CN104820429A - 基于超声波距离检测的无人机避障系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于超声波距离检测的无人机避障系统及其控制方法，所示无人机避障系统包含飞行控制模块、机载射频通信模块、超声波测距模块和自主避障模块；飞行控制模块用于控制无人机飞行，并将无人机的飞行状况反馈给地面站；超声波测距模块用于检测无人机前、左、右、上、下五个方向是否存在障碍物以及与障碍物之间的距离；自主避障模块用于根据超声波测距模块的测量结果控制无人机进行避障。无人机避障系统的控制方法使得无人机能够对障碍物进行自动规避，规避的方式更为多样化，并且能够自动调整航线，完成规定的飞行任务。本发明结构简单，使用方便，具有较大的实用价值。

Description

基于超声波距离检测的无人机避障系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及无人机避障技术领域，尤其涉及一种基于超声波距离检测的无人机避障系统及其控制方法。

背景技术

自主避障系统是无人机顺利完成飞行任务的重要安全保障。因此，近年来无人机的自主避障系统已经成为研究的热点问题之一。自主避障系统对于无人机的飞行路径规划能力起着至关重要的作用，所以自主避障系统的智能化程度很大程度上反映了无人机的智能性和安全性。现阶段无人机自主避障与新航线规划大多数都处于仿真阶段，真正具有实用性和可行性的较少。

无人机飞行路径的规划应该是自动的、实时的，主要通过自主避障模块来实现。对于自主避障模块来说，它需要可靠、实用，并且反应迅速，在无人机的作业过程中实时监测周围状况，并快速在原有航线基础上给出新的飞行路径，嵌入式控制系统则根据新航线控制飞行器完成飞行任务。

无人机自动避障系统是无人机研究中的一个重点，同样也是难点。如何设计有效而又实用的自动避障系统，保障无人机空中作业的安全是一个急需解决的问题。然而，目前国内外针对输电线路巡检这一特殊应用背景而开展的无人机避障系统的研究较少，大部分都还处于理论讨论阶段，各种新的避障方法和思想也有待继续探索和发展，其有效性也有待实践使用的验证。

申请号为201310036235.1的《用于电力巡线的无人机多重避障控制方法》是通过超声波传感器、电磁场传感器和地面站环境模型进行障碍物定位与规避的，这种方法过于复杂，针对不同的检测环境需要不同的检测区域环境模型，而检测区域环境模型几乎不可复用，且较难获得，使用八个传感器也使得无人机负重较大，无人机上方没有距离传感器使得无人机无法检测上方的障碍物，所以只能从侧面绕过障碍物而无法飞跃障碍物，同时无人机下方没有传感器则无人机无法检测无人机底部的障碍物，亦即无法进行爬坡等飞行操作。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及的缺陷，提供一种基于超声波距离检测的无人机避障系统及其控制方法。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

基于超声波距离检测的无人机避障系统，包括无人机和地面站，所述无人机包含飞行控制模块、机载射频通信模块、超声波测距模块和自主避障模块；

所述飞行控制模块用于通过机载射频通信模块接收地面站和自主避障模块的指令后控制无人机飞行，并将无人机的飞行状况通过机载射频通信模块反馈给地面站；

所述超声波测距模块用于检测无人机前、左、右、上、下五个方向是否存在障碍物以及与障碍物之间的距离；

所述自主避障模块用于根据超声波测距模块的测量结果控制无人机进行避障；

所述地面站包含地面射频通信模块、航迹规划模块和实时监控模块；

所述航迹规划模块包含电子地图，用于设置无人机在自主飞行模式下的起止点、检查点、飞行高度和飞行速度；

所述实时监控模块用于实时检测与监控无人机状态，并进行数据存储、故障检测与报警操作；

所述机载射频通信模块和地面射频通信模块无线通信。

作为本发明基于超声波距离检测的无人机避障系统进一步的优化方案，所述飞行控制模块包含嵌入式控制芯片、三轴陀螺仪传感器、三轴加速度计传感器、GPS定位芯片、和气压计，所述嵌入式控制芯片分别和三轴陀螺仪传感器、三轴加速度计传感器、GPS定位芯片、气压计、机载射频通信模块、自主避障模块相连。

作为本发明基于超声波距离检测的无人机避障系统进一步的优化方案，所述超声波测距模块包含五个超声波距离传感器，分别设置在无人机前、左、右、上、下五个方向，用于检测无人机前、左、右、上、下五个方向是否存在障碍物以及与障碍物之间的距离；所述五个超声波距离传感器均与自主避障模块相连，将检测结果传递给自主避障模块。

