CN105138002B - 基于激光与双目视觉的无人机避险探测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于激光与双目视觉的无人机避险探测系统及方法，该系统包括电源管理系统、测距系统、接口系统、避障信息处理单元，电源管理系统提供稳定的电源输出，测距系统通过航姿传感单元采集飞行的高度、姿态角、俯仰角等信息，通过视觉单元实时采集视觉信息，通过避障信息处理单元控制激光单元发射激光。接口系统用于外接设备、数据上传和数据存储。所述方法是：采集航姿传感单元和视觉单元的飞行高度、姿态角、俯仰角和图像信息，经过数据融合得出前方障碍物的距离和系统状态信息，然后将所产生的数据经过接口系统存储、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，最大限度提高测距的精度和避障的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及无人机研究领域，特别涉及一种基于激光与双目视觉的无人机避险探测系统及方法。
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和复杂性,需要不断对周围环境进行探测，避免与障碍物发生碰撞。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激光与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，提供一种基于激光与双目视觉的无人机避险探测系统及方法。
为了达到上述目的，本发明提供一种基于激光与双目视觉的无人机避险探测系统，该系统包括电源管理系统、测距系统、接口系统和避障信息处理单元；所述测距系统包括航姿传感单元、视觉单元和激光单元，所述航姿传感单元、视觉单元、激光单元均与避障信息处理单元连接；所述接口系统包括设备接口单元、数据存储单元和无线通讯单元；
所述航姿传感单元用于获取飞行坐标、高度、时间以及光轴稳定平台的方位角、俯仰角等信息；
所述视觉单元用于采集数字图像和处理视觉信息；
所述激光单元用于控制和发射激光；
所述避障信息处理单元用于处理已采集的数据和进行数据融合得出前方障碍物的距离和系统状态信息。
优选的，所述电源管理系统包括电源状态监测单元、输出管理单元、充电管理单元和锂电池；所述充电管理单元、锂电池和输出管理单元顺序连接，所述电源状态监测单元分别与电管理单元、锂电池和输出管理单元连接；
所述电源状态监测单元检测锂电池的电量、温度实时信息并反馈于输出管理单元和充电管理单元，并用于控制锂电池状态；
所述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，所述航姿传感单元包括测距传感器、GPS计和惯性导航装置；
所述测距传感器用于提供飞行高度信息；
所述GPS计用于提供飞行坐标和时间；
所述惯性导航装置用于提供姿态角、光轴稳定平台的方位角与俯仰角航姿信息。
优选的，所述视觉单元包含视觉感知单元、数字图像处理模块；
所述视觉感知单元包括两个参数相同的摄像头，视觉感知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数字图像处理模块；
所述数字图像处理模块用于获得视觉感知单元的图像数据，提取出图像的特征，并将处理结果传递到避障信息处理单元进一步处理判断；
所述激光单元用于在避障信息处理单元控制下发射激光。
优选的，所述激光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，所述设备接口单元能够外接多种设备，测距系统的数据能够经过设备接口单元传送至外接设备。
优选的，所述数据存储单元能够缓存临时处理数据、存储障碍物距离数据和飞行坐标，所述的数据存储单元的永久数据可以通过接口系统上传至外部设备。
优选的，所述无线通讯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。
本发明还提供一种基于激光与双目视觉的无人机避险探测方法，该方法包括下述步骤：
(1)装置启动前，电源状态监测单元检测锂电池的电压，若电压过低则发出装置失效预警，停止启动；
(2)初始化系统设置，初始化航姿传感单元、视觉单元和激光单元，读取GPS计状态信息和数据存储单元数据，获得当前位置坐标和时间；
(3)装置启动时，系统进行标定，避障信息处理单元采集测量视觉单元的视觉信息和激光单元的发射信息，根据数字图像处理模块后的信息对前方障碍物距离进行修正；
(4)基于(3)避障信息处理单元采集激光单元的激光发射信息、视觉单元的视觉信息、航姿传感单元的飞行高度、姿态角和俯仰角信息；
(5)基于(3)避障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，与采集到的激光发射信息进行数据融合，得到前方障碍物测的距离；
(6)基于(3)避障信息处理单元根据采集到的视觉信息，检测是否有障碍物，并计算出障碍物的距离信息；
(7)重复(4)(5)(6)步骤，多次采集，最大限度计算出障碍物的距离信息；
(8)避障信息处理单元将处理后的飞行坐标、飞行时间、姿态角和障碍物距离数据上传至接口系统；
(9)基于(8)接口系统将避障信息处理单元处理后的飞行坐标、飞行时间、姿态角和障碍物距离信息存储在数据存储单元；
(10)基于(8)接口系统将处理后的飞行坐标、飞行时间、姿态角、障碍物距离等数据根据接入设备的不同通信方式，以相应的通信方式，上传到接入设备用于显示，如果系统挂载在云台，可以将信息上传到云台控制端，用于对云台的控制；
