CN105425809A - 一种无人机避障方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于激光网格阵列的多轴无人机避障方法与系统。系统包括：信息采集模块，信息处理模块及避障执行模块；方法包括：激光测距阵列布置方法和障碍物方位识别方法。其主要特征是由感光元件及多个激光发射头按特定规则布置的激光测距阵列组成的信息采集模块，通过调整其激光发射头直线光斑偏转角度使其形成特定形状的包络线及包络线内的激光网格而构成前方饼状三维测量区域。本发明通过特殊布置的激光测距阵列判断有无障碍物及障碍物的大小和方位，结合无人机姿态精确报警并重新规划路径，实现三维环境下障碍物的有效地侦测与避开。本发明具有结构简单、测量准确、轻量化等特点，提供了一种实用性强，工作可靠的避障方法与系统。
Description
技术领域
本发明涉及航空科学技术领域，尤其涉及一种无人机避障方法及系统。
背景技术
近年来，多轴无人机发展迅猛。无人机在飞行过程中，其飞行环境信息很难完全预知，经常会遇到突发威胁或障碍，此时，预先规划的全局航迹路径已无法满足要求。为达到预期的目的，需要有实时侦测并避开障碍物的功能，对路径及其周边环境及威胁进行分析评估，规划一条合理的航迹路径，然后让无人机按此重新规划的航迹路径飞行以避开前方障碍，继续完成任务。
目前，国内外研究者们陆续提出了许多无人机实时避障解决方案，然而避障解决方案都是基于二维平面的无人机避障技术，无法实现高精度的自主避障。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种无人机避障方法及系统，能够实现无人机的高精度自主避障。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种无人机避障方法，所述方法包括：
采用激光测距阵列在所述无人机的前进方向上进行立体场景信息采集；
根据采集到的立体场景信息，对所述无人机的前方进行障碍点侦测，确定避障路径；
按照所述避障路径进行飞行。
所述激光测距阵列由多个激光发射头和一个感光元件产生。
可选的，所述感光元件位于正中，多个激光发射头交错布置于所述感光元件四周；
所述方法还包括：
所述激光发射头装有柱形透镜，所述柱形透镜使得所述激光发射头产生直线光斑；每个激光发射头的安装位置和角度使其直线光斑在前方竖直平面上投影形成预设形状的包络线区域，并在所述包络线区域内形成激光网格。
可选的，所述激光测距阵列在所述无人机的前进方向上进行立体场景信息采集，包括：
根据所述无人机的飞行状态，按照确定安全停止距离；其中，l为安全停止距离，v为所述无人机的最大飞行速度，a为所述无人机减速时旋翼推力提供的加速度；
根据所述无人机的外型规格和安全停止距离，按照R＝l+r确定安全飞行半径；其中，R为安全飞行半径，r为所述无人机旋翼外接圆半径；
根据所述安全飞行半径，构建障碍侦测范围，在前进方向水平面上形成一长方形障碍侦测区域，按与无人机机体距离由近及远分为急停区、减速区、警示区及安全区；
激光发射头射出的直线光斑在前方竖直平面投影，形成预设形状的包络线区域，包络线区域内形成激光网格，根据所述包络线区域，构成具有预设厚度和角度的饼状三维监察区域，并在所述竖直平面建立直角坐标系XOY；
激光发射头按照预定顺序及时间间隔，对三维监察区域进行扫描，收集三维监察区域内障碍物信息。
可选的，所述根据采集到的立体场景信息，对所述无人机的前方进行障碍点侦测，确定避障路径，包括：
根据采集到的三维监察区域内障碍物信息，计算障碍物所在区域，确定障碍物的大小、方向及位置；
根据所述无人机的运动状态以及障碍物所在区域与无人机的几何关系，判断应对措施，确定避障路径。
一种无人机避障系统，所述系统包括：信息采集模块、信息处理模块以及避障执行模块；其中，
所述信息采集模块，用于采用激光测距阵列在所述无人机的前进方向上进行立体场景信息采集；
所述信息处理模块，用于根据采集到的立体场景信息，对所述无人机的前方进行障碍点侦测，确定避障路径；
所述避障执行模块，用于按照所述避障路径进行飞行。
可选的，所述信息采集模块，包括多个激光发射头和一个感光元件，用于产生激光测距阵列。
可选的，所述感光元件位于正中，多个激光发射头交错布置于所述感光元件四周；
所述激光发射头全部装有同型号的柱形透镜，所述柱形透镜使得所述激光发射头产生扇面角度一致的直线光斑；通过调整每个激光发射头的安装位置和角度使其直线光斑在前方竖直平面上投影形成预设形状的包络线区域，并在所述包络线区域内形成激光网格。
