CN105137440A - 基于超声波与双目视觉的无人机避险探测装置及方法 - Google Patents

基于超声波与双目视觉的无人机避险探测装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于超声波与双目视觉的无人机避险探测装置及方法，装置包括电源管理系统、测距系统和接口系统；所述电源管理系统包括电源输出管理单元、充电管理单元和锂电池；所述测距系统包括视觉单元、超声单元、信息处理单元和惯量单元；所述接口系统包括显示单元、接口单元和无线单元。所述方法是：控制视觉单元和超声单元采集视觉信息和超声信息，信息处理单元采集视觉、超声信息和倾角数据，经过数据融合得出前方障碍物的距离和系统的倾角信息，然后将所产生的数据经过接口系统显示或者上传到其他设备上。本发明可以实现设备朝向的精确测距与障碍物的识别，最大限度提高测距的精度和成功避障的可靠性。

Description

基于超声波与双目视觉的无人机避险探测装置及方法
技术领域
本发明涉及无人机的研究领域，特别涉及一种基于超声波与双目视觉的无人机避险探测装置及方法。
背景技术
目前，小型无人机快速避障是无人机研究领域的一个重要问题,它有许多不同于陆地智能机器人避障的特点。小型无人机的飞行环境具有不确定性,不能实现自主路径规划,必须采用自主避障的方式。小型无人机体积小,载重量有限,不能承载重量较大的声波探测器,因此需要寻找一种基于超声波和双目视觉的测距避障系统及控制方法。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于超声波与双目视觉的无人机避险探测装置。
本发明的另一目的在于，提供一种基于超声波与双目视觉的无人机避险探测装置的探测方法。
为了达到上述第一目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于超声波与双目视觉的无人机避险探测装置，包括电源管理系统、测距系统和接口系统；所述电源管理系统包括电源输出管理单元、充电管理单元和锂电池，所述电源输出管理单元能够为整个系统提供稳定的电源供给，所述充电管理单元用于为锂电池提供稳定的充电保障；所述测距系统包括视觉单元、超声单元、信息处理单元和惯量单元，视觉单元能够实时采集视觉信息并及时传递到信息处理单元，并能够根据信息处理单元的控制指令，调整采集参数，超声单元能够定期采集视觉单元的朝向距离信息，并能够将采集的数据信息实时传递到信息处理单元，信息处理单元，能够实时采集视觉单元和超声单元采集的数据，并能够根据采集的数据经数据融合得出前方障碍物的距离和系统的倾角信息，并将产生的数据经接口系统上传或显示；惯量单元能够提供系统的倾角信息，用于云台的控制；所述接口系统包括显示单元、接口单元和无线单元，显示单元能够将测距系统传递的数据显示；接口单元能够外接各种设备，测距系统的数据能够经过接口单元传递给外接设备；无线单元能够将测距系统的数据以无线通信的形式发送到相应无线通信设备中。
优选的，所述电源输出管理单元控制锂电池中的电源稳定的输出，为整个系统提供稳定的电源供给。
优选的，所述充电管理单元用于锂电池的充电，能够提供稳定的充电保障，提高锂电池的使用寿命。
优选的，所述视觉单元包含两个参数相同的摄像头，视觉单元的两个摄像头能够接受控制信令，调整摄像头的参数，并将采集的视觉信息传递到信息处理单元。
优选的，所述超声单元用于测量视觉单元摄像头的朝向距离，能够接收控制信令，调整测量频率，并将测量到的超声信息传递到信息处理单元，所述超声单元的发射轴线与视觉单元两个摄像头的轴线互相平行。
优选的，所述信息处理单元采集视觉单元的视觉信息，同时采集超声单元的超声信息，然后采用数据融合的方法得出前方障碍物的距离和系统的倾角信息，并将产生的数据经接口系统上传或显示。
优选的，所述惯量单元包括倾角传感器能够测的测的系统本身的倾角，为云台的调整提供数据；所述倾角传感器的其中一个敏感轴与超声波单元的探测指向相平行。
优选的，所述显示单元能够将测距系统传递的数据显示，其中显示数据包括障碍物距离测距系统的距离和系统的倾角信息；
所述接口单元能够外接各种设备，测距系统的数据能够经过接口单元传递给外接设备；
