CN105093237B - 一种无人机用障碍物检测装置及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种无人机用障碍物检测装置及其检测方法，其中检测装置包括驱动装置、测距装置、测角装置及控制装置，驱动装置、测距装置、测角装置分别与控制装置连接，驱动装置与测距装置连接，测距装置包括距离传感器，测角装置包括角度传感器，控制装置包括控制板；无人机用障碍物检测装置的检测方法，使用旋转着的距离传感器检测并计算障碍物与无人机的距离，使用角度传感器判断距离传感器旋转角度，使用控制板对上述距离数据和旋转角度数据进行匹配，最终获得障碍物的位置信息。本发明能够实现对周围各个方向的障碍物进行检测，避免无人机与障碍物发生碰撞的情况，降低了无人机发生事故的概率。

Description

一种无人机用障碍物检测装置及其检测方法

技术领域

本发明涉及无人飞行器，更为具体来说，是一种无人机用障碍物检测装置及其检测方法。

背景技术

面对复杂多变的地形和环境，执行相关任务的无人机在飞行过程中难免会遇到障碍物。如果躲避不及就会发生坠机事件、产生安全隐患，甚至对操作者或者他人造成伤害；同时也造成了一定的经济损失。特别是对于消费类别的轻型无人机来说，在无人机上安装相应的躲避障碍物的装置也是必须的。

为了解决上述无人机难以躲避障碍物的问题，首先，应该能够检测到障碍物。

一、申请号为201110031250.8的中国发明专利公开了一种自动规避障碍物的飞行装置与方法，包括超声波发射模块、超声波接收模块、驱动模块等，通过发射超声波、接收超声波、计算障碍物距离等方式，达到检测障碍物的目的。类似地，申请号为201520129617.3、201510099457.7、201420310963.7、201310480659.7等中国专利也采用了与上述专利类似的方法。

然而，该种方法无法精确地判断出障碍物所处的方位角度，因而误差也较大，因此，上述专利所述可以用在飞行玩具领域，但是不适用在无人机上。

也有采用激光雷达测量障碍物与飞行器距离的，但是激光雷达的体积重量较大，无法应用到消费类别等轻小型的无人机上。

二、申请号为201210184303.4的中国发明专利公开了一种无人机的视觉定位与避障方法及系统，包括具有机载相机和惯性测量单元的无人机以及视觉定位装置，通过从视觉感知机载相机获得的惯导数据的方式判断出障碍物与无人机之间的相对位置信息、所述障碍物的形状、大小和运动状态等。

这种方法确实能准确地获取障碍物的相关信息。但是，这种方法必须要有复杂的算法做支撑，同时需要较复杂的相关硬件支持，其不仅可靠性相对也较低，而且成本比较高。

三、申请号为201310036271.8的中国发明专利公开了一种无人机避障控制方法，设有无人机子系统和地面站子系统，无人机子系统包含嵌入控制器和无线数据链的机载端，嵌入式飞行控制器内置卫星定位接收机和高度传感器；地面站子系统包含嵌入式监控计算机和无线数据链的地面端，嵌入式监控计算机内置包含障碍物地理信息的电子地图；在地面站子系统的嵌入式监控计算机内置的电子地图上，确定飞行区域中障碍物的地位置，建立虚拟的障碍物多边形柱体，并将其形体数据下载到嵌入式飞行控制器，嵌入式飞行控制器实时获取无人机的当前位置并计算出与障碍物多边形柱体的空间关系，然后生成无人机的轨迹指令，实现无人机的自动避障。

这种方式借助于电子地图，需要依靠较完善的地图信息、较稳定的数据通信做支撑，才能完成相关任务。因而，该种复杂的手段并不适合消费类别等轻小型的无人机上。

综上，对于上述三种方案，由于其技术手段本身的缺陷，目前无人机障碍物检测设备检测的方向往往仅包括前后左右四个方向或者一个较小的角度范围，无法检测到其它方向，而无人机飞行的方式可能会随时变化，所以在很多情况下还是会发生事故。

