CN105911560A - 无人机避障激光雷达装置及其避障方法 - Google Patents

无人机避障激光雷达装置及其避障方法 Download PDF

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Abstract

一种无人机避障激光雷达装置及其避障方法，该装置包括激光驱动电路，与激光驱动电路连接的激光器，固定于激光器发射端的第一汇聚镜头，固定于第一汇聚镜头汇聚光路上的第一反射装置，固定于第一反射装置反射光路上且与无人机电机的转轴底端固连的第二反射装置，固定于第二反射装置反射光路上的滤光装置，固定于滤光装置滤光光路上的第二汇聚镜头，固定于第二汇聚镜头汇聚光路上的激光探测器；与激光探测器连接的激光测距装置；还包括与激光驱动电路、激光测距装置和无人机电机中的霍尔传感器连接的系统处理器单元；本发明还公开了该装置的避障方法；实现了无人机360°探测，同时结构轻巧可以极大提高无人机在陌生复杂环境下的避障能力。

Description

无人机避障激光雷达装置及其避障方法
技术领域
本发明涉及航空科学技术领域，具体涉及一种无人机避障激光雷达装置及其避障方法。
背景技术
无人机避障能力是决定无人机能否与其他飞行器共享空域，同时在陌生以及不确定环境下无人机成功执行任务的关键因素。现有的无人机避障多采用超声波和TOF(飞行时间技术)技术，超声波避障依赖于物体表面的发射能力，当遭遇反射能力不足的物体时，避障系统的安全性就会极大降低；同时声波易受到影响。TOF(飞行时间技术)易受到高楼之间的玻璃光干扰系统，就是遭遇太阳光的主要能量波段，使TOF暴漏不足，明显缺点就是测量距离变短。
现有的无人机实现360°探测的传统方案是在无人机上增加电机，这样虽然实现了360°探测但是由于负载变大从而严重影响无人机综合性能和续航等能力。
目前，国内外研究者们提出了许多无人机避障解决方案，但是都无法实现高精度的自主避障。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种无人机避障激光雷达装置及其避障方法，本发明实现了无人机360°探测，同时结构轻巧可以极大提高无人机在陌生复杂环境下的避障能力。
为了达到以上目的，本发明采用如下技术方案：
一种无人机避障激光雷达装置，包括激光驱动电路1，与激光驱动电路1连接的激光器2，固定于激光器2发射端的第一汇聚镜头3，固定于第一汇聚镜头3汇聚光路上的第一反射装置4，固定于第一反射装置4反射光路上且与无人机电机11的转轴12底端固连的第二反射装置5，固定于第二反射装置5竖直方向反射光路上的滤光装置7，固定于滤光装置7滤光光路上的第二汇聚镜头8，固定于第二汇聚镜头8汇聚光路上的激光探测器9；与激光探测器9连接的激光测距装置10；还包括与所述激光驱动电路1、激光测距装置10和无人机电机11中的霍尔传感器连接的系统处理器单元14。
所述第一反射装置4与水平方向成135度夹角。
所述第二反射装置5，固定于无人机电机11的转轴12底端与无人机电机11同时转动，所述的第二反射装置5与水平方向成45度夹角。
所述滤光装置7，起到过滤杂色，消除偏光的作用。
所述激光探测器9接收第二汇聚镜头8汇聚的激光，以便激光测距装置10后续计算处理。
所述激光驱动电路1、激光器2、第一汇聚镜头3、第一反射装置4、第二反射装置5、滤光装置7、第二汇聚镜头8、激光探测器9和激光测距装置10包装在激光雷达外壳13内部。
上述所述无人机避障激光雷达装置的避障方法，包括如下步骤：
步骤一，激光驱动电路1驱动激光器2发射激光穿过第一汇聚头3，达到准直激光的作用，照射到第一反射装置4后再次反射照射第二反射装置5；
步骤二，无人机电机11转动时带动固定于其转轴12上第二反射装置5同时转动，从而将垂直入射到第二反射装置5的竖直方向激光变为360°发射的水平激光，对该水平面进行探测扫描；
步骤三，障碍物6位于第二反射装置5的反射光路时，会反射激光，激光反射回来经过第二反射装置5和第一反射装置4的反射，变成竖直方向的激光，其中一部分激光被第一反射装置4遮挡损失掉，另一部分激光则直接照射到滤光装置7，滤光后照射到第二汇聚镜头8，经第二汇聚镜头8汇聚作用后，激光探测器9接收汇聚后的激光，以便激光测距装置10进行后续处理；
步骤四，当激光探测器9接收到反射回来的激光后，激光测距装置10通过测量发射激光脉冲时间t1和接收激光脉冲时间t2之间的时间差或测量激光器驱动脉冲和接收激光脉冲之间的时间差计算障碍物距离无人机的距离s；系统处理器单元14通过无人机电机11带有的霍尔传感器输出的脉冲m配合系统处理器单元14的时钟脉冲f计算出无人机电机11任意时刻的转角θ，同时再读取激光测距装置10计算的障碍物与无人机的距离s，实现对无人机周围360°障碍物的扫描探测，为无人机提供避障处理。