所述无线单元能够将测距系统的数据以无线通信的形式发送到相应无线通信设备中；
控制视觉单元和超声单元采集视觉信息和超声信息，信息处理单元采集视觉、超声信息和倾角数据，经过数据融合得出前方障碍物的距离和系统的倾角信息，然后将所产生的数据经过接口系统显示或者上传到其他设备上。本发明可以实现设备朝向的精确测距与障碍物的识别，最大限度提高测距的精度和成功避障的可靠性。
为了达到上述第二目的，本发明采用以下技术方案：
基于超声波与双目视觉的无人机避险探测装置的探测方法，包括下述步骤：
(1)装置启动前，电源管理系统检测锂电池的电池电压，若电压过低则发出装置失效预警；
(2)装置启动时，测距系统需要进行一次标定，信息处理单元采集测量视觉单元的视觉信息和超声单元的超声信息，根据超声信息对视觉单元所得到的前方障碍物的距离进行修正。
(3)基于(2)信息处理单元采集超声单元的超声信息、视觉单元的视觉信息和惯量单元的倾角数据。
(4)基于(2)信息处理单元根据采集的视觉信息计算出前方障碍物的最小距离，与采集到的超声信息进行数据融合，得到前方障碍物测的距离。
(5)基于(3)信息处理单元根据采集到的视觉信息，搜寻到障碍物，并计算出障碍物的距离信息。
(6)信息处理单元将处理后的数据上传到接口系统。
(7)基于(6)接口系统将采集到的数据在显示单元上显示前方障碍物的距离和系统的倾角信息。
(8)基于(6)接口系统将采集到的数据根据接入设备的不同通信方式，以相应的通信方式，将前方障碍物的距离和系统的倾角信息上传到接入设备，如果系统挂载在云台，可以将倾角信息上传到云台控制端，用于对云台的控制。
(9)基于(6)接口系统将采集到的数据根据接入无线通信设备的不同通信方式，以相应的通信方式，将前方障碍物的距离和系统的倾角信息上传到无线通信设备。
(10)当距离前方障碍物的距离低于设定值时，装置会发出危险警报(声、光、通信信令)。
优选的，所述步骤(1)中，装置启动前，低电量报警数值设为2.0V。
优选的，所述步骤(4)中，数据融合的方法为采用卡尔曼滤波方法。
优选的，所述步骤(8)中，通信方式为CAN、I2C、UART。
优选的，所述步骤(9)中，通信设备为基于2.4GHz通信频段的nRF24L01通信模块。
优选的，所述步骤(10)中，当装置处于危险状态的设定值为10m。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
目前，小型无人机快速避障是无人机研究领域的一个重要问题,它有许多不同于陆地智能机器人避障的特点。小型无人机的飞行环境具有不确定性,不能实现自主路径规划,必须采用自主避障的方式。小型无人机体积小,载重量有限,不能承载重量较大的声波探测器,因此需要寻找一种基于超声波和双目视觉的测距避障系统及控制方法。
1、针对目前用于小型无人机快速避障的设备在小型无人机飞行过程中难以有效的根据环境周围的信息采取快速的避障行为，无法有效的保证小型无人机的安全飞行。本发明通过控制视觉单元和超声单元采集视觉信息和超声信息，信息处理单元采集视觉和超声信息，经过数据融合得出前方障碍物的距离和系统的倾角信息，然后将所产生的数据经过接口系统显示或者上传到其他设备上。本发明可以实现设备朝向的精确测距与障碍物的识别，最大限度提高测距的精度和成功避障的可靠性。
2、本发明方法可以通过无线单元与地面控制人员进行通信，能够及时告知控制人员，提高控制人员对所要面对的环境危险的预判，控制人员可以远程对所要面对的障碍物有一个更加清晰的了解，提高了小型无人机飞行的安全性。
附图说明
图1是本发明装置的总体示意图；
图2是本发明装置的电源管理系统电路连接关系示意图。
图3是本发明装置的测距系统电路连接关系示意图。
图4是本发明装置的接口系统电路连接关系示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
目前，小型无人机快速避障是无人机研究领域的一个重要问题,它有许多不同于陆地智能机器人避障的特点。小型无人机的飞行环境具有不确定性,不能实现自主路径规划,必须采用自主避障的方式。小型无人机体积小,载重量有限,不能承载重量较大的声波探测器,因此需要寻找一种基于超声波与双目视觉的无人机避险探测装置及探测方法。