(11)基于(8)接口系统将处理后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，将飞行坐标、飞行时间、姿态角、障碍物距离信息传到无线通信设备；
(12)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。
优选的，所述步骤(5)中，数据融合采用扩展卡尔曼滤波方法。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
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，本发明通过采集航姿传感单元和视觉单元的飞行高度、姿态角、俯仰角和图像信息，经过数据融合得出前方障碍物的距离和系统状态信息，然后将所产生的数据经过接口系统存储、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，最大限度提高测距的精度和避障的可靠性。
2、本发明方法可以通过无线通讯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是本发明系统的总体示意图；
图2是本发明系统的电源管理系统电路连接关系示意图；
图3是本发明系统的测距系统电路连接关系示意图；
图4是本发明系统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和复杂性,需要不断对周围环境进行探测和测距，避免与障碍物发生碰撞甚至坠毁。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激光与双目视觉的无人机避险探测系统及方法。
本实施例所述一种基于激光与双目视觉的无人机避险探测系统及方法，如图1所示，该系统包括避障信息处理单元1、航姿传感单元4、电源管理系统2、接口系统3、视觉单元7、视觉单元6,、激光单元5，其中整个系统安装在小型无人机身上。所述视觉单元7、视觉单元6、激光单元5、接口系统3、航姿传感单元4分别与避障信息处理单元1相连接，电源管理系统2与视觉单元7、视觉单元6、激光单元5、接口系统3、航姿传感单元4、避障信息处理单元1相连接。通过航姿传感单元采集飞行的高度、姿态角、俯仰角等信息，通过视觉单元实时采集视觉信息，通过避障信息处理单元控制激光单元发射激光。避障信息处理单元根据采集的数据经数据融合得出前方障碍物的距离信息，并将处理后的飞行坐标、飞行时间、姿态角、障碍物距离等数据上传到接口系统3，由接口系统3显示数据、存储数据或者发送到其他设备。
如图2所示，所述电源管理系统包括电源状态监测单元、输出管理单元、充电管理单元、锂电池。所述电源状态监测单元检测锂电池的电量、温度等实时信息并反馈于输出管理单元和充电管理单元用于控制锂电池状态；所述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。
如图3所示，所述的视觉单元包括视觉感知单元和数字图像处理模块，视觉感知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*768个像素点，帧速率为30帧/秒。所述的激光单元发射功率小于50mW。所述的惯性导航装置包括陀螺仪、加速度计等。
如图4所示，所述接口系统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。所述无线通讯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)、E05-MLE132AP2(集成微波发送模块、微波接收模块)。
一种基于激光与双目视觉的无人机避险探测方法，采集航姿传感单元和视觉单元的飞行高度、姿态角、俯仰角和图像信息，经过数据融合得出前方障碍物的距离和系统状态信息，然后将所产生的数据经过接口系统存储、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，最大限度提高测距的精度和避障的可靠性，具体包括以下步骤：
(1)装置启动前，电源状态监测单元检测锂电池的电压，若电压过低则发出装置失效预警(声、光、通信信令)，停止启动。
(2)初始化系统设置，初始化航姿传感单元、视觉单元、激光单元，读取GPS计状态信息和数据存储单元数据，获得当前位置坐标和时间。
(3)装置启动时，系统进行标定，避障信息处理单元采集测量视觉单元的视觉信息和激光单元的发射信息，根据数字图像处理模块后的信息对前方障碍物距离进行修正。
(4)基于(3)避障信息处理单元采集激光单元的激光发射信息、视觉单元的视觉信息、航姿传感单元的飞行高度、姿态角、俯仰角等信息。
(5)基于(3)避障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，与采集到的激光发射信息进行数据融合，得到前方障碍物测的距离。
(6)基于(3)避障信息处理单元根据采集到的视觉信息，检测是否有障碍物，并计算出障碍物的距离信息。
(7)重复(4)(5)(6)步骤，多次采集，最大限度计算出障碍物的距离信息。
(8)避障信息处理单元将处理后的飞行坐标、飞行时间、姿态角、障碍物距离等数据上传至接口系统。
(9)基于(8)接口系统将避障信息处理单元处理后的飞行坐标、飞行时间、姿态角、障碍物距离等信息存储在数据存储单元。
(10)基于(8)接口系统将处理后的飞行坐标、飞行时间、姿态角、障碍物距离等数据根据接入设备的不同通信方式，以相应的通信方式，上传到接入设备用于显示等，如果系统挂载在云台，可以将信息上传到云台控制端，用于对云台的控制。