与现有技术相比，本发明有以下优点：
第一，本发明简化了避障系统结构，把避障系统中的反射装置固连在电机转轴上，电机转动时带动反射装置转动，不用增加多余的电机设备即可实现360°扫描探测。
第二，本发明利用激光分辨率高、抗干扰能力强的特点，电机旋转时带动避障系统中的反射装置不停转动，而不是雷达自身360°探测扫描；在测量电机转角的方法上本发明利用电机中带有的霍尔传感器输出的脉冲配合系统时钟脉冲来计算电机转角。
第三，简化了避障系统结构，本装置的安装位置根据螺旋桨的位置可以选择不同的安装方式，满足不同类型的无人机的需求；在多轴无人机的每个轴上均可安装本发明装置，也可根据实际情况酌情考虑安装个数，同时每个与电机转轴固连的反射装置的安装高度不同，则可以实现对多个平面的探测，获得立体场景信息。
附图说明
图1为本发明基于激光雷达的无人机避障装置结构图。
图2为本发明装置安装在无人机上的示意图。
图3为本发明装置中霍尔传感器输出的脉冲和时钟脉冲配合测量电机转角示意图。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
如图1所示，一种无人机避障激光雷达装置，包括激光驱动电路1，与激光驱动电路1连接的激光器2，固定于激光器2发射端的第一汇聚镜头3，固定于第一汇聚镜头3汇聚光路的第一反射装置4，固定于第一反射装置4反射光路上且与无人机电机11的转轴12底端固连的第二反射装置5，位于第二反射装置5水平方向反射光路上的障碍物6，固定于第二反射装置5竖直方向反射光路上的滤光装置7，固定于滤光装置7滤光光路上的第二汇聚镜头8，固定于第二汇聚镜头8汇聚光路上的激光探测器9；与激光探测器连接的激光测距装置10；还包括与所述装置编码器13、激光驱动电路1和激光测距装置10连接的系统处理器单元14。
所述第一反射装置4，反射第一汇聚镜头3汇聚后的激光，作为优选方案，所述的第一反射装置4与水平方向成135度夹角时可以达到最佳反射效果。
所述第二反射装置5，固定于无人机电机11的转轴12底端与无人机电机11同时转动，作为优选方案，所述的第二反射装置5与水平方向成45度夹角时可以达到最佳反射效果。
作为优选方案，激光雷达外壳13把激光驱动电路1、激光器2、第一汇聚镜头3、第一反射装置4、第二反射装置5、滤光装置7、第二汇聚镜头8、激光探测器9和激光测距装置10包装起来形成如图2所示的激光雷达装置16，使本装置可安装调整位置不受限定。
如图2所示，为本发明装置应用于无人机上的示意图，无人机电机11带动螺旋桨18转动为无人机提供飞行动力，其中无人机电机11的转轴12，一端与螺旋桨18相固连，一端与第二反射装置5相固连，且第二反射装置5的中心点处与电机转轴中心线的夹角为a(最为最优方案，a＝45°时达到最佳效果)，无人机电机11和螺旋桨18的位置可以在机架17上面也可以安装在机架17下面，激光雷达装置16的安装个数也可由实际情况而定，利用多个激光雷达装置16可以实现对不同平面360°探测。
如图3所示，为本发明中霍尔传感器输出的脉冲和时钟脉冲配合测量电机转角示意图，无人机电机1内部带有y个霍尔元器件，无人机电机1匀速转动时，每转动角度β°，霍尔传感器输出一个脉冲m，即无人机电机1转动一周霍尔传感器输出y个脉冲m。假定时钟频率为f，系统处理器单元14检测到霍尔传感器输出脉冲m时，启动计数器开始计数直到霍尔传感器输出下个脉冲m为止(两个脉冲之间电机1转动β°)，读取系统计数器计数N，计算电机1在x时间段内的转角θ＝x*(β°/N)。然后计数器清零重新开始计数。
本发明激光驱动电路8驱动激光器9产生一个激光脉冲。激光穿过第一汇聚镜头3，第一汇聚镜头3达到准直激光的作用，经准直后的激光照射到第一反射装置4处反射到第二反射装置5。第二发射装置5固连于转轴12底端，无人机电机11转动时带动第二反射装置不停旋转，从而将垂直入射的激光反射变为360°发射的水平激光，对该水平面进行探测扫描。障碍物6位于第二反射装置5的反射光路上，会反射激光，激光反射回来经第二反射装置5反射，变成竖直方向的激光。被反射回来的激光一部分在第一反射装置4处被遮挡损失掉，另一部分激光则直接穿过滤光装置7，过滤后的激光照射到第二汇聚镜头8，经第二汇聚镜头8汇聚作用后，激光探测器9接收汇聚后的激光，以便激光测距装置10进行后续处理。当激光探测器9接收到返回来的激光后，激光测距装置10通过测量发射激光脉冲时间t1和接收激光脉冲时间t2之间的时间差或测量激光器驱动脉冲和接收激光脉冲之间的时间差计算障碍物距离无人机的距离s，计算公式如下：s＝(t2-t1)*v(v为激光的速度)；系统处理器单元14通过无人机电机11带有的霍尔传感器配合时钟计算无人机电机11转角θ，获得该转角位置，同时再读取激光测距装置10计算的障碍物相距无人机的距离s，则实现了对无人机周围360°障碍物的扫描探测，为无人机提供避障处理。

