CN107065926A - 全向避障装置、云台、云台的控制方法及避障控制方法 - Google Patents

全向避障装置、云台、云台的控制方法及避障控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种全向避障装置，其特征在于，包括：双目相机组件，用于同步采集视场中目标的两幅图像；两轴旋转组件，控制所述双目相机组件整体转动；所述双目相机组件安装于两轴旋转组件上，通过双目相机组件实时采集的两幅图像实时计算出目标距离飞行装置的实际距离。本发明还提供一种云台、云台的控制方法以及避障控制方法，能够在降低成本、不增加数据计算量的前提下，实现全向避障效果。

Description

全向避障装置、云台、云台的控制方法及避障控制方法
技术领域
本发明涉及自主避障领域，尤其涉及一种全向避障装置及基于双目测距的避障方法。
背景技术
自主避障主要解决感知周围环境中障碍物的距离，再根据距离做出相应的反应。如何获取周围环境中的障碍物距离是解决避障问题的关键。目前主要避障途径有超声波测距、雷达测距、视觉测距等。对于全向避障而言，超声波存在精度差、易受到干扰、距离短等缺陷；雷达测距设备往往比较昂贵；多模相机的视觉测距一直受到数据量大、运算效率低等问题的困扰。
发明内容
为克服上述技术问题，本发明提供一种全向避障装置，其中包括：双目相机组件，用于同步采集视场中目标的两幅图像；两轴旋转组件，控制所述双目相机组件整体转动；所述双目相机组件安装于两轴旋转组件上，通过双目相机组件实时采集的两幅图像实时计算出目标距离飞行装置的实际距离。
优选地，所述两轴旋转组件包括连接于飞行装置上的第一驱动装置以及与第一驱动装置铰接连接的第二驱动装置，所述双目相机组件安装于第二驱动装置上。
优选地，所述第一驱动装置包括第一定子和第一转子；
所述第一定子与所述飞行装置固定连接，所述第一转子的下端与夹持件连接，所述夹持件上铰接有所述第二驱动装置。
优选地，所述第二驱动装置包括第二定子和第二转子；所述第二转子与所述夹持件铰接连接，所述第二定子固定于支撑件上，所述支撑件的轴心线与所述第二转子的轴心线重合，所述双目相机组件安装于所述支撑件上。
优选地，所述第一驱动装置与第二驱动装置呈正交设置，所述两轴旋转装置驱动所述双目相机组件实现水平方向180°的转动、俯仰方向180°的转动。
优选地，所述双目相机组件包括第一拍摄装置和第二拍摄装置；所述第一拍摄装置和所述第二拍摄装置安装于所述支撑件上，所述夹持件位于第一拍摄装置与第二拍摄装置之间。
优选地，所述第一拍摄装置与第二拍摄装置为两个参数一致的相机。
优选地，还包括减震组件，所述减震组件包括第一支架和第二支架，所述第一支架与第二支架之间安装有多个减震元件，所述第一驱动装置安装于第一支架与第二支架之间，所述第一支架与所述飞行装置连接，所述第一驱动装置的第一转子输出轴穿过所述第二支架后与夹持件连接。
优选地，所述第一驱动装置设置于第一支架与第二支架之间的中心位置，多个所述减震元件分布在所述第一驱动装置的周围。
本发明提供一种云台，包括上述的全向避障装置、云台控制模块和IMU组件；所述全向避障装置和IMU组件分别与所述云台控制模块连接；其中，所述IMU组件安装在所述云台的负载上，并向所述云台控制模块输入所述负载的姿态数据；所述云台控制模块根据所述姿态数据控制全向避障装置上双目相机组件的转动方向。
