CN107367725A - 用于无人机测距避障的激光雷达装置和无人机 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于无人机测距避障的激光雷达装置和无人机，该激光雷达装置包括：支撑结构、固定在所述支撑结构上的激光发射器、摄像头、控制处理单元；其中，所述摄像头朝向所述激光发射器的出射方向，用于采集所述激光发射器照射在障碍物上时形成的光斑；所述控制处理单元，与所述摄像头相连，用于根据所述摄像头采集的图像确定所述激光发射器的出射方向上是否存在障碍物，并在确定存在障碍物时，确定障碍物的位置，根据所确定的障碍物位置调整无人机的飞行方向使所述无人机避开障碍物。本发明提供的激光雷达装置和无人机能够有效提高确定的障碍物位置的准确性，从而提高无人机测距避障的准确率。

Description

用于无人机测距避障的激光雷达装置和无人机

技术领域

本发明涉及无人机技术领域，尤其涉及一种用于无人机测距避障的激光雷达装置。

背景技术

无人机(Unmanned Aerial Vehicles,UAV)是一种由无线电遥控设备或自身程序控制装置操纵的机上无人驾驶的飞行器。与有人驾驶飞机相比，无人机具备体积小、成本低、机动性强和安全等优点。而避障问题已经成为无人机研究领域的关注热点，所以对于无人机导航而言，避障的意义尤为重要。

传统的无人机激光测距避障装置通过发射激光信号到障碍物上，利用光敏器件检测被障碍物反射的激光，通过测量往返时间差来确定障碍物的高度或者距离，该测量方法往往需要高精度高频率的时钟和光调制器来实现准确测量，这使得装置成本大大增加；而超声波测距装置的噪声大，测量结果准确率低。

发明内容

本发明的一个目的在于提高确定障碍物位置的准确性。

第一方面，本发明提供了一种用于无人机测距避障的激光雷达装置，包括：

支撑结构、固定在所述支撑结构上的激光发射器、摄像头、控制处理单元；

其中，所述摄像头朝向所述激光发射器的出射方向，用于采集所述激光发射器照射在障碍物上时形成的光斑；

所述控制处理单元，与所述摄像头相连，用于根据所述摄像头采集的图像确定所述激光发射器的出射方向上是否存在障碍物，并在确定存在障碍物时，确定障碍物的位置，根据所确定的障碍物位置调整无人机的飞行方向使所述无人机避开障碍物。

进一步的，还包括驱动机构；所述驱动机构用于驱动所述支撑结构旋转。

进一步的，所述驱动机构为伺服电机。

进一步的，所述控制处理单元用于确定障碍物的位置，包括：对采集的图像进行预处理过程，根据预处理之后的图像确定障碍物的位置。

进一步的，所述控制处理单元用于对图像的预处理过程包括对采集到的图像进行畸变矫正和/或滤波锐化，得到激光光斑的图像；

所述控制处理单元用于根据预处理之后的图像确定障碍物的位置，包括：根据所得到的激光光斑的图像确定障碍物的位置。

进一步的，所述控制处理单元包括开发板电路和嵌入式计算机；

其中所述开发板电路用于根据所述摄像头采集的图像确定所述激光发射器的出射方向上是否存在障碍物，并在确定存在障碍物时，确定障碍物的三维坐标；

所述嵌入式计算机与所述开发板电路相连，用于根据所述开发板电路所确定的障碍物的三维坐标进行三维重构，以确定飞机和环境的相对位置，并根据所确定的相对位置控制无人机的飞行方向使所述无人机避开障碍物。

进一步的，所述嵌入式计算机与所述开发板电路通过串口相连。

进一步的，所述摄像头为CCD面阵传感器。

进一步的，所述摄像头的CCD面阵的中心距离所述激光发射器的出光面的中心8-12cm；

摄像头的感光元件CCD面阵的中心轴线与所述激光发射器发射的激光所在平面的夹角α＝0.1674133690°±0.01°、摄像头的焦距f＝1.221760482cm±0.1cm。

第二方面，本发明提供了一种无人机，其特征在于，包括上述任一项所述的激光雷达装置。

本发明提供的用于无人机测距避障的激光雷达装置，基于激光照射到障碍物上的光斑确定障碍物的位置，能够有效提高确定的障碍物位置的准确性，从而提高无人机测距避障的准确率。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征信息和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1为本发明提供的一种用于无人机测距避障的激光雷达装置；

图2示出了本发明提供的用于无人机测距避障的激光雷达装置测距避障的流程图；

图3示出了利用本发明提供的用于无人机测距避障的激光雷达装置进行单点激光测距原理图；

图4示出了利用本发明提供的用于无人机测距避障的激光雷达装置进行测距避障原理图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

第一方面，本发明提供了一种用于无人机测距避障的激光雷达装置，包括：

支撑结构、固定在所述支撑结构上的激光发射器、摄像头、控制处理单元；

其中，所述摄像头朝向所述激光发射器的出射方向，用于采集所述激光发射器照射在障碍物上时形成的光斑；

所述控制处理单元，与所述摄像头相连，用于根据所述摄像头采集的图像确定所述激光发射器的出射方向上是否存在障碍物，并在确定存在障碍物时，确定障碍物的位置，根据所确定的障碍物位置调整无人机的飞行方向使所述无人机避开障碍物。

本发明提供的用于无人机测距避障的激光雷达装置，基于激光照射到障碍物上的光斑确定障碍物的位置，能够有效提高确定的障碍物位置的准确性，从而提高无人机测距避障的准确率。