(11)基于(8)接口系统将处理后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，将飞行坐标、飞行时间、姿态角、障碍物距离等信息传到无线通信设备。
(12)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)
1.一种基于激光与双目视觉的无人机避险探测方法，其特征在于，该方法应用于基于激光与双目视觉的无人机避险探测系统，该方法包括下述步骤：
(1)装置启动前，电源状态监测单元检测锂电池的电压，若电压过低则发出装置失效预警，停止启动；
(2)初始化系统设置，初始化航姿传感单元、视觉单元和激光单元，读取GPS计状态信息和数据存储单元数据，获得当前位置坐标和时间；
(3)装置启动时，系统进行标定，避障信息处理单元采集测量视觉单元的视觉信息和激光单元的发射信息，根据数字图像处理模块后的信息对前方障碍物距离进行修正；
(4)基于(3)避障信息处理单元采集激光单元的激光发射信息、视觉单元的视觉信息、航姿传感单元的飞行高度、姿态角和俯仰角信息；
(5)基于(3)避障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，与采集到的激光发射信息进行数据融合，得到前方障碍物测的距离；
(6)基于(3)避障信息处理单元根据采集到的视觉信息，检测是否有障碍物，并计算出障碍物的距离信息；
(7)重复(4)(5)(6)步骤，多次采集，最大限度计算出障碍物的距离信息；
(8)避障信息处理单元将处理后的飞行坐标、飞行时间、姿态角和障碍物距离数据上传至接口系统；
(9)基于(8)接口系统将避障信息处理单元处理后的飞行坐标、飞行时间、姿态角和障碍物距离信息存储在数据存储单元；
(10)基于(8)接口系统将处理后的飞行坐标、飞行时间、姿态角、障碍物距离等数据根据接入设备的不同通信方式，以相应的通信方式，上传到接入设备用于显示，如果系统挂载在云台，可以将信息上传到云台控制端，用于对云台的控制；
(11)基于(8)接口系统将处理后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，将飞行坐标、飞行时间、姿态角、障碍物距离信息传到无线通信设备；
(12)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。
2.根据权利要求1所述的基于激光与双目视觉的无人机避险探测方法，其特征在于，所述步骤(5)中，数据融合采用扩展卡尔曼滤波方法。
3.根据权利要求1所述的基于激光与双目视觉的无人机避险探测方法，其特征在于，该基于激光与双目视觉的无人机避险探测系统包括电源管理系统、测距系统、接口系统和避障信息处理单元；所述测距系统包括航姿传感单元、视觉单元和激光单元，所述航姿传感单元、视觉单元、激光单元均与避障信息处理单元连接；所述接口系统包括设备接口单元、数据存储单元和无线通讯单元；
所述航姿传感单元用于获取飞行坐标、高度、时间以及光轴稳定平台的方位角、俯仰角信息；
所述视觉单元用于采集数字图像和处理视觉信息；
所述激光单元用于控制和发射激光；
所述避障信息处理单元用于处理已采集的数据和进行数据融合得出前方障碍物的距离和系统状态信息。
4.根据权利要求3所述的基于激光与双目视觉的无人机避险探测方法，其特征在于，所述电源管理系统包括电源状态监测单元、输出管理单元、充电管理单元和锂电池；所述充电管理单元、锂电池和输出管理单元顺序连接，所述电源状态监测单元分别与充电管理单元、锂电池和输出管理单元连接；
所述电源状态监测单元检测锂电池的电量、温度实时信息并反馈于输出管理单元和充电管理单元，并用于控制锂电池状态；
所述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。
5.根据权利要求3所述的基于激光与双目视觉的无人机避险探测方法，其特征在于，所述航姿传感单元包括测距传感器、GPS计和惯性导航装置；
所述测距传感器用于提供飞行高度信息；
所述GPS计用于提供飞行坐标和时间；
所述惯性导航装置用于提供姿态角、光轴稳定平台的方位角与俯仰角航姿信息。
6.根据权利要求3所述的基于激光与双目视觉的无人机避险探测方法，其特征在于，所述视觉单元包含视觉感知单元、数字图像处理模块；
所述视觉感知单元包括两个参数相同的摄像头，视觉感知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数字图像处理模块；
所述数字图像处理模块用于获得视觉感知单元的图像数据，提取出图像的特征，并将处理结果传递到避障信息处理单元进一步处理判断；
所述激光单元用于在避障信息处理单元控制下发射激光。
7.根据权利要求6所述的基于激光与双目视觉的无人机避险探测方法，其特征在于，所述激光单元的发射轴线与视觉单元两个摄像头的轴线互相平行。
8.根据权利要求3所述的基于激光与双目视觉的无人机避险探测方法，其特征在于，所述设备接口单元能够外接多种设备，测距系统的数据能够经过设备接口单元传送至外接设备。
9.根据权利要求3所述的基于激光与双目视觉的无人机避险探测方法，其特征在于，所述数据存储单元能够缓存临时处理数据、存储障碍物距离数据和飞行坐标，所述的数据存储单元的永久数据可以通过接口系统上传至外部设备。
10.根据权利要求3所述的基于激光与双目视觉的无人机避险探测方法，其特征在于，所述无线通讯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。
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