处理单元计算出被测物的高度或距离。

本发明的有益效果是，本发明的无人飞机自动规避障碍物的系统及其规避方法中使用的激光测距装置所采用的测距介质是扇面束激光，在极短的时间向障碍物发射多条光束，解决了以往单束激光容易被空气中的雾气、泡沫、风尘和蒸汽等物质遮挡而导致测量数据不准确的问题，抗干扰能力强，并且这种激光测距装置结构简单，操作简便，测量快速精确。由于单一激光束对线缆等细状物需要瞄准测距，而本发明所发出的扇束激光将在一定范围内可覆盖线缆等，提高了细状障碍物的发现能力。无人飞机装上这种无人飞机自动规避障碍物的系统，能有快速的探测到周围的障碍物，并迅速的做出反应，规避障碍物，避免造成损失，使无人飞机在比较复杂的地理环境中高效、安全和快速的完成飞行任务。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明无人飞机自动规避障碍物的系统最优实施例的示意图。

图2是本发明无人飞机自动规避障碍物的流程图；

图3是本发明的激光测距装置的结构示意图；

图4是相位法测量原理图；

图5是本发明的采用的相位法测量原理的结构框图；

图6是本发明的采用的脉冲法测量原理的结构框图。

图中1、激光发射器，2、多面体棱镜，3、激光器控制及数据处理模块，4、马达，5、传动轴，6、激光光敏器件，7、光学长焦镜头，8、被测障碍物。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

如图1和图2所示，本发明一种无人飞机自动规避障碍物的系统，包括

激光测距装置：包括发射激光信号的激光发射器1和接收反射激光信号的接收器，还具有由多个反射镜面组成的多面体棱镜2和驱动多面体棱镜2转动的传动装置，激光发射器1发出激光信号经过多面体棱镜2的转动反射成扇束面激光信号发射出去，还具有对发射光和接收的反射光进行启闭控制和数据处理的激光器控制及数据处理模块3；

机载信号控制系统：接收数据处理模块提供的数据信号，并进行分析和处理，制定无人飞机规避障碍物的具体操作方法，生成控制指令信号；

机载航线数据库：存储无人飞机飞行的固定航线信息、限制飞机飞入的空域数据和无人飞机执行任务的航线；

机载通信系统：与地面控制中心进行通讯，将无人飞机位置、飞行参数以及障碍物的位置信息实时传输给地面控制中心，并接收地面控制中心发送的人工飞行指令信号；

导航飞行控制系统：接收机载信号控制系统的控制指令信号，控制无人飞机执行飞行动作，读取机载航线数据库中的数据，控制无人飞机按照固定航线飞行，接收机载通信系统的来自地面控制中心的人工飞行指令信号并控制无人飞机执行飞行动作。

激光测距装置数量为二套，分别设置在无人飞机的左右两侧，传动装置包括马达4和传动轴5，马达4与多面体棱镜2之间通过传动轴5传动连接。

实施例一，激光器控制及数据处理模块3包括控制激光发射器1的启闭单元、鉴相单元和数据处理单元，激光发射器1为发射调制激光信号的激光发射器1。

实施例二，激光器控制及数据处理模块3包括控制激光发射器1的启闭单元、时钟鉴别单元、时钟间隔测量单元和数据处理单元，激光发射器1为发射脉冲激光信号的激光发射器1。

接收模块包括激光光敏器件6和设置在激光光敏器件6接收端的光学长焦镜头7。

机载信号控制中设置有一个用于与实测距离对比的阀值，它是无人飞机与障碍物之间的安全距离。

一种运用无人飞机自动规避障碍物的系统的无人飞机自动规避障碍物的方法，具有如下步骤：

（a）无人飞机按照原始航线进行飞行，激光测距装置根据飞行速度周期性地测量与周围障碍物的距离，超过激光测距装置测量距离的上限时，视为没有探测到障碍物，在探测到障碍物之前，保持既定航线飞行；