因此，获得一种能够实时准确检测障碍物、判断障碍物的具体方位、可靠性强、结构简单的无人机障碍物检测装置成为了本领域技术人员追求的目标。

发明内容

为解决现有的无人机用障碍检测装置难以判断障碍物具体方位或者技术方案较为复杂等问题，本发明提供了一种无人机用障碍物检测装置，实现了对障碍物与无人机的距离、角度等信息的检测。

为实现上述目的，本发明公开了一种无人机用障碍物检测装置，包括控制装置，及分别与控制装置连接的驱动装置、测距装置、测角装置；驱动装置与测距装置连接。

在控制装置和驱动装置的共同控制下，本发明的无人机用障碍物检测装置采用测距装置、测角装置实现对障碍物的定位，而且装置结构简单、可靠性高，适用于各种类型的无人机，特别适用于消费级别的无人机。

进一步地，测距装置包括距离传感器、支撑杆、导电滑环及测距支撑柱，支撑杆两端分别固定连接距离传感器和导电滑环一端，测距支撑柱两端分别固定连接导电滑环另一端和控制装置，距离传感器依次通过支撑杆、导电滑环、测距支撑柱与控制装置电连接；驱动装置包括减速器、电机及电机支撑柱，电机通过电机支撑柱与控制装置电连接，电机输出轴与减速器连接，减速器与支撑杆齿轮连接；测角装置包括相互固定连接的角度传感器和测角支撑柱，角度传感器通过测角支撑柱与控制装置电连接，支撑杆上套有磁环，角度传感器设于磁环旁。

控制装置为距离传感器供电、保证其能正常工作，距离传感器向外发射光信号以判断无人机周围是否存在障碍物，角度传感器通过判断距离传感器的旋转角度判读障碍物所处方向。

本发明创新地设置了磁环，避免了距离传感器在连续旋转时将数据线扭曲折断的现象发生，提高了检测装置的可靠性，检测装置的寿命更长。本发明创新地提供了可360°旋转的距离传感器，通过电机、减速器进行驱动，通过减速器齿轮转动的方式带动支撑柱上的距离传感器旋转，达到对无人机周围障碍物进行无死角检测的目的。在距离传感器旋转的前提下，本发明在检测到障碍物的同时，通过角度传感器判断距离传感器旋转的角度，进而可判断出障碍物所在方位，结合障碍物与无人机的距离，可得出障碍物的具体位置。

进一步地，控制装置包括控制板及与控制板电连接的电源；测距支撑柱、电机支撑柱、测角支撑柱平行设置，分别与控制板固定连接。

进一步地，控制板呈水平方向设置，测距支撑柱、电机支撑柱及测角支撑柱呈垂直方向设置。

上述的各部件的设置方式比较紧凑，降低了整个检测装置占用的体积，便于安装和运输。

进一步地，距离传感器为红外线传感器，内部安装有滤波片。

进一步地，减速器输出轴固定连接主动轮，支撑杆上套有从动轮，主动轮与从动轮齿轮连接。

主动轮、从动轮的齿轮齿较小，因此能够较高精度的控制旋转角度，提高判断障碍物方位的精确性。

本发明的另外一个发明目的在于提供一种无人机用障碍物检测方法，包括如下步骤，

1)使距离传感器以支撑杆为轴旋转，距离传感器检测无人机周围的障碍物并测量障碍物与无人机的距离；

2)角度传感器测量支撑杆外的磁环磁信号变化、计算距离传感器的旋转角度；

3)控制板不断接收距离数据和旋转角度数据，将接收时间同步的距离数据和旋转角度数据匹配，获得障碍物位置信息。

本发明的方法采用检测障碍物与无人机的距离和障碍物所处角度的方法，并自动将同一时间的两种数据匹配，保证了数据的准确性，换言之，对于同一障碍物，本方法可实现在某个时间的距离、角度测量，并且能够较快地检测并判断出障碍物的具体位置，该方法具有简单方便、可靠性高、执行效果好等优点。

进一步地，步骤1)中，旋转运动的减速器齿轮带动支撑杆、支撑杆带动距离传感器呈360°旋转运动，电机为减速器提供动力。

本发明的一个关键点在于可360°旋转运动的距离传感器，而且由于导电滑环的设置，距离传感器可以始终沿一个方向旋转，由于其可沿顺向或者逆向旋转，则降低了对驱动设备的要求，只需要普通的减速器、电机即可满足需要。当然，本发明的距离传感器也可以按要求顺向-逆向或者逆向-顺向旋转。