本发明还提供一种云台的控制方法，包括以下步骤：姿态数据获取步骤，所述IMU组件获取飞行装置的姿态数据；位置环调节步骤，根据所述姿态数据获取步骤获取的姿态数据和相应的给定数据调节位置环的输出信号；速度环调节步骤，根据所述位置环调节步骤获取的输出信号调节速度环的输出信号；电流力矩环调节步骤，根据所述速度环调节步骤获取的输出信号调节电流力矩环的电流力矩的输出；驱动脉冲驱动步骤，根据所述电流力矩环调节步骤获取的电流力矩进行空间矢量脉冲宽度调制获取相应的驱动脉冲信号，并控制两轴旋转组件的转动，使得双目相机组件沿水平方向或俯仰方向转动并与飞行装置的飞行方向一致。
优选地，在所述姿态数据获取步骤中，所述姿态数据包括IMU组件获取飞行装置的角速度信号。
优选地，在所述姿态数据获取步骤中，所述姿态数据还包括IMU组件获取的飞行装置角传信号。
本发明还提供一种避障控制方法，包括以下步骤：全向避障装置的控制步骤，上述的云台根据上述控制方法控制使双目相机组件转动，使其朝向与飞行装置的飞行方向一致；图像获取步骤，所述双目相机组件分别获取第一图像和第二图像；相机标定步骤，获取所述双目相机组件的内参和外参；获取障碍物的距离信息步骤，在第一图像和第二图像中，利用双目立体匹配算法获取两像素点之间的视差，并根据相机标定步骤中获取的内参和外参映射出障碍物的三维坐标，从而获取障碍物的距离信息，控制飞行装置的飞行。
本发明提供的全向避障装置，其采用非固定的双目相机模块和两轴旋转平台实现覆盖前后左右和下方的所有角度的障碍物距离检测，从而实现全向避障效果。该装置相比于固定的双目避障装置（只能探测前方）更加灵活，且可探测的视野更加宽阔。与安装多向双目模块的设备（比如四路双目模块）相比，数据量明显要小，可以将运算量降低4倍。与全向雷达测距相比可以降低成本，且获取的数据量更加丰富。
附图说明
图1为本发明所涉及的全向避障装置的拆分结构示意图；
图2为本发明所涉及的云台的第一驱动装置的控制框图；
图3为本发明所涉及的云台的第二驱动装置的控制框图；
图4为本发明所涉及的基于双目相机组件测距的避障控制流程图。
具体实施方式
下面根据附图所示实施方式阐述本发明。此次公开的实施方式可以认为在所有方面均为例示，不具限制性。本发明的范围不受以下实施方式的说明所限，仅由权利要求书的范围所示，而且包括与权利要求范围具有同样意思及权利要求范围内的所有变形。
本发明提供一种全向避障装置，该全向避障装置设置于飞行装置上，采用一组非固定的双目相机组件，该双目相机组件由左右两个参数一致的相机组成，该模块可以实现同步采集具有一定视差的图像，从而用立体匹配的方法实现测距。所谓非固定是指双目相机组件的朝向是可以通过控制改变的，从而增大测距的视野。该双目相机组件的朝向是通过两轴旋转组件的控制改变的，两轴旋转组件包括水平方向旋转组件和俯仰方向旋转组件，其能够分别在水平方向和俯仰方向上改变双目相机组件的朝向。
图1为本发明涉及的全向避障装置的拆分结构示意图，如图1所示，该全向避障装置用于安装于飞行装置上，优选地，安装于无人机装置上，更优选地，安装于无人机装置的减震组件上。本发明的全向避障装置包括双目相机组件和两轴旋转组件，且该全向避障装置设置于减震组件上，其中减震组件包括第一支架1、多个减震元件2和第二支架3，多个减震元件2分别固定设置于第一支架1与第二支架3之间，其中第一支架1固定安装于飞行装置上。两轴旋转组件包括第一驱动装置6及与第一驱动装置6正交设置的第二驱动装置8，本实施例第一驱动装置6和第二驱动装置8优选为电机。