本实施例所述一种基于超声波与双目视觉的无人机避险探测装置，如图1所示，该探测装置包括电源管理系统5、视觉单元2、视觉单元4、超声单元3、信息处理单元1、接口系统6、惯量单元7。其中整个系统安装在小型无人机身上，所述视觉单元2、视觉单元4和超声单元3分别采集图像信息和距离信息，惯量单元7采集系统倾角信息，信息处理单元1采集图像信息和距离信息倾角信息，采用数据融合的方法得到朝向方向障碍物的距离信息和系统的倾角信息，并将所得到的数据上传到接口系统6，由接口系统6显示数据或者上传到其他设备。
如图2所示，所述充电管理单元可由充电管理模块组成，用于给锂电池充电。
如图3所示，所述视觉单元有两个参数相同的摄像头模块组成，其中摄像头模块能够采集1024*800个像素点，帧率为30。所述超声单元由超声接收发送模块组成，超声波接收发送模块的扩散角不大于15度，盲区小于2厘米，采集数据频率为20HZ，可采用HY-SRF05超声波模块(集成超声波发送模块、超声波接收模块)。
如图4所示，所述接口单元由兼容各种通信接口的接口通信模块组成，能够与大部分通信端口进行通信，所述显示单元由液晶显示模块组成，可采用液晶显示装置为JLX12864G-086PC。所述无线单元由接收发送模块组成，其中微波接收发送模块包含天线和微波处理模块，可采用SMA--A-B-N(2.4GHz天线)、nRF24L01(集成微波发送模块、微波接收模块)。
一种基于超声波与双目视觉的无人机避险探测装置的探测方法，该方法是：控制视觉单元和超声单元采集视觉信息和超声信息，信息处理单元采集视觉、超声信息和倾角数据，经过数据融合得出前方障碍物的距离和系统的倾角信息，然后将所产生的数据经过接口系统显示或者上传到其他设备上。本发明可以实现设备朝向的精确测距与障碍物的识别，最大限度提高测距的精度和成功避障的可靠性。具体包括以下步骤：
(1)装置启动前，电源管理系统检测锂电池的电池电压，若电压过低则发出装置失效预警(声、光、通信信令)；
(2)装置启动时，测距系统需要进行一次标定，信息处理单元采集测量视觉单元的视觉信息和超声单元的超声信息，根据超声信息对视觉单元所得到的前方障碍物的距离进行修正。
(3)基于(2)信息处理单元采集超声单元的超声信息、视觉单元的视觉信息和惯量单元的倾角数据。
(4)基于(2)信息处理单元根据采集的视觉信息计算出前方障碍物的最小距离，与采集到的超声信息进行数据融合，得到前方障碍物测的距离。
(5)基于(3)信息处理单元根据采集到的视觉信息，搜寻到障碍物，并计算出障碍物的距离信息。
(6)信息处理单元将处理后的数据上传到接口系统。
(7)基于(6)接口系统将采集到的数据在显示单元上显示前方障碍物的距离和系统的倾角信息。
(8)基于(6)接口系统将采集到的数据根据接入设备的不同通信方式，以相应的通信方式，将前方障碍物的距离和系统的倾角信息上传到接入设备，如果系统挂载在云台，可以将倾角信息上传到云台控制端，用于对云台的控制。
(9)基于(6)接口系统将采集到的数据根据接入无线通信设备的不同通信方式，以相应的通信方式，将前方障碍物的距离和系统的倾角信息上传到无线通信设备。
(10)当距离前方障碍物的距离低于设定值时，装置会发出危险警报(声、光、通信信令)。上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于超声波与双目视觉的无人机避险探测装置，其特征在于，包括电源管理系统、测距系统和接口系统；所述电源管理系统包括电源输出管理单元、充电管理单元和锂电池，所述电源输出管理单元能够为整个系统提供稳定的电源供给，所述充电管理单元用于为锂电池提供稳定的充电保障；所述测距系统包括视觉单元、超声单元、信息处理单元和惯量单元，视觉单元能够实时采集视觉信息并及时传递到信息处理单元，并能够根据信息处理单元的控制指令，调整采集参数，超声单元能够定期采集视觉单元的朝向距离信息，并能够将采集的数据信息实时传递到信息处理单元，信息处理单元，能够实时采集视觉单元和超声单元采集的数据，并能够根据采集的数据经数据融合得出前方障碍物的距离和系统的倾角信息，并将产生的数据经接口系统上传或显示；惯量单元能够提供系统的倾角信息，用于云台的控制；所述接口系统包括显示单元、接口单元和无线单元，显示单元能够将测距系统传递的数据显示；接口单元能够外接各种设备，测距系统的数据能够经过接口单元传递给外接设备；无线单元能够将测距系统的数据以无线通信的形式发送到相应无线通信设备中。