进一步地，步骤2)中，角度传感器检测旋转运动的磁环磁场强度和/或方向的变化、判断距离传感器的旋转角度。

本发明创新地采用了测旋转磁环磁场强度和/或方向判断距离传感器旋转角度，在本发明的技术启示下，本领域技术人员可根据选用的磁环具体的磁场分布信息，使用相应的算法即可实现测量距离传感器旋转角度的技术目的。

进一步地，步骤1)中，通过校正系数校正障碍物与无人机之间的距离。

本发明的有益效果为：在无人机飞行过程中，本发明能够实现对周围各个方向的障碍物进行检测，避免无人机与障碍物发生碰撞的情况，降低了无人机发生事故的概率，避免了经济损失。

本发明的障碍物检测装置具有可靠性好、安装简单、使用方便、体积小、重量轻、功耗小等优点，可安装于各类无人机上。

本发明的障碍物检测方法简单、容易实现，实施性较强，具有很高的应用价值，可以在多种无人机甚至其他技术领域使用。

附图说明

图1为无人机用障碍物检测装置的装配示意图。

图2为无人机用障碍物检测装置的结构示意图。

图3为无人机用障碍物检测装置的检测方法示意图。

图中，

1、测距装置；10、距离传感器；11、导电滑环；12、测距支撑柱；13、支撑杆；14、磁环；2、测角装置；20、角度传感器；21、测角支撑柱；3、驱动装置；30、减速器；31、电机；32、电机支撑柱；4、控制装置；40、控制板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明无人机用障碍物检测装置进行详细的解释和说明。

实施例一

如图1、2所示，本发明的一种无人机用障碍物检测装置，包括作为整个无人机用障碍物检测装置的控制中心的控制装置4，及分别与控制装置4连接的驱动装置3、测距装置1、测角装置2，驱动装置3与测距装置1连接，驱动装置3用于为测距装置1的旋转提供相应的动力，测角装置2用于测量测距装置1旋转的角度。

具体来说，测距装置1包括距离传感器10、支撑杆13、导电滑环11及测距支撑柱12，支撑杆13两端分别固接距离传感器10和导电滑环11一端，测距支撑柱12两端分别固接导电滑环11另一端和控制装置4，距离传感器10依次通过支撑杆13、导电滑环11、测距支撑柱12与控制装置4电连接，距离传感器10测得的距离信号信息依次通过支撑杆13、导电滑环11、测距支撑柱12传输至控制装置4，而控制装置4同时为距离传感器10供电，本发明的导电滑环11为多路导电滑环11，可同时传输信号和供电；当然，在支撑杆13和测距支撑柱12内部分别设置相应的连接导线，一根或者多根导线用于连接距离传感器10和导电滑环11，一根或者多根导线用于连接导电滑环11和控制装置4。

在较佳的技术方案中，本发明距离传感器10为红外线传感器。为了保证返回的红外线不受或者降低受外部杂波的干扰，距离传感器10的内部安装有滤波片。

驱动装置3包括减速器30、电机31及电机支撑柱32，电机31通过电机支撑柱32与控制装置4电连接，电机31连接减速器30，减速器30与支撑杆13齿轮连接；电机31通过减速器30控制支撑柱旋转，距离传感器10随支撑柱的旋转而旋转，本实施例中，减速器30输出轴固定连接主动轮，支撑杆13上套有、固接从动轮，主动轮与从动轮齿轮连接。

测角装置2包括相互固定连接的角度传感器20和测角支撑柱21，角度传感器20通过测角支撑柱21与控制装置4电连接，控制装置4为角度传感器20供电，角度传感器20获取距离传感器10指向的角度信号，并将角度信号传输至控制装置4；支撑杆13上套有磁环14，磁环14与支撑杆13固定连接，角度传感器20设于磁环14旁，角度传感器20与磁环14的高度相同、相对设置，角度传感器20采集磁环14的磁信号，以此判断距离传感器10的角度。

