CN106598066A - 一种电力巡线四旋翼无人机自主避障系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电力巡线四旋翼无人机自主避障系统，包括飞行控制模块、自主避障模块、超声波测距模块和GPRS通信模块；本发明将超声波测距模块分别布置于无人机的前后左右上下六个方向，用来检测无人机各个方向是否有障碍物以及与障碍物之间的距离，利用自主避障模块根据超声波检测到的障碍物信息，自主避开障碍物，对四旋翼无人机的飞行方向进行改变，并通过GPRS通信模块将更新后的无人机位置发送给上位机，重新规划无人机路径。由此，本发明能够实现四旋翼无人机三维自主避障，同时结构简单，轻便，具有较大的实用价值。

Description

一种电力巡线四旋翼无人机自主避障系统

技术领域

本发明属于无人机技术领域，具体涉及一种电力巡线四旋翼无人机自主避障系统。

背景技术

近年来四旋翼无人的应用场景越来越广泛，如何实现无人机的自主避障也是研究的热点。自主避障技术对于无人机的路径规划和保障飞行安全都起着至关重要的作用。四旋翼无人机在不断完善的自动避障系统可以极大的减少因操作失误而带来的各种损失。目前国内外针对电力巡线的无人机避障研究较少，且大多停留在理论和室内实验阶段，电力巡线依旧主要依靠人力，成本较高。

超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，如物位测量仪等都可以通过超声波来实现。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求。

发明内容

鉴于上述，本发明提供了一种电力巡线四旋翼无人机自主避障系统，能够实现四旋翼无人机三维自主避障，同时结构简单，轻便，具有较大的实用价值。

一种电力巡线四旋翼无人机自主避障系统，包括：

用于控制四旋翼无人机飞行状态的飞行控制模块；

超声波测距模块，用于检测无人机周围是否存在障碍物以及与障碍物之间的距离；

GPRS通信模块，用于接收地面上位机发送的导航信息，同时将飞行控制模块提供的飞行状态信息发送给上位机；

自主避障模块，根据超声波测距模块检测到的障碍物信息通过分析向飞行控制模块发出避障飞行指令，同时对所述导航信息进行解析及预处理后发送给飞行控制模块；

所述的飞行控制模块基于导航信息控制无人机的飞行状态并根据避障飞行指令驱动无人机做出避障动作，同时将飞行状态信息通过自主避障模块转发给GPRS通信模块。

所述的超声波测距模块和GPRS通信模块通过扩展接口与自主避障模块连接。

所述的自主避障模块还用于对超声波测距模块和GPRS通信模块的工作参数进行设定以驱动协调两者的工作。

所述的超声波测距模块由布置于无人机对应上下前后左右表面上的六个超声波测距单元组成。

所述的自主避障模块通过串口将避障飞行指令以及解析预处理后的导航信息发送给飞行控制模块。

所述的自主避障模块内加载有以下避障分析策略：

实时判断无人机正前方一定距离范围内是否存在障碍物：若否，则向飞行控制模块发出前进飞行指令使无人机按预定路径自主飞行；若是，则进一步判断无人机左方一定距离范围内是否存在障碍物：

若否，则向飞行控制模块发出左转飞行指令；若是，则进一步判断无人机右方一定距离范围内是否存在障碍物：

若否，则向飞行控制模块发出右转飞行指令；若是，则进一步判断无人机上方一定距离范围内是否存在障碍物：

若否，则向飞行控制模块发出上升飞行指令；若是，则进一步判断无人机下方一定距离范围内是否存在障碍物：

若否，则向飞行控制模块发出下降飞行指令；若是，则进一步判断无人机后方一定距离范围内是否存在障碍物：

若否，则向飞行控制模块发出后退飞行指令；若是，则向飞行控制模块发出悬停飞行指令。

本发明自主避障系统将超声波测距模块分别布置于无人机的前后左右上下六个方向，用来检测无人机各个方向是否有障碍物以及与障碍物之间的距离，利用自主避障模块根据超声波检测到的障碍物信息，自主避开障碍物，对四旋翼无人机的飞行方向进行改变，并通过GPRS通信模块将更新后的无人机位置发送给上位机，重新规划无人机路径。由此，本发明能够实现四旋翼无人机三维自主避障，同时结构简单，轻便，具有较大的实用价值。

附图说明

图1为本发明四旋翼无人机自主避障系统的结构示意图。

图2为本发明系统自主避障算法的流程示意图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示，本发明电力巡线四旋翼无人机自主避障系统包括：飞行控制模块、自主避障模块、超声波测距模块和GPRS通信模块；其中：

飞行控制模块实时各传感器测量的飞行状态数据，接收地面终端和自主避障模块传来的控制命令及数据，经计算处理，输出控制指令给执行机构，实现对无人机中各种飞行模态的控制和对任务设备的管理与控制；同时将无人机的状态数据及发动机、机载电源系统、任务设备的工作状态参数实时传送给GPRS通信模块，经GPRS无线电下行信道发送回地面测控站。

自主避障模块由一块MSP430F2618作为控制器，通过I/O口与六个超声波测距模块相连，通过嵌入式编程采用轮询的方式采集六个超声波测距的结果。根据测距结果判断是否有障碍物以及障碍物的位置和距离，从而向飞行控制模块发送相应的远离障碍物的飞行指令。飞行控制模块通过串口将实时的飞行状态信息发送给自主避障模块，自主避障模块通过GPRS通信模块将这些信息发送给地面的上位机。上位机接受到飞行器的信息后进行实时的路径规划，通过GPRS通信模块回传给MSP430F2618，MSP430通过串口将路径规划信息发送给飞行控制模块。