2.根据权利要求1所述的基于超声波与双目视觉的无人机避险探测装置，其特征在于，所述电源输出管理单元控制锂电池中的电源稳定的输出，为整个系统提供稳定的电源供给。
3.根据权利要求1所述的基于超声波与双目视觉的无人机避险探测装置，其特征在于，所述充电管理单元用于锂电池的充电，能够提供稳定的充电保障，提高锂电池的使用寿命。
4.根据权利要求1所述的基于超声波与双目视觉的无人机避险探测装置，其特征在于，所述视觉单元包含两个参数相同的摄像头，视觉单元的两个摄像头能够接受控制信令，调整摄像头的参数，并将采集的视觉信息传递到信息处理单元。
5.根据权利要求1所述的基于超声波与双目视觉的无人机避险探测装置，其特征在于，所述超声单元用于测量视觉单元摄像头的朝向距离，能够接收控制信令，调整测量频率，并将测量到的超声信息传递到信息处理单元，所述超声单元的发射轴线与视觉单元两个摄像头的轴线互相平行。
6.根据权利要求1所述的基于超声波与双目视觉的无人机避险探测装置，其特征在于，所述信息处理单元采集视觉单元的视觉信息，同时采集超声单元的超声信息，然后采用数据融合的方法得出前方障碍物的距离和系统的倾角信息，并将产生的数据经接口系统上传或显示。
7.根据权利要求1所述的基于超声波与双目视觉的无人机避险探测装置，其特征在于，所述惯量单元包括倾角传感器能够测的测的系统本身的倾角，为云台的调整提供数据；所述倾角传感器的其中一个敏感轴与超声波单元的探测指向相平行。
8.根据权利要求1所述的基于超声波与双目视觉的无人机避险探测装置，其特征在于，所述显示单元能够将测距系统传递的数据显示，其中显示数据包括障碍物距离测距系统的距离和系统的倾角信息；
所述接口单元能够外接各种设备，测距系统的数据能够经过接口单元传递给外接设备；
所述无线单元能够将测距系统的数据以无线通信的形式发送到相应无线通信设备中；
控制视觉单元和超声单元采集视觉信息和超声信息，信息处理单元采集视觉、超声信息和倾角数据，经过数据融合得出前方障碍物的距离和系统的倾角信息，然后将所产生的数据经过接口系统显示或者上传到其他设备上，本发明可以实现设备朝向的精确测距与障碍物的识别，最大限度提高测距的精度和成功避障的可靠性。
9.基于超声波与双目视觉的无人机避险探测装置的探测方法，其特征在于，包括下述步骤：
(1)装置启动前，电源管理系统检测锂电池的电池电压，若电压过低则发出装置失效预警；
(2)装置启动时，测距系统需要进行一次标定，信息处理单元采集测量视觉单元的视觉信息和超声单元的超声信息，根据超声信息对视觉单元所得到的前方障碍物的距离进行修正；
(3)基于(2)信息处理单元采集超声单元的超声信息、视觉单元的视觉信息和惯量单元的倾角数据；
(4)基于(2)信息处理单元根据采集的视觉信息计算出前方障碍物的最小距离，与采集到的超声信息进行数据融合，得到前方障碍物测的距离；
(5)基于(3)信息处理单元根据采集到的视觉信息，搜寻到障碍物，并计算出障碍物的距离信息；
(6)信息处理单元将处理后的数据上传到接口系统；
(7)基于(6)接口系统将采集到的数据在显示单元上显示前方障碍物的距离和系统的倾角信息；
(8)基于(6)接口系统将采集到的数据根据接入设备的不同通信方式，以相应的通信方式，将前方障碍物的距离和系统的倾角信息上传到接入设备，如果系统挂载在云台，可以将倾角信息上传到云台控制端，用于对云台的控制；
(9)基于(6)接口系统将采集到的数据根据接入无线通信设备的不同通信方式，以相应的通信方式，将前方障碍物的距离和系统的倾角信息上传到无线通信设备；
(10)当距离前方障碍物的距离低于设定值时，装置会发出危险警报。
10.根据权利要求9所述的基于超声波与双目视觉的无人机避险探测装置的探测方法，其特征在于，所述步骤(2)中，数据融合的方法为采用卡尔曼滤波方法。
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Application publication date: 20151209

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