控制装置4包括电源和控制板40，测距支撑柱12、电机支撑柱32、测角支撑柱21平行设置且分别与控制板40固接。本发明优选的控制板40是PCB电路板，控制板40上设置相关的电子器件，实现为距离传感器10、角度传感器20以及电机31供电，并负责接收距离信号、角度信号，以确定障碍物相对于无人机的位置，本发明可在控制板40上设置通信模块，将障碍物的相对于无人机的距离、角度信息传输至无人机控制中心，以控制无人机避开障碍物。

本实施例中，控制板40水平设置，测距支撑柱12、电机支撑柱32、测角支撑柱21垂直设置。

需要说明的是，在本发明中，测距支撑柱12、测角支撑柱21、电机支撑柱32都起到了支撑上部结构的作用，这些部件可作为导体，也可以仅作为支撑结构而在其内部设置连接导线。

实施例二

实施例二的无人机用障碍物检测装置与实施例一的结构基本相同，其区别在于，减速器30与支撑杆13通过皮带传动。当然，皮带传动可能会出现皮带相对减速器输出轴滑动的现象，导致障碍物方向判断不准确，因此齿轮传动稳定性更高。

在本发明的启示下本领域技术人员可以选用任何可想到的动力方式以保证支撑杆13做旋转运动，进而带动距离传感器10做旋转运动，达到检测无人及周围障碍物的目的。

下面结合附图3对本发明无人机用障碍物检测方法进行详细的解释和说明。

无人机在空中飞行时，本发明的无人机用障碍物的检测装置上电后，电源为控制板40供电，控制板40为无人机用障碍物检测装置的其他部分供电，本装置开始工作，本发明设定无人机机头方向为0°方向，电机31带动减速器30按顺时针/逆时针旋转，从而带动距离传感器10和磁环14的上部分旋转。

距离传感器10在不断旋转的过程中，以较高的频率向外发射带有相位差的光波，光波遇到障碍物后返回并被距离传感器10接收到，距离传感器10内的滤波片对返回的光波过滤，滤除一些杂波，并记录下此时的时间T1，距离传感器10根据接收到的光波计算出障碍物与装置之间的距离S1，并将距离S1、时间T1以及校正系数传输给控制板40，由于环境、天气等原因，需要校正系数对距离S1进行校正，该校正系数是测距装置1出厂时设定的，控制板40得到距离S1和校正系数后，通过计算最终得到障碍物距离无人机真实的距离S，而通过距离S1和校正系数计算障碍物与无人机距离的方法是本领域技术人员掌握的常规方法。

当减速器30带动测距支撑杆13不断旋转的过程中，角度传感器20以较高的频率不断测量距离传感器10的旋转角度，并实时记录某个时间下的距离传感器10的旋转角度，如时间T2、角度Q,0°<Q<360°或者-360°<Q<0°，并不断将上述信息传输至控制板40，本发明的检测角度为-360°至+360°。控制板40不断将距离传感器10传来数据的时间T1和角度传感器20传来数据的时间T2进行匹配，如果T1＝T2或者二者非常接近，那么表明在同一时间获取数据：距离S1和角度Q，也就是说明同时获得了距离S和角度Q，两种匹配完成，获得了障碍物与无人机之间的距离S及其与无人机之间的角度Q，则以无人机的坐标为(0,0)、坐标(S,Q)为障碍物相对无人机的相对坐标，即实现了本发明的发明目的。

概括来说，本发明无人机用障碍物检测装置的检测方法包括如下三个步骤：

1)使距离传感器10以支撑杆13为轴旋转，距离传感器10检测无人机周围的障碍物并测量障碍物与无人机的距离，旋转运动的减速器30齿轮带动支撑杆13、支撑杆13带动距离传感器10呈360°旋转运动，电机31为减速器30提供动力，并通过校正系数校正障碍物与无人机之间的距离；

2)角度传感器20测量支撑杆13外的磁环14磁信号变化、计算距离传感器10的旋转角度，角度传感器20检测旋转运动的磁环14磁场强度和/或方向的变化、判断距离传感器10的旋转角度；