（b）探测到障碍物时，激光测距装置的数据处理模块将距离信号传输到机载信号控制系统，机载信号控制系统将距离信号与预先设定的阀值进行对比，机身与障碍物的距离大于阀值，不产生控制指令信号，无人飞机按照原航线飞行，机身与障碍物的距离小于阀值，机载信号控制系统根据无人飞机的飞行状态和与障碍物的距离解算出无人飞机规避障碍物的具体操作方法，生成控制指令信号，并传输到导航飞行控制系统中；

（c）导航飞行控制系统依照接收到的控制指令信号，控制无人飞机执行改变飞行路线和飞行速度等飞行动作；

（d）激光测距装置提高测量频率，直到无人飞机与所有障碍物之间的距离大于阀值时，导航飞行控制系统读取记载航线数据库，重新回到预定航线继续执行任务，激光测距装置恢复原始测量频率。

如图4和图5所示，激光测距装置采用相位法测量与障碍物之间距离的方法具有如下步骤：

①激光发射器1经过激光器控制及数据处理模块3开启后，高频主振发出高频激光信号，通过激光调制器加载调制信号发射出调制激光信号；

②发射出的高频的调制激光信号在内光路和外光路同步发射，一路接收内光路的调制激光信号与激光本振混频成中频的基准混频信号，一路通过接收模块接收外光路从被测物反射回的调制激光信号经过放大处理后与激光本振混频成中频的测距混频信号，外光路经转动的多面体棱镜2反射生成扇束面光向外发射；

③基准混频信号和测距混频信号通过鉴相单元测量相位差；

④测得的相位差通过数据处理单元计算出被测物的高度或距离。

相位法激光测距是利用发射的调制激光信号和被测目标反射的接收光之间光强的相位差包含的距离信息，来实现对被测目标距离的测量。其计算公式为：

$D=\frac{c}{2}t=\frac{c}{2}\frac{\mathrm{\Φ}}{\mathrm{\πf}}=\frac{\mathrm{\λ}}{2}\frac{\mathrm{\Φ}}{2\mathrm{\π}}---\left(1\right)$

式中：D：被测距离；Φ：调制光波往返于被测距离D产生的相位差；t：光波往返于D一次用去的时间，λ：调制光波的波长，c：光波速度，f：调制光波的频率。

在图4中，A表示调制激光信号的发射点，B表示被测障碍物8的位置，A′表示所发出的调制激光信号经反射后反射调制激光信号的接收地点。AA′两点间的距离即是待测距离D的2倍。

因此：φ=N₁2π+Δφ₁=2π(N₁+ΔN₁)，其中ΔN₁=Δφ₁/2π

式中N₁表示相位

中包含的2π的整数倍,

表示不是整周期2π的相位的尾数。其中ΔN₁可以测出来，但N₁并不是一个定值,从而引起多值解。为解决这一问题,必须采用几个频率来测定同一距离，该频率在相位测距中也称为测尺频率。在实际应用中通常选择一个决定仪器测距精度的测尺和决定测程的几个辅助测尺，分别称之为精测测尺和粗测测尺。

由于高频率下，发射信号和接收信号相位差的测量在技术上比较困难，电路中的寄生参量产生显著的附加相移，降低了测相精度。因此，测量高频信号的相位差一般采用差频测相。相位法测距系统的基本原理结构如图5所示。通过激光本振分别与内光路和外光路接收的激光信号混频产生基准混频信号和测距混频信号两个中频信号，再将这两个中频信号测量其相位差，以提高测量的可靠性和精度。

脉冲法激光测距是将激光能量集中成极窄的光脉冲发射出去，利用脉冲法直接测定激光脉冲信号在待测距离上往返的时间T，用下可求出距离值：

$D=\frac{c\×t}{2}---\left(2\right)$

如图6所示，脉冲法激光测距的原理是：首先激光发射器1发出一个很强很窄的光脉冲，同时，其中极小一部分光通过多面体棱镜2反射，作为发射参考信号而送入接收通道一中，然后送入时钟鉴别模块，使其开始计时。而射向目标的光脉冲，由于目标的漫反射作用，总有一部分光从原路反射回来，而进入接收模块，并送入接收通道二中，从而进入时钟鉴别模块，使其停止计时，接着通过时钟间隔测量模块算出往返时间。从而得出所测物体的高度。