Claims (7)

1.一种无人机避障激光雷达装置，其特征在于：包括激光驱动电路(1)，与激光驱动电路(1)连接的激光器(2)，固定于激光器(2)发射端的第一汇聚镜头(3)，固定于第一汇聚镜头(3)汇聚光路上的第一反射装置(4)，固定于第一反射装置(4)反射光路上且与无人机电机(11)的转轴(12)底端固连的第二反射装置(5)，固定于第二反射装置(5)竖直方向反射光路上的滤光装置(7)，固定于滤光装置(7)滤光光路上的第二汇聚镜头(8)，固定于第二汇聚镜头(8)汇聚光路上的激光探测器(9)；与激光探测器(9)连接的激光测距装置(10)；还包括与所述激光驱动电路(1)、激光测距装置(10)和无人机电机(11)中的霍尔传感器连接的系统处理器单元(14)。
2.根据权利要求1所述的一种无人机避障激光雷达装置，其特征在于：所述第一反射装置(4)与水平方向成135度夹角。
3.根据权利要求1所述的一种无人机避障激光雷达装置，其特征在于：所述第二反射装置(5)固定于无人机电机(11)的转轴12底端与无人机电机(11)同时转动，所述的第二反射装置(5)与水平方向成45度夹角。
4.根据权利要求1所述的一种无人机避障激光雷达装置，其特征在于：所述滤光装置(7)，起到过滤杂色，消除偏光的作用。
5.根据权利要求1所述的一种无人机避障激光雷达装置，其特征在于：所述激光探测器(9)接收第二汇聚镜头(8)汇聚的激光，以便激光测距装置(10)后续计算处理。
6.根据权利要求1所述的一种无人机避障激光雷达装置，其特征在于：所述激光驱动电路(1)、激光器(2)、第一汇聚镜头(3)、第一反射装置(4)、第二反射装置(5)、滤光装置(7)、第二汇聚镜头(8)、激光探测器(9)和激光测距装置(10)包装在激光雷达外壳(13)内部。
7.权利要求1所述无人机避障激光雷达装置的避障方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一，激光驱动电路(1)驱动激光器(2)发射激光穿过第一汇聚头(3)，达到准直激光的作用，照射到第一反射装置(4)后再次反射照射第二反射装置(5)；
步骤二，无人机电机(11)转动时带动固定于其转轴(12)上第二反射装置(5)同时转动，从而将垂直入射到第二反射装置(5)的竖直方向激光变为360°发射的水平激光，对该水平面进行探测扫描；
步骤三，障碍物(6)位于第二反射装置(5)的反射光路时，会反射激光，激光反射回来经过第二反射装置(5)和第一反射装置(4)的反射，变成竖直方向的激光，其中一部分激光被第一反射装置(4)遮挡损失掉，另一部分激光则直接照射到滤光装置(7)，滤光后照射到第二汇聚镜头(8)，经第二汇聚镜头(8)汇聚作用后，激光探测器(9)接收汇聚后的激光，以便激光测距装置(10)进行后续处理；
步骤四，当激光探测器(9)接收到反射回来的激光后，激光测距装置(10)通过测量发射激光脉冲时间t1和接收激光脉冲时间t2之间的时间差或测量激光器驱动脉冲和接收激光脉冲之间的时间差计算障碍物距离无人机的距离s；系统处理器单元(14)通过无人机电机(11)带有的霍尔传感器输出的脉冲m配合系统处理器单元(14)的时钟脉冲f计算出无人机电机(11)任意时刻的转角θ，同时再读取激光测距装置(10)计算的障碍物与无人机的距离s，实现对无人机周围360°障碍物的扫描探测，为无人机提供避障处理。
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RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20160831

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