作为本发明基于超声波距离检测的无人机避障系统进一步的优化方案，所述五个超声波距离传感器的测距范围为20到600厘米。

作为本发明基于超声波距离检测的无人机避障系统进一步的优化方案，所述五个超声波距离传感器分别设定不同的地址，采用半双工串口通讯依次将距离数据发送至自主避障模块。

本发明还提出了一种基于多个超声波距离检测的无人机自主避障系统的控制方法，包含以下步骤：

步骤1），无人机根据地面站传递的航线进行自主飞行，并设定无人机调整次数为零；

步骤2），无人机检测前、左、右、上、下五个方向是否存在障碍物以及与障碍物之间的距离，并分别与五个方向上预设的安全距离阈值进行比较；

步骤2.1），如果无人机在前、左、右、上、下五个方向各自预设的安全距离阈值范围内均不存在障碍物，重新执行步骤1）；

步骤2.2），如果存在障碍物且该障碍物与无人机之间的距离小于等于无人机在该方向上预设的安全距离阈值，则执行步骤3）；

步骤3），判断无人机在上方预设的安全距离内是否存在障碍物；

步骤3.1），如果存在障碍物，则执行步骤4）；

步骤3.2），如果不存在障碍物，则控制无人机按照预设的时间间隔向上飞行；

步骤3.2.1），在无人机按照预设的时间间隔向上飞行的过程中，一旦无人机的五个方向均不存在障碍物，重新执行步骤1）；

步骤3.2.2），如果无人机按照预设的时间间隔向上飞行后，无人机的五个方向还存在障碍物，则执行步骤4）；

步骤4），判断无人机在左边预设的安全距离内是否存在障碍物；

步骤4.1），如果存在障碍物，则执行步骤5）；

步骤4.2），如果不存在障碍物，则控制无人机按照预设的时间间隔向左飞行；

步骤4.2.1），在无人机按照预设的时间间隔向左飞行的过程中，一旦无人机的五个方向均不存在障碍物，重新执行步骤1）；

步骤3.2.2），如果无人机按照预设的时间间隔向左飞行后，无人机的五个方向还存在障碍物，则执行步骤5）；

步骤5），判断无人机在右边预设的安全距离内是否存在障碍物；

步骤5.1），如果存在障碍物，则执行步骤6）；

步骤5.2），如果不存在障碍物，则控制无人机按照2倍预设的时间间隔向右飞行；

步骤5.2.1），在无人机按照2倍预设的时间间隔向右飞行的过程中，一旦无人机的五个方向均不存在障碍物，重新执行步骤1）；

步骤5.2.2），如果无人机按照2倍预设的时间间隔向右飞行后，无人机的五个方向还存在障碍物，则执行步骤6）；

步骤6），无人机调整次数加1；

步骤7），重复执行步骤步骤2）至步骤6），直至无人机自主飞行至目的地或无人机调整次数大于等于预设的最大调整次数，若无人机调整次数大于等于预设的最大调整次数，则控制无人机返航。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1. 基于五个超声波距离检测的无人机自主避障系统结构更简单，重量更轻，带负载能力更强，同时减轻了嵌入式处理器的负荷，使得无人机的机动性更为出色；

2. 无人机能够对障碍物进行智能规避，规避的方式更为多样化，并且能够自动调整航线，完成规定的飞行任务；

3. 克服了使用气压计无法在山地或丘陵地带确定相对高度的弊端，使得无人机能够自主爬山。

附图说明

图1为本发明基于超声波距离传感器的无人机避障系统的模块示意图；

图2为自主避障模块在自主飞行中的避障流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

如图1所示，本发明公开了一种基于超声波距离检测的无人机避障系统，包括无人机和地面站，所述无人机包含飞行控制模块、机载射频通信模块、超声波测距模块和自主避障模块；

所述飞行控制模块用于通过机载射频通信模块接收地面站和自主避障模块的指令后控制无人机飞行，并将无人机的飞行状况通过机载射频通信模块反馈给地面站；

所述超声波测距模块用于检测无人机前、左、右、上、下五个方向是否存在障碍物以及与障碍物之间的距离；

所述自主避障模块用于根据超声波测距模块的测量结果控制无人机进行避障；

所述地面站包含地面射频通信模块、航迹规划模块和实时监控模块；

所述航迹规划模块包含电子地图，用于设置无人机在自主飞行模式下的起止点、检查点、飞行高度和飞行速度；

所述实时监控模块用于实时检测与监控无人机状态，并进行数据存储、故障检测与报警操作；

所述机载射频通信模块和地面射频通信模块无线通信。

所述飞行控制模块包含嵌入式控制芯片、三轴陀螺仪传感器、三轴加速度计传感器、GPS定位芯片、和气压计，所述嵌入式控制芯片分别和三轴陀螺仪传感器、三轴加速度计传感器、GPS定位芯片、气压计、机载射频通信模块、自主避障模块相连。