其中第一驱动装置6呈竖直设置，安装于第一支架1和第二支架3之间的中心位置处，使多个减震元件分别位于第一驱动装置6的周围，该第一驱动装置6可以驱动与其相连接的部件沿方位轴AA’做水平旋转，其包括第一定子61和第二转子62；第二驱动装置8呈水平设置，可以驱动与其相连接的部件沿俯仰轴BB’做俯仰旋转，包括第二定子81和第二转子82。其中第一定子61与第二支架3固定连接，第二支架3分别与多个减震元件2连接，第一转子62上的输出轴穿过第二支架3的中心位置处与夹持件4固定连接，当第一转子62转动时，可带动夹持件4和与其相连接的部件相对于第二支架3转动。同时夹持件4的另一端套接或铰接的固定于第二转子82上，第二定子81固定连接于支撑件7上，由此，通过第二驱动装置8可以驱动支撑件7和与其相连接的部件相对于夹持件4做俯仰转动。支撑件7为圆筒状结构，其长度方向的轴BB’在水平方向上，与第一转子62的轴AA’正交设置，且与第二转子82的轴心线重合。在支撑件7两端分别设置第一拍摄装置5和第二拍摄装置9，即双目相机组件，其中夹持件4和第二转子82均位于第一拍摄装置5和第二拍摄装置9之间的位置处，且第一拍摄装置5和第二拍摄装置9的相对位置不变；两拍摄装置5、9参数一致、设置在同一水平位置上，能够同时对飞行装置前方范围进行拍摄。所以在第一驱动装置6的作用下，能够驱动夹持件2、支撑件7和双目相机组件在水平方向上旋转；在第二驱动装置8的作用下，能够驱动支撑件7和双目相机组件在俯仰方向上旋转，从而可以实现双目相机组件在俯仰方向和水平方向的旋转。
以上，第一驱动装置6能够使双目相机组件在水平方向上旋转180°，第二驱动装置8能够使双目相机组件在俯仰方向上旋转180°，由此，通过第一驱动装置6和第二驱动装置8的联合转动，第一驱动装置6和第二驱动装置8能够驱动双目相机组件分别实现方位角180°（即水平方向）和俯仰角180°的旋转，即驱动第一拍摄装置5和第二拍摄装置9分别拍摄其前方左右-90°～+90°和上下-90°～+90°的画面。
如图1所示的全向避障装置设置于飞行装置的云台中，由云台内的控制装置控制全向避障装置的第一驱动装置和第二驱动装置的转动，该云台至少还包括云台主控单片机、IMU装置，其中云台主控单片机可通过串行外设接口总线（Serial PeripheralInterface：SPI）由IMU模块12获取相关数据，IMU模块包括陀螺仪和角传芯片等，获取云台所在的飞行装置的角速度、角传信息等数据，然后根据其内部的控制方法分别控制全向避障装置的第一驱动装置6和第二驱动装置8的工作，即控制双目相机组件沿方位轴和俯仰轴上的转动。上述云台控制第一驱动装置6和第二驱动装置8工作的控制信号均通过闭环控制策略得到，在该闭环控制策略中均具有位置环（可分为方位轴位置环和俯仰轴位置环）、速度环和电流力矩环，下面结合图2和图3分别具体说明云台的第一驱动装置和第二驱动装置的控制过程。
图2为本发明涉及的云台的第一驱动装置的控制方法，即为控制双目相机组件沿方位轴的转动的控制方法。方位轴位置环通过检测第一驱动装置8的方位角传信号值作为反馈，第一驱动装置8连接一角传芯片用于获取方位轴位置环的反馈方位角传信息m，该反馈方位角传信号m与给定的角传信号进行比较，获取给定角传信号与反馈方位角传信号之间的第一误差信号；将该比较后获取的第一误差信号输入位置环调节器，使得反馈方位角传信号跟随给定角传信号；再将由上述位置环调节器输出的值作为速度环的给定值，同时将由陀螺仪上的芯片获取的角速度ω经解耦获取其在方位轴上的投影映射获取方位角速度ω 1，并将方位角速度ω 1作为速度环的反馈值与上述作为速度环的给定值进行比较，得到位置环输出至速度环的给定值与方位角速度ω 1之间的第二误差信号；再将该第二误差信号通过速度环调节器后的输出值作为电流力矩环的给定值，将力矩输出相电流反馈值与反馈系数相乘作为电流力矩环的反馈值，得到电流力矩环的给定值与反馈值之间的第三误差信号，再将该第三误差信号通过速度环调节器后获取的电流力矩信号输出作为后述的控制算法所需要的驱动电机电流的反馈值。