超声波测距模块由6个超声波测距模块US-100组成，分别放置于四旋翼无人机的前后左右上下六个方向，每个超声波的测距范围为2cm-450cm。

GPRS通信模块由MSP430通过嵌入式编程控制，实现自主避障模块和上位机之间的数据通信。地面上位机用于实时路径规划、数据存储、故障检测与报警。

如图2所示，本实施方式中自主避障模块基于多个超声波测距模块检测到的障碍物信息进行分析及避障的控制算法包含以下步骤：

步骤1)无人机根据预先设定好的路径进行自主飞行；

步骤2)检测无人机飞行正前方是否有障碍物：

步骤2.1)如果正前方没有障碍物，执行步骤1)；

步骤2.2)如果前方有障碍物，执行步骤3)；

步骤3)判断无人机左方是否有障碍物：

步骤3.1)如果左边没有障碍物，自主避障模块向飞控模块发出左转指令；

步骤3.2)如果左边有障碍物，执行步骤4)；

步骤4)判断无人机右方是否有障碍物：

步骤4.1)如果右边没有障碍物，自主避障模块向飞控模块发出右转指令；

步骤4.2)如果右边有障碍物，执行步骤5)；

步骤5)判断无人机上方是否有障碍物：

步骤5.1)如果上方没有障碍物，自主避障模块向飞控模块发出上升指令；

步骤5.2)如果上方有障碍物，执行步骤6)；

步骤6)判断无人机下方是否有障碍物：

步骤6.1)如果下方没有障碍物，自主避障模块向飞控模块发出下降指令；

步骤6.2)如果下方有障碍物，执行步骤7)；

步骤7)判断无人机后方是否有障碍物：

步骤7.1)如果无人机后方没有障碍物，自主避障模块向飞控模块发出后退指令；

步骤7.2)如果无人机后方有障碍物，执行步骤8)；

步骤8)悬停，等待地面上位机发来飞行路径指令。

本实施方式系统将六个超声波测距模块分别放置于无人机的前后左右上下四个方向，通过I/O口将6个方向的障碍物与无人机的距离发送给自主避障模块MSP430F2618，自主避障模块判断障碍物的位置，做出相应的改变航向的指令，以远离障碍物，通过UART串口将指令发送给飞行控制模块，飞行控制模块按照指令改变无人机飞行的方向，直到飞行器周围无障碍物通过GPRS将更新过的无人机位置信息发送给上位机，上位机重新进行路径的规划，从而使无人机实现自主避开障碍，避免飞行过程中发生碰撞事故，损坏无人机。

上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种电力巡线四旋翼无人机自主避障系统，包括用于控制四旋翼无人机飞行状态的飞行控制模块；其特征在于，还包括：

超声波测距模块，用于检测无人机周围是否存在障碍物以及与障碍物之间的距离；

GPRS通信模块，用于接收地面上位机发送的导航信息，同时将飞行控制模块提供的飞行状态信息发送给上位机；

自主避障模块，根据超声波测距模块检测到的障碍物信息通过分析向飞行控制模块发出避障飞行指令，同时对所述导航信息进行解析及预处理后发送给飞行控制模块；

所述的飞行控制模块基于导航信息控制无人机的飞行状态并根据避障飞行指令驱动无人机做出避障动作，同时将飞行状态信息通过自主避障模块转发给GPRS通信模块。

2.根据权利要求1所述的电力巡线四旋翼无人机自主避障系统，其特征在于：所述的超声波测距模块和GPRS通信模块通过扩展接口与自主避障模块连接。

3.根据权利要求1所述的电力巡线四旋翼无人机自主避障系统，其特征在于：所述的自主避障模块还用于对超声波测距模块和GPRS通信模块的工作参数进行设定以驱动协调两者的工作。

4.根据权利要求1所述的电力巡线四旋翼无人机自主避障系统，其特征在于：所述的超声波测距模块由布置于无人机对应上下前后左右表面上的六个超声波测距单元组成。

5.根据权利要求1所述的电力巡线四旋翼无人机自主避障系统，其特征在于：所述的自主避障模块通过串口将避障飞行指令以及解析预处理后的导航信息发送给飞行控制模块。

6.根据权利要求1所述的电力巡线四旋翼无人机自主避障系统，其特征在于：所述的自主避障模块内加载有以下避障分析策略：

实时判断无人机正前方一定距离范围内是否存在障碍物：若否，则向飞行控制模块发出前进飞行指令使无人机按预定路径自主飞行；若是，则进一步判断无人机左方一定距离范围内是否存在障碍物：

若否，则向飞行控制模块发出左转飞行指令；若是，则进一步判断无人机右方一定距离范围内是否存在障碍物：

若否，则向飞行控制模块发出右转飞行指令；若是，则进一步判断无人机上方一定距离范围内是否存在障碍物：

若否，则向飞行控制模块发出上升飞行指令；若是，则进一步判断无人机下方一定距离范围内是否存在障碍物：

若否，则向飞行控制模块发出下降飞行指令；若是，则进一步判断无人机后方一定距离范围内是否存在障碍物：

若否，则向飞行控制模块发出后退飞行指令；若是，则向飞行控制模块发出悬停飞行指令。