可选的，所述信息采集模块，具体用于根据所述无人机的飞行状态，按照确定安全停止距离；其中，l为安全停止距离，v为所述无人机的最大飞行速度，a为所述无人机减速时旋翼推力提供的加速度；根据所述无人机的外型规格和安全飞行距离，按照R＝l+r确定安全飞行半径；其中，R为安全飞行半径，r为所述无人机旋翼外接圆半径；
根据所述安全飞行半径，构建障碍侦测范围，在前进方向水平面上形成一长方形障碍侦测区域，按与无人机机体距离由近及远分为急停区、减速区、警示区及安全区；激光发射头发出的直线光斑在前方竖直平面投影，形成预设形状的包络线区域，包络线区域内形成激光网格，根据所述包络线区域，构成具有预设厚度和角度的饼状三维监察区域，并在所述竖直平面建立直角坐标系XOY；按照预定顺序及时间间隔，对三维监察区域进行扫描，收集三维监察区域内障碍物信息。
可选的，所述信息处理模块，具体用于根据采集到的三维监察区域内障碍物信息，计算障碍物所在区域，确定障碍物的大小、方向及位置；根据所述无人机的运动状态以及障碍物所在区域与无人机的几何关系，判断应对措施，确定避障路径。
本发明提供的无人机避障方法及系统，在满足无人机机载设备轻量化的要求下，针对多轴无人机的飞行特点，基于激光测距阵列进行障碍物探测，能够在三维环境中沿飞行方向有效地为多轴无人机实现实时地侦测并避开障碍物，实现高精度的自主避障。
附图说明
图1为本发明实施例提供的无人机避障方法的实现流程图；
图2为本发明实施例提供的无人机避障方法具体实施例的实现流程图；
图3为本发明实施例提供的无人机避障方法中包络线区域示意图；
图4为本发明实施例提供的无人机避障方法中三维监察区域的示意图；
图5为本发明实施例提供的无人机避障系统的结构示意图；
图6为本发明实施例提供的信息收集模块的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下举实施例并参照附图，对本发明进一步详细说明。
图1示出了本发明实施例提供的无人机避障方法，如图1所示，所述方法包括下述步骤：
步骤101，采用激光测距阵列在所述无人机的前进方向上进行立体场景信息采集；
这里，所述激光测距阵列由多个激光发射头和一个感光元件产生，所述感光元件位于正中，多个激光发射头交错布置于所述感光元件四周；
相应地，该方法还包括：所述激光发射头装有柱形透镜，使其产生扇面角度一致的直线光斑；所述直线光斑的的角度根据所述无人机实际飞行环境以及障碍物特征进行调整以使所有直线光斑在前方竖直平面上投影形成预设形状的包络线区域并在包络线区域内形成激光网格，具体可参考图3，如图3所示，在所述竖直平面建立之交坐标系XOY；对每束直线光斑进行编号：A-K、1-11，A-K中任何一个可与1-11中任何一个相交，反之亦然，其交点可用两位字符表示，如B2；所述激光网格，在包络线内越靠近中心的区域，激光网格密度越大，以保证在无人机前进方向上的正前方保持有较高的障碍物识别精度。
具体地，根据所述无人机的飞行状态，按照确定安全停止距离；其中，l为安全停止距离，v为所述无人机的最大飞行速度，a为所述无人机减速时旋翼推力提供的加速度；
根据所述无人机的外型规格和安全飞行距离，按照R＝l+r确定安全飞行半径；其中，R为安全飞行半径，r为所述无人机旋翼外接圆半径；
根据所述安全飞行半径，构建障碍侦测范围，在前进方向水平面上形成一长方形障碍侦测区域，按与无人机机体距离由近及远分为急停区、减速区、警示区及安全区，具体可参考图4；
激光发射头发出的直线光斑在前方竖直平面投影，形成预设形状的包络线区域，包络线区域内形成激光网格，根据所述包络线区域，构成具有预设厚度和角度的饼状三维监察区域，具体可参考图4，该三维监察区域以无人机飞行方向所在的水平面为界，其在水平面以下部分较水平面以上部分窄，以减少地面干扰，以使无人机能够容忍一定的俯仰角，并保持较远的障碍监察距离；
激光发射头按照预定顺序及时间间隔，对三维监察区域进行扫描，收集三维监察区域内障碍物信息。如图4所示，对于障碍物Z，激光发射头能够接收到编号为C、D、E、3、4、5的光线的反馈信息；
步骤102，根据采集到的立体场景信息，对所述无人机的前方进行障碍点侦测，确定避障路径；
具体地，根据采集到的三维监察区域内障碍物信息，计算障碍物所在区域，确定障碍物的大小、方向及位置；根据所述无人机的运动状态以及障碍物所在区域与无人机的几何关系，判断应对措施，确定避障路径。例如，如图4所示，对于障碍物Z，采集到的三维监察区域内障碍物信息包括编号为C、D、E、3、4、5的光线的反馈信息；则根据该些障碍物信息，确定由激光束B、F、2、6形成的四边形B6B2F2F6内部即为障碍物所在区域。