3)控制板40不断接收距离数据和旋转角度数据，以时间为标准对上述两种数据进行匹配，获得障碍物位置信息。

本发明采用检测障碍物与无人机的距离和障碍物所处角度的方法，并自动将同一时间的两种数据匹配，保证了数据的准确性，换言之，对于同一障碍物，本方法可实现在某个时间的距离、角度测量，并且能够较快地检测并判断出障碍物的具体位置，该方法具有简单方便、可靠性高、执行效果好等优点。

本发明的一个关键点在于可360°旋转运动的距离传感器10，而且由于导电滑环11的设置，距离传感器10可以始终沿一个方向旋转，由于其可沿顺向或者逆向旋转，则降低了对驱动设备的要求，只需要普通的减速器30、电机31即可满足需要。当然，本发明的距离传感器10也可以按要求顺向-逆向或者逆向-顺向旋转。本发明创新地采用了测旋转磁环14磁场强度和/或方向判断距离传感器10旋转角度，在本发明的技术启示下，本领域技术人员可根据选用的磁环14具体的磁场分布信息，使用相应的算法即可实现测量距离传感器10旋转角度的技术目的。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明实质内容上所作的任何修改、等同替换和简单改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种无人机用障碍物检测装置，其特征在于：包括控制装置(4)，及分别与控制装置连接的驱动装置(3)、测距装置(1)、测角装置(2)；驱动装置与测距装置连接；所述测距装置包括距离传感器(10)、支撑杆(13)、导电滑环(11)及测距支撑柱(12)，支撑杆两端分别固定连接距离传感器和导电滑环一端，测距支撑柱两端分别固定连接导电滑环另一端和控制装置，距离传感器依次通过支撑杆、导电滑环、测距支撑柱与控制装置电连接；驱动装置包括减速器(30)、电机(31)及电机支撑柱(32)，电机通过电机支撑柱与控制装置电连接，电机输出轴与减速器连接，减速器与支撑杆齿轮连接；测角装置包括相互固定连接的角度传感器(20)和测角支撑柱(21)，角度传感器通过测角支撑柱与控制装置电连接，支撑杆上套有磁环(14)，角度传感器设于磁环旁。

2.根据权利要求1所述的无人机用障碍物检测装置，其特征在于：控制装置包括控制板(40)及与控制板电连接的电源；测距支撑柱、电机支撑柱、测角支撑柱平行设置，分别与控制板固定连接。

3.根据权利要求2所述的无人机用障碍物检测装置，其特征在于：控制板呈水平方向设置，测距支撑柱、电机支撑柱及测角支撑柱呈垂直方向设置。

4.根据权利要求1所述的无人机用障碍物检测装置，其特征在于：距离传感器为红外线传感器，内部安装有滤波片。

5.根据权利要求1所述的无人机用障碍物检测装置，其特征在于：减速器输出轴固定连接主动轮，支撑杆上套有从动轮，主动轮和从动轮齿轮连接。

6.一种利用权利要求1至5中任一权利要求所述的无人机用障碍物检测装置的检测方法，其特征在于：包括如下步骤，

1)使距离传感器以支撑杆为轴旋转，距离传感器检测无人机周围的障碍物并测量障碍物与无人机的距离；

2)角度传感器测量支撑杆外的磁环磁信号变化、计算距离传感器的旋转角度；

3)控制板不断接收距离数据和旋转角度数据，将接收时间同步的距离数据和旋转角度数据匹配，获得障碍物位置信息。

7.根据权利要求6所述的无人机用障碍物检测装置的检测方法，其特征在于：步骤1)中，旋转运动的减速器齿轮带动支撑杆、支撑杆带动距离传感器呈360°旋转运动，电机为减速器提供动力。

8.根据权利要求6或7所述的无人机用障碍物检测装置的检测方法，其特征在于：步骤2)中，角度传感器检测旋转运动的磁环磁场强度和/或方向的变化、判断距离传感器的旋转角度。

9.根据权利要求6或7所述的无人机用障碍物检测装置的检测方法，其特征在于：步骤1)中，通过校正系数校正障碍物与无人机之间的距离。