控制第一驱动装置6转动的控制方法是基于FOC控制算法控制的，需要将未图示的给定电流值与上述的驱动电机电流反馈值（即上述的速度环调节器输出的电流力矩信号）作为FOC控制算法的输入，采用SVPWM调制（空间矢量脉冲宽度调制）方式获取电机驱动脉冲信号，以驱动第一驱动装置6的转动，并控制支撑件7和双目相机组件沿方位轴转动，以实现第一拍摄装置5和第二拍摄装置9在水平方向上实时跟随飞行装置机头的方向。
图3为本发明涉及的云台的第二驱动装置的控制方法，即为控制双目相机组件沿俯仰轴的转动的控制方法。俯仰轴位置环的反馈信号由陀螺仪上的芯片获取的角速度ω通过积分控制器积分获取的姿态角信号θ，该姿态角信号θ与给定的姿态角进行比较，获取给定姿态角信号与反馈姿态角信号θ之间的第四误差信号；将该第四误差信号输入位置环调节器，使得反馈姿态角信号跟随给姿态角信号；再将由上述位置环调节器输出的值作为速度环的给定值，同时将由陀螺仪上的芯片获取的角速度ω经解耦获取其在俯仰轴上的投影映射获取俯仰角速度ω 2，并将俯仰角速度ω 2作为速度环的反馈值与上述作为速度环的给定值进行比较，得到位置环输出至速度环的给定值与俯仰角速度ω 2之间的第五误差信号；再将该第五误差信号通过速度环调节器后的输出值作为电流力矩环的给定值，将力矩输出相电流反馈值与反馈系数相乘作为电流力矩环的反馈值，得到电流力矩环的给定值与反馈值之间的第六误差信号，再将该第六误差信号通过速度环调节器后获取的电流力矩信号输出作为后述的控制算法所需要的驱动电机电流的反馈值。控制第二驱动装置8转动的控制方法是基于FOC控制算法控制的，需要将未图示的给定电流值与上述的驱动电机电流反馈值（即上述的速度环调节器输出的电流力矩信号）作为FOC控制算法的输入，采用SVPWM调制（空间矢量脉冲宽度调制）方式获取电机驱动脉冲信号，以驱动第二驱动装置8转动，并控制支撑件7和双目相机组件沿俯仰轴转动，以实现第一拍摄装置5和第二拍摄装置9在上下方向上实时跟随飞行装置机头的方向。
由此，根据图2和图3的控制方法，可以实现双目相机组件沿水平或俯仰方向跟随飞行装置机头的方向。如果希望改变双目相机组件的方位和俯仰的位置，可分别通过第一驱动装置6和第二驱动装置8与飞行装置之间的串口直接给定方位轴位置环和俯仰轴位置环的给定值，通过云台控制双目相机组件的拍摄方向，实现双目相机组件拍摄的图像稳定。
在安装有全向避障装置的飞行装置飞行过程中，由飞行装置上的陀螺仪和角传芯片等IMU装置检测飞行装置的运动方向获取相关数据信息，云台通过串行通信接口（SerialCommunication Interface，SCI）接收飞行装置给定的俯仰轴和方位轴的给定值（即图2中的给定角传信号和图3中的给定姿态角信号），且上述俯仰轴和方位轴处于正交状态，并通过图2和图3的控制方法分别控制第一驱动装置6和第二驱动装置8的工作，使得双目相机组件（第一拍摄装置5和第二拍摄装置9）和飞行装置的运动方向保持一致；进一步的通过双目相机组件拍摄飞行装置运动方向前方障碍物的图像，进一步检测障碍物距离，并根据得到的该障碍物距离后判断障碍物是否对飞行装置的飞行造成影响，进而决定控制飞行装置前进还是停止。