步骤103，按照所述避障路径进行飞行。
具体地，所述无人机按照所述避障路径，完成减速、急停或绕行等动作。
图2示出了本发明实施例提供的无人机避障方法具体实施例的实现流程图，如图2所示，所述实施例为无人机应用本发明避障方法的完成飞行过程，包括下述步骤：
步骤201，无人机规划初试路径；
步骤202，按照当前路径进行飞行；
步骤203，判断是否到达终点，若是，则当前流程结束，否则，执行步骤204；
步骤204，判断是否探测到障碍，若是，执行步骤205，否则执行步骤202；
步骤205，识别障碍物的方位；
步骤206，判断该障碍物是否影响当前飞行，若影响，执行步骤207，否则执行步骤202,；
步骤207，构建前方立体场景模型，构建方式具体可参照上文描述；
步骤208，重新规划路径，执行步骤202。
图5示出了本发明实施例提供的无人机避障系统的结构示意图，所述系统包括：信息采集模块1、信息处理模块2以及避障执行模块3；其中，
所述信息采集模块1，用于采用激光测距阵列在所述无人机的前进方向上进行立体场景信息采集；
所述信息处理模块2，用于根据采集到的立体场景信息，对所述无人机的前方进行障碍点侦测，确定避障路径；
所述避障执行模块3，用于按照所述避障路径进行飞行。
可选地，所述信息采集模块1，可以包括多个激光发射头和一个感光元件，用于产生激光测距阵列。
这里，如图6所示，所述感光元件5位于正中，多个激光发射头4交错布置于所述感光元件5的四周；
所述激光发射头5装有柱形透镜，使其产生扇面角度一致的直线光斑；所述直线光斑的角度根据所述无人机实际飞行环境以及障碍物特征进行调整以使所有直线光斑在前方竖直平面上投影形成预设形状的包络线区域并在包络线区域内形成激光网格。
可选地，所述信息采集模块1，具体用于根据所述无人机的飞行状态，按照确定安全停止距离；其中，l为安全停止距离，v为所述无人机的最大飞行速度，a为所述无人机减速时旋翼推力提供的加速度；根据所述无人机的外型规格和安全飞行距离，按照R＝l+r确定安全飞行半径；其中，R为安全飞行半径，r为所述无人机旋翼外接圆半径；根据所述安全飞行半径，构建障碍侦测范围，在前进方向水平面上形成一长方形障碍侦测区域，按与无人机机体距离由近及远分为急停区、减速区、警示区及安全区，具体可参阅图4；激光发射头的偏振片射出的偏振光线在前方竖直平面投影，形成预设形状的包络线区域，包络线区域内形成激光网格，根据所述包络线区域，构成具有预设厚度和角度的饼状三维监察区域，并在所述竖直平面建立直角坐标系XOY；按照预定顺序预定频率，对三维监察区域进行扫描，收集三维监察区域内障碍物信息。
可选地，所述信息处理模块2，具体用于根据采集到的三维监察区域内障碍物信息，计算障碍物所在区域，确定障碍物的大小、方向及位置；根据所述无人机的运动状态以及障碍物所在区域与无人机的几何关系，判断应对措施，确定避障路径。
本发明实施例提供的一种无人机避障系统，需与无人机的其他功能模块协同作业，如图5所示，该其他功能模块可以包括无人机航向与位置识别模块、无人机飞行控制系统、无人机通信模块、无人机地面调度与控制系统、无人机飞行姿态调整、无人机飞行任务执行等模块。
优选的，所述的无人机可以为多轴旋翼式无人机。
该系统的各功能模块可用于上述方法实施例的流程，各模块工作过程与上述方法实施例类似，在此不再赘述。
本发明实施例提供的无人机避障方法及系统，在满足无人机机载设备轻量化的要求下，针对多轴无人机的飞行特点，基于激光测距阵列进行障碍物探测，能够在三维环境中沿飞行方向有效地为多轴无人机实现实时地侦测并避开障碍物，实现高精度的自主避障。
本领域普通技术人员可以理解：实现上述各方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成。前述的程序可以存储于计算机可读取存储介质中。该程序在执行时，执行包括上述各方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种无人机避障方法，其特征在于，所述方法包括：
采用激光测距阵列在所述无人机的前进方向上进行立体场景信息采集；
根据采集到的立体场景信息，对所述无人机的前方进行障碍点侦测，确定避障路径；