所述超声波测距模块包含五个超声波距离传感器，分别设置在无人机前、左、右、上、下五个方向，用于检测无人机前、左、右、上、下五个方向是否存在障碍物以及与障碍物之间的距离；所述五个超声波距离传感器均与自主避障模块相连，将检测结果传递给自主避障模块。

所述五个超声波距离传感器的测距范围为20到600厘米。

所述五个超声波传感器通过电路和软件实现串口的半双工串口通讯，并且可设定地址，五个不同地址的传感器挂载在同一个串口上，依次将距离数据发送至自主避障模块，自主避障模块能够根据地址自主判断数据来源。

所述自主避障模块为嵌入式应用程序，该程序从不同地址以软件串口形式依次读取相应的超声波测距传感器所发送的距离数据，当距离超过设定值时，自主避障模块将立刻获得无人机系统的控制权，并控制无人机规避障碍物，继续完成设定的任务。

如图2所示，本发明还公开了一种基于多个超声波距离检测的无人机自主避障系统的控制方法，包含以下步骤：

步骤1），无人机根据地面站传递的航线进行自主飞行，并设定无人机调整次数为零；

步骤2），无人机检测前、左、右、上、下五个方向是否存在障碍物以及与障碍物之间的距离，并分别与五个方向上预设的安全距离阈值进行比较；

步骤2.1），如果无人机在前、左、右、上、下五个方向各自预设的安全距离阈值范围内均不存在障碍物，重新执行步骤1）；

步骤2.2），如果存在障碍物且该障碍物与无人机之间的距离小于等于无人机在该方向上预设的安全距离阈值，则执行步骤3）；

步骤3），判断无人机在上方预设的安全距离内是否存在障碍物；

步骤3.1），如果存在障碍物，则执行步骤4）；

步骤3.2），如果不存在障碍物，则控制无人机向上飞行N毫秒；

步骤3.2.1），在无人机向上飞行N毫秒的过程中，一旦无人机的五个方向均不存在障碍物，重新执行步骤1）；

步骤3.2.2），如果无人机向上飞行N毫秒后，无人机的五个方向还存在障碍物，则执行步骤4）；

步骤4），判断无人机在左边预设的安全距离内是否存在障碍物；

步骤4.1），如果存在障碍物，则执行步骤5）；

步骤4.2），如果不存在障碍物，则控制无人机向左飞行N毫秒；

步骤4.2.1），在无人机向左飞行N毫秒的过程中，一旦无人机的五个方向均不存在障碍物，重新执行步骤1）；

步骤3.2.2），如果无人机向左飞行N毫秒后，无人机的五个方向还存在障碍物，则执行步骤5）；

步骤5），判断无人机在右边预设的安全距离内是否存在障碍物；

步骤5.1），如果存在障碍物，则执行步骤6）；

步骤5.2），如果不存在障碍物，则控制无人机向右飞行2N毫秒；

步骤5.2.1），在无人机向右飞行2N毫秒的过程中，一旦无人机的五个方向均不存在障碍物，重新执行步骤1）；

步骤5.2.2），如果无人机向右飞行2N毫秒后，无人机的五个方向还存在障碍物，则执行步骤6）；

步骤6），无人机调整次数加1；

步骤7），重复执行步骤步骤2）至步骤6），直至无人机自主飞行至目的地或无人机调整次数大于等于M次，若无人机调整次数大于等于M次，则控制无人机返航。

上述M、N均为大于等于1的自然数。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1. 基于超声波距离检测的无人机避障系统，包括无人机和地面站，其特征在于，