如图4所示的基于双目相机组件测距的避障控制流程图，按照图2和图3的控制方法将双目相机组件的拍摄方向调整的和飞行装置的运动方向一致，由云台的云台主控单片机控制双目相机组件的第一拍摄装置5和第二拍摄装置9分别拍摄飞行装置运动方向前方的图像，分别记为第一图像和第二图像（步骤S1）。通过第一拍摄装置5和第二拍摄装置9拍摄长宽已知的棋盘标定板，对获取的第一图像和第二图像分别进行畸变矫正获取矫正后的第一图像和第二图像（步骤S2），之后分别对第一拍摄装置5和第二拍摄装置9进行立体标定（步骤S3）。以步骤S3对第一拍摄装置5和第二拍摄装置9的立体标定过程，分别获取第一拍摄装置5和第二拍摄装置9的内部参数矩阵和外部参数矩阵，以及第一拍摄装置5和第二拍摄装置9的相对位置关系（步骤S4）。上述步骤S2～S4称为相机的标定过程。对第一图像和第二图像进行立体匹配，获取图像中两个像素点的视差（步骤S5），具体过程如下：将第一图像中的像素点标记为P l (x,y)，将第二图像中的像素点标记为P r (x,y)，其中(x,y)表示该像素点在对应图像中的坐标；以第一拍摄装置5拍摄到的第一图像为参考图像，以(x,y)为中心取一个大小为w*w的块，w表示所取的块在横纵坐标轴上含有的像素数，在第二拍摄装置9拍摄的第二图像中沿横坐标方向上依次搜索相同大小的w*w像素块，通过块匹配原理在第二图像中寻找与第一图像中所选的w*w像素块对应的匹配像素块，使得最小，以此获取第二图像中与第一图像的w*w像素块相匹配的像素块，从而计算该匹配像素块与第一图像的w*w像素块的中心像素点之间的视差，从而获取双目相机组件前方整个视场的深度距离。之后根据步骤S4中获取的第一拍摄装置5和第二拍摄装置9得到的内部参数矩阵和外部参数矩阵，将步骤S5中获取的视差映射出障碍物的三维坐标（步骤S6）。根据步骤S6获取的障碍物的三维坐标计算出障碍物的三维距离信息，即障碍物距离飞行装置的距离（步骤S7）。之后云台根据获取的障碍物的三维距离信息，判断该距离信息是否小于阈值（步骤S8），当获取的障碍物的三维距离小于阈值（步骤S8为否），则障碍物不会对飞行装置的飞行造成影响，飞行装置不做任何响应，继续飞行（步骤S9）；当获取的障碍物的三维距离大于阈值（步骤S8为是），则障碍物会对飞行装置的飞行造成影响，则云台控制飞行装置停止前进（步骤S10），例如可以控制飞行装置悬停或改变飞行方向等操作。从而飞行装置可以实现对指定方向的场景进行距离探测和障碍物的规避。
本发明的全向避障装置设置于飞行装置的减震组件上，但不限于此，还可以设置于飞行装置的其他部件上，其不一定与减震组件相连接。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (14)

1.一种全向避障装置，其特征在于，包括：
双目相机组件，用于同步采集视场中目标的两幅图像；
两轴旋转组件，控制所述双目相机组件整体转动；
所述双目相机组件安装于两轴旋转组件上，通过双目相机组件实时采集的两幅图像实时计算出目标距离飞行装置的实际距离。
2.根据权利要求1所述的全向避障装置，其特征在于：
所述两轴旋转组件包括连接于飞行装置上的第一驱动装置以及与第一驱动装置铰接连接的第二驱动装置，所述双目相机组件安装于第二驱动装置上。
3.根据权利要求2所述的全向避障装置，其特征在于：
所述第一驱动装置包括第一定子和第一转子；
所述第一定子与所述飞行装置固定连接，所述第一转子的下端与夹持件连接，所述夹持件上铰接有所述第二驱动装置。