按照所述避障路径进行飞行。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述激光测距阵列由多个激光发射头和一个感光元件产生。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述感光元件位于正中，多个激光发射头布置于所述感光元件四周；
所述方法还包括：
所述激光发射头装有柱形透镜，所述柱形透镜使得所述激光发射头产生直线光斑；每个激光发射头的安装位置和角度使其直线光斑在前方竖直平面上投影形成预设形状的包络线区域，并在所述包络线区域内形成激光网格。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述激光测距阵列在所述无人机的前进方向上进行立体场景信息采集，包括：
根据所述无人机的飞行状态，按照确定安全停止距离；其中，l为安全飞行距离，v为所述无人机的最大飞行速度，a为所述无人机减速时旋翼推力提供的加速度；
根据所述无人机的外型规格和安全飞行距离，按照R＝l+r确定安全飞行半径；其中，R为安全飞行半径，r为所述无人机旋翼外接圆半径；
根据所述安全飞行半径，构建障碍侦测范围，在前进方向水平面上形成一长方形障碍侦测区域，按与无人机机体距离由近及远分为急停区、减速区、警示区及安全区；
激光发射头射出的直线光斑在前方竖直平面投影，形成预设形状的包络线区域，包络线区域内形成激光网格，根据所述包络线区域，构成具有预设厚度和角度的饼状三维监察区域，并在所述竖直平面建立直角坐标系XOY；
激光发射头按照预定顺序及时间间隔，对三维监察区域进行扫描，收集三维监察区域内障碍物信息。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据采集到的立体场景信息，对所述无人机的前方进行障碍点侦测，确定避障路径，包括：
根据采集到的三维监察区域内障碍物信息，计算障碍物所在区域，确定障碍物的大小、方向及位置；
根据所述无人机的运动状态以及障碍物所在区域与无人机的几何关系，判断应对措施，确定避障路径。
6.一种无人机避障系统，其特征在于，所述系统包括：信息采集模块、信息处理模块以及避障执行模块；其中，
所述信息采集模块，用于采用激光测距阵列在所述无人机的前进方向上进行立体场景信息采集；
所述信息处理模块，用于根据采集到的立体场景信息，对所述无人机的前方进行障碍点侦测，确定避障路径；
所述避障执行模块，用于按照所述避障路径进行飞行。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述信息采集模块，包括多个激光发射头和一个感光元件，用于产生激光测距阵列。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述感光元件位于正中，多个激光发射头交错布置于所述感光元件四周；
所述激光发射头全部装有同型号的柱形透镜，所述柱形透镜使得所述激光发射头产生扇面角度一致的直线光斑；通过调整每个激光发射头的安装角度使其直线光斑在前方竖直平面上投影形成预设形状的包络线区域，并在所述包络线区域内形成激光网格。
9.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述信息采集模块，具体用于根据所述无人机的飞行状态，按照确定安全停止距离；其中，l为无人机由飞行到安全停止的理论飞行距离，v为所述无人机的最大飞行速度，a为所述无人机减速时旋翼推力提供的加速度；根据所述无人机的外型规格和安全飞行距离，按照R＝l+r确定安全飞行半径；其中，R为安全飞行半径，r为所述无人机旋翼外接圆半径；
根据所述安全飞行半径R，构建障碍侦测范围，在前进方向水平面上形成一长方形障碍侦测区域，按与无人机机体距离由近及远分为急停区、减速区、警示区及安全区；激光发射头发出的直线光斑在前方竖直平面投影，形成预设形状的包络线区域，包络线区域内形成激光网格，根据所述包络线区域，构成具有预设厚度和角度的饼状三维监察区域，并在所述竖直平面建立直角坐标系XOY；按照预定顺序及时间间隔，对三维监察区域进行扫描，收集三维监察区域内障碍物信息。
10.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述信息处理模块，具体用于根据采集到的三维监察区域内障碍物信息，计算障碍物所在区域，确定障碍物的大小、方向及位置；根据所述无人机的运动状态以及障碍物所在区域与无人机的几何关系，判断应对措施，确定避障路径。
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