激光测距装置采用脉冲法测量与障碍物之间距离的方法具有如下步骤：

①激光发射器1经过激光器控制及数据处理模块3开启后，高频主振发出高频激光信号，通过激光调制器加载脉冲信号发射出脉冲激光信号；

②发射出的高频的脉冲激光信号在内光路和外光路同步发射，接收通道一接收内光路反射回的脉冲激光信号，接收通道二通过接收模块接收外光路的从被测物反射回的脉冲激光信号，外光路经转动的多面体棱镜2反射生成扇束面光向外发射；

③内光路和外光路的脉冲激光信号通过时钟鉴别单元测量往返时间；

④测得的往返时间通过时钟间隔测量单元测得时间差；

⑤测得的时间差通过数据处理单元计算出被测物的高度或距离。

激光测距装置如图3所示，采用多面体棱镜2，并用马达4控制多面体棱镜2转动，由激光发射器1发射的激光信号通过多面体棱镜2反射产生具有一定扇角的扇束面激光信号发射出去，在垂向可以覆盖一定的范围。接收模块的激光光敏器件6在此范围内检测到被障碍物反射的激光，这样就无需光学瞄准系统。这种测距方法相比其他方法而言达到了简化操作和快速测量的目的，另外，由于测距介质是扇面束激光，在极短的时间向障碍物发射多条光束，解决了以往单束激光容易被空气中的雾气、泡沫、风尘和蒸汽等物质遮挡而导致测量数据不准确的问题，抗干扰能力强，同时对线缆等细状障碍物有较好的优势。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (12)

1.一种无人飞机自动规避障碍物的系统，其特征在于：包括

激光测距装置：包括发射激光信号的激光发射器（1）和接收反射激光信号的接收器，还具有由多个反射镜面组成的多面体棱镜（2）和驱动多面体棱镜（2）转动的传动装置，所述激光发射器（1）发出激光信号经过多面体棱镜（2）的转动反射成扇束面激光信号发射出去，还具有对发射光和接收的反射光进行启闭控制和数据处理的激光器控制及数据处理模块（3）；

机载信号控制系统：接收所述数据处理模块提供的数据信号，并进行分析和处理，制定无人飞机规避障碍物的具体操作方法，生成控制指令信号；

机载航线数据库：存储无人飞机飞行的固定航线信息、限制飞机飞入的空域数据和无人飞机执行任务的航线；

机载通信系统：与地面控制中心进行通讯，将无人飞机位置、飞行参数以及障碍物的位置信息实时传输给地面控制中心，并接收地面控制中心发送的人工飞行指令信号；

导航飞行控制系统：接收机载信号控制系统的控制指令信号，控制无人飞机执行飞行动作，读取机载航线数据库中的数据，控制无人飞机按照固定航线飞行，接收机载通信系统的来自地面控制中心的人工飞行指令信号并控制无人飞机执行飞行动作。

2.如权利要求1所述无人飞机自动规避障碍物的系统，其特征在于：所述激光测距装置数量为二套，分别设置在无人飞机的左右两侧。

3.如权利要求1所述无人飞机自动规避障碍物的系统，其特征在于：所述传动装置包括马达（4）和传动轴（5），马达（4）与多面体棱镜（2）之间通过传动轴（5）传动连接。

4.如权利要求1所述无人飞机自动规避障碍物的系统，其特征在于：所述激光器控制及数据处理模块（3）包括控制激光发射器（1）的启闭单元、鉴相单元和数据处理单元。

5.如权利要求4所述无人飞机自动规避障碍物的系统，其特征在于：所述激光发射器（1）为发射调制激光信号的激光发射器（1）。

6.如权利要求1所述无人飞机自动规避障碍物的系统，其特征在于：所述激光器控制及数据处理模块（3）包括控制激光发射器（1）的启闭单元、时钟鉴别单元、时钟间隔测量单元和数据处理单元。