4.根据权利要求3所述的全向避障装置，其特征在于：
所述第二驱动装置包括第二定子和第二转子；
所述第二转子与所述夹持件铰接连接，所述第二定子固定于支撑件上，所述支撑件的轴心线与所述第二转子的轴心线重合，所述双目相机组件安装于所述支撑件上。
5.根据权利要求4所述的全向避障装置，其特征在于：
所述第一驱动装置与第二驱动装置呈正交设置，所述两轴旋转装置驱动所述双目相机组件实现水平方向180°的转动、俯仰方向180°的转动。
6.根据权利要求5所述的全向避障装置，其特征在于：
所述双目相机组件包括第一拍摄装置和第二拍摄装置；
所述第一拍摄装置和所述第二拍摄装置安装于所述支撑件上，所述夹持件位于第一拍摄装置与第二拍摄装置之间。
7.根据权利要求6所述的全向避障装置，其特征在于：
所述第一拍摄装置与第二拍摄装置为两个参数一致的相机。
8.根据权利要求7所述的全向避障装置，其特征在于：
还包括减震组件，所述减震组件包括第一支架和第二支架，所述第一支架与第二支架之间安装有多个减震元件，所述第一驱动装置安装于第一支架与第二支架之间，所述第一支架与所述飞行装置连接，所述第一驱动装置的第一转子输出轴穿过所述第二支架后与夹持件连接。
9.根据权利要求8所述的全向避障装置，其特征在于：
所述第一驱动装置设置于第一支架与第二支架之间的中心位置，多个所述减震元件分布在所述第一驱动装置的周围。
10.一种云台，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的全向避障装置、云台控制模块和IMU组件；
所述全向避障装置和IMU组件分别与所述云台控制模块连接；
其中，所述IMU组件安装在所述云台的负载上，并向所述云台控制模块输入所述负载的姿态数据；
所述云台控制模块根据所述姿态数据控制全向避障装置上双目相机组件的转动方向。
11.一种权利要求10所述的云台的控制方法，包括以下步骤：
姿态数据获取步骤，所述IMU组件获取飞行装置的姿态数据；
位置环调节步骤，根据所述姿态数据获取步骤获取的姿态数据和相应的给定数据调节位置环的输出信号；
速度环调节步骤，根据所述位置环调节步骤获取的输出信号调节速度环的输出信号；
电流力矩环调节步骤，根据所述速度环调节步骤获取的输出信号调节电流力矩环的电流力矩的输出；
驱动脉冲驱动步骤，根据所述电流力矩环调节步骤获取的电流力矩进行空间矢量脉冲宽度调制获取相应的驱动脉冲信号，并控制两轴旋转组件的转动，使得双目相机组件沿水平方向或俯仰方向转动并与飞行装置的飞行方向一致。
12.根据权利要求11所述的控制方法，其特征在于：
在所述姿态数据获取步骤中，所述姿态数据包括IMU组件获取飞行装置的角速度信号。
13.根据权利要求12所述的控制方法，其特征在于：
在所述姿态数据获取步骤中，所述姿态数据还包括IMU组件获取的飞行装置角传信号。
14.一种避障控制方法，包括以下步骤：
全向避障装置的控制步骤，权利要求7所述的云台根据权利要求8-10中任一项所述控制方法控制使双目相机组件转动，使其朝向与飞行装置的飞行方向一致；
图像获取步骤，所述双目相机组件分别获取第一图像和第二图像；
相机标定步骤，获取所述双目相机组件的内参和外参；
获取障碍物的距离信息步骤，在第一图像和第二图像中，利用双目立体匹配算法获取两像素点之间的视差，并根据相机标定步骤中获取的内参和外参映射出障碍物的三维坐标，从而获取障碍物的距离信息，控制飞行装置的飞行。
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