所述无人机包含飞行控制模块、机载射频通信模块、超声波测距模块和自主避障模块；

所述飞行控制模块用于通过机载射频通信模块接收地面站和自主避障模块的指令后控制无人机飞行，并将无人机的飞行状况通过机载射频通信模块反馈给地面站；

所述超声波测距模块用于检测无人机前、左、右、上、下五个方向是否存在障碍物以及与障碍物之间的距离；

所述自主避障模块用于根据超声波测距模块的测量结果控制无人机进行避障；

所述地面站包含地面射频通信模块、航迹规划模块和实时监控模块；

所述航迹规划模块包含电子地图，用于设置无人机在自主飞行模式下的起止点、检查点、飞行高度和飞行速度；

所述实时监控模块用于实时检测与监控无人机状态，并进行数据存储、故障检测与报警操作；

所述机载射频通信模块和地面射频通信模块无线通信。

2. 根据权利要求1所述的基于超声波距离检测的无人机避障系统，其特征在于，所述飞行控制模块包含嵌入式控制芯片、三轴陀螺仪传感器、三轴加速度计传感器、GPS定位芯片、和气压计，所述嵌入式控制芯片分别和三轴陀螺仪传感器、三轴加速度计传感器、GPS定位芯片、气压计、机载射频通信模块、自主避障模块相连。

3. 根据权利要求1所述的基于超声波距离检测的无人机避障系统，其特征在于，所述超声波测距模块包含五个超声波距离传感器，分别设置在无人机前、左、右、上、下五个方向，用于检测无人机前、左、右、上、下五个方向是否存在障碍物以及与障碍物之间的距离；所述五个超声波距离传感器均与自主避障模块相连，将检测结果传递给自主避障模块。

4. 根据权利要求3所述的基于超声波距离检测的无人机避障系统，其特征在于，所述五个超声波距离传感器的测距范围为20到600厘米。

5. 根据权利要求3所述的基于超声波距离检测的无人机避障系统，其特征在于，所述五个超声波距离传感器分别设定不同的地址，采用半双工串口通讯依次将距离数据发送至自主避障模块。

6. 基于权利要求1所述的基于多个超声波距离检测的无人机自主避障系统的控制方法，其特征在于包含以下步骤：

步骤1），无人机根据地面站传递的航线进行自主飞行，并设定无人机调整次数为零；

步骤2），无人机检测前、左、右、上、下五个方向是否存在障碍物以及与障碍物之间的距离，并分别与五个方向上预设的安全距离阈值进行比较；

步骤2.1），如果无人机在前、左、右、上、下五个方向各自预设的安全距离阈值范围内均不存在障碍物，重新执行步骤1）；

步骤2.2），如果存在障碍物且该障碍物与无人机之间的距离小于等于无人机在该方向上预设的安全距离阈值，则执行步骤3）；

步骤3），判断无人机在上方预设的安全距离内是否存在障碍物；

步骤3.1），如果存在障碍物，则执行步骤4）；

步骤3.2），如果不存在障碍物，则控制无人机按照预设的时间间隔向上飞行；

步骤3.2.1），在无人机按照预设的时间间隔向上飞行的过程中，一旦无人机的五个方向均不存在障碍物，重新执行步骤1）；

步骤3.2.2），如果无人机按照预设的时间间隔向上飞行后，无人机的五个方向还存在障碍物，则执行步骤4）；

步骤4），判断无人机在左边预设的安全距离内是否存在障碍物；

步骤4.1），如果存在障碍物，则执行步骤5）；

步骤4.2），如果不存在障碍物，则控制无人机按照预设的时间间隔向左飞行；

步骤4.2.1），在无人机按照预设的时间间隔向左飞行的过程中，一旦无人机的五个方向均不存在障碍物，重新执行步骤1）；

步骤3.2.2），如果无人机按照预设的时间间隔向左飞行后，无人机的五个方向还存在障碍物，则执行步骤5）；

步骤5），判断无人机在右边预设的安全距离内是否存在障碍物；

步骤5.1），如果存在障碍物，则执行步骤6）；

步骤5.2），如果不存在障碍物，则控制无人机按照2倍预设的时间间隔向右飞行；

步骤5.2.1），在无人机按照2倍预设的时间间隔向右飞行的过程中，一旦无人机的五个方向均不存在障碍物，重新执行步骤1）；

步骤5.2.2），如果无人机按照2倍预设的时间间隔向右飞行后，无人机的五个方向还存在障碍物，则执行步骤6）；

步骤6），无人机调整次数加1；

步骤7），重复执行步骤步骤2）至步骤6），直至无人机自主飞行至目的地或无人机调整次数大于等于预设的最大调整次数，若无人机调整次数大于等于预设的最大调整次数，则控制无人机返航。