7.如权利要求6所述无人飞机自动规避障碍物的系统，其特征在于：所述激光发射器（1）为发射脉冲激光信号的激光发射器（1）。

8.如权利要求1所述无人飞机自动规避障碍物的系统，其特征在于：所述接收模块包括激光光敏器件（6）和设置在激光光敏器件（6）接收端的光学长焦镜头（7）。

9.如权利要求1所述无人飞机自动规避障碍物的系统，其特征在于：所述机载信号控制中设置有一个用于与实测距离对比的阀值。

10.一种运用如权利要求1-9其中一项所述无人飞机自动规避障碍物的系统的无人飞机自动规避障碍物的方法，其特征在于：具有如下步骤：

（a）无人飞机按照原始航线进行飞行，激光测距装置根据飞行速度周期性地测量与周围障碍物的距离，超过激光测距装置测量距离的上限时，视为没有探测到障碍物，在探测到障碍物之前，保持既定航线飞行；

（b）探测到障碍物时，激光测距装置的数据处理模块将距离信号传输到机载信号控制系统，机载信号控制系统将距离信号与预先设定的阀值进行对比，机身与障碍物的距离大于阀值，不产生控制指令信号，无人飞机按照原航线飞行，机身与障碍物的距离小于阀值，机载信号控制系统根据无人飞机的飞行状态和与障碍物的距离解算出无人飞机规避障碍物的具体操作方法，生成控制指令信号，并传输到导航飞行控制系统中；

（c）导航飞行控制系统依照接收到的控制指令信号，控制无人飞机执行改变飞行路线和飞行速度等飞行动作；

（d）激光测距装置提高测量频率，直到无人飞机与所有障碍物之间的距离大于阀值时，导航飞行控制系统读取记载航线数据库，重新回到预定航线继续执行任务，激光测距装置恢复原始测量频率。

11.如权利要求10所述运用无人飞机自动规避障碍物的系统的无人飞机自动规避障碍物的方法，其特征在于：步骤a中激光测距装置测量与障碍物之间距离的方法具有如下步骤：

①激光发射器（1）经过激光器控制及数据处理模块（3）开启后，高频主振发出高频激光信号，通过激光调制器加载调制信号发射出调制激光信号；

②发射出的高频的调制激光信号在内光路和外光路同步发射，一路接收内光路的调制激光信号与激光本振混频成中频的基准混频信号，一路通过接收模块接收外光路从被测物反射回的调制激光信号经过放大处理后与激光本振混频成中频的测距混频信号，所述外光路经转动的多面体棱镜（2）反射生成扇束面光向外发射；

③基准混频信号和测距混频信号通过鉴相单元测量相位差；

④测得的相位差通过数据处理单元计算出被测物的高度或距离。

12.如权利要求10所述运用无人飞机自动规避障碍物的系统的无人飞机自动规避障碍物的方法，其特征在于：步骤a中激光测距装置测量与障碍物之间距离的方法具有如下步骤：

①激光发射器（1）经过激光器控制及数据处理模块（3）开启后，高频主振发出高频激光信号，通过激光调制器加载脉冲信号发射出脉冲激光信号；

②发射出的高频的脉冲激光信号在内光路和外光路同步发射，接收通道一接收内光路反射回的脉冲激光信号，接收通道二通过接收模块接收外光路的从被测物反射回的脉冲激光信号，所述外光路经转动的多面体棱镜（2）反射生成扇束面光向外发射；

③内光路和外光路的脉冲激光信号通过时钟鉴别单元测量往返时间；

④测得的往返时间通过时钟间隔测量单元测得时间差；

⑤测得的时间差通过数据处理单元计算出被测物的高度或距离。

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