作为一种优选的实施方式，还包括驱动机构；所述驱动机构用于驱动所述支撑结构旋转。在具体实施时，这里的驱动机构优选但是不限于为伺服电机。这样能扩大激光雷达装置的扫描范围，更有助于无人机避开障碍物。

作为一种优选的实施方式，上述的控制处理单元用于确定障碍物的位置，包括：对采集的图像进行预处理过程，根据预处理之后的图像确定障碍物的位置。举例来说，所述控制处理单元用于对图像的预处理过程可以包括对采集到的图像进行畸变矫正和/或滤波锐化，得到激光光斑的图像；此时，所述控制处理单元用于根据预处理之后的图像确定障碍物的位置，包括：根据所得到的激光光斑的图像确定障碍物的位置。通过这种方式，能够降低后续过程中根据图像确定障碍物的位置的难度，进一步提高确定的障碍物位置的准确性，从而提高无人机测距避障的准确率。

作为一种优选的实施方式，所述控制处理单元包括开发板电路和嵌入式计算机；

其中所述开发板电路用于根据所述摄像头采集的图像确定所述激光发射器的出射方向上是否存在障碍物，并在确定存在障碍物时，确定障碍物的三维坐标；

所述嵌入式计算机与所述开发板电路相连(比如可以通过串口连接)，用于根据所述开发板电路所确定的障碍物的三维坐标进行三维重构，以确定飞机和环境的相对位置，并根据所确定的相对位置控制无人机的飞行方向使所述无人机避开障碍物。在具体实施时，嵌入式计算机与开发板电路可以具体通过串口相连，这样可以提高传输的速度。

通过建立三维坐标，能够更好的确定无人机相对于障碍物的位置，从而提高无人机测距避障的准确率。

作为一种优选的实施方式，这里的摄像头可以为CCD面阵传感器。进一步的，可以设置所述摄像头的CCD面阵的中心距离所述激光发射器的出光面的中心8-12cm；

所述摄像头的CCD面阵的中心距离所述激光发射器的出光面的中心8-12cm；

摄像头的感光元件CCD面阵的中心轴线与所述激光发射器发射的激光所在平面的夹角α＝0.1674133690°±0.01°、摄像头的焦距f＝1.221760482cm±0.1cm。

作为一种优选的实施方式，这里的支撑结构可以具体是指一个底座。

不难理解的是，在具体实施时，上述的各个优选实施方式之间不会相互影响，因此可以任意组合，所得到的技术方案均应该落入本发明的保护范围。

本发明提供的用于无人机测距避障的激光雷达装置的一个实施例可以参考图1、图3和图4，可以包括：

激光发射器L(波长808nm，功率500mw，发散角90度)、摄像头P、开发板X(型号：banana pro)、伺服电机(型号：8HS0406)(图中未示出)和底座Z(直径为10cm)。

实验所用无人机较小限定b≤10cm，要求系统可对十米远的物体进行探测以留有充足的时间进行躲避，限于无人机自身有一定大小，对30cm内的物体不进行探测，并要求测量的最大误差不超过5cm。在计算像素点位置时采用质心法，可兼顾准确性与实时性，认为其误差为0.1个像素点。

首先，根据量程和精度要求确定激光发射器L和摄像头P的位置，并将二者固定；

S11、根据单点的激光测距原理，由透镜T光心，激光发射器L和被测物体O形成的三角形与摄像头P内部一个三角形相似可得参数公式如下所示：

整理得，

其中，f为摄像头前端透镜T的焦距，α为摄像头的感光元件CCD面阵的中心轴线与水平线的夹角，Δx为图像平面上光斑点横向偏离设定的原点的距离，s为激光发射器L与被测物体O之间的距离，b为透镜T与激光发射器L位于同一水平面上二者之间距离，r为透镜T与被测物体O之间的距离，f′为CCD面阵最右端和透镜T中心的距离。

以上考察的是图像上的光斑点纵向偏离设定原点距离Δy为零(Δy＝0)时的情形，现考虑其不为零时的情形。注意到激光斑只有在平行于CCD面阵平面的竖直方向(P₀P₁方向)的偏移才会引起其像在Δy方向的移动，其关系满足

整理可得，

取基于激光雷达的参照系，以向下的方向为x′轴，向右为y′轴，垂直于纸面向外为z′轴，得到周围环境点在此坐标系下的坐标

x′＝0

随机误差主要来自激光斑的像在CCD面阵上位置的测量，由于环境的不稳定，测量到的Δx将产生一定的跳变，对s的表达式两边微分得Δx的测量误差对最终结果带来的影响

代入公式(2)

定义使图像落在CCD正中心的距离s′为最佳测量距离，则

s′＝bcotα (10)

而记CCD传感器的宽度为2w，在选择的实际参数中

2w＝N·p (11)

其中，N为CCD面阵每行所包含的感光元件(像素点)数量，p为每个感光元件(像素点)的物理线度。

根据公式(8)、(9)、(10)可以算出系统能够达到的最大距离和最小距离

则系统量程L为

根据公式(9)、(12)、(13)，可确定系统内参数激光器和透镜之间的距离b＝10cm，摄像头的感光元件CCD面阵的中心轴线与水平线的夹角α＝0.1674133690°以及摄像头焦距f＝1.221760482cm。CCD面阵尺寸：CCD面阵每行所包含的感光元件(像素点)数量N＝640，每个感光元件(像素点)的物理线度p＝6μm。

在完成激光发射器L和摄像头的位置的固定后，在保证重心位于装置中心的情况下，安装好开发板X、伺服电机和电池，其中伺服电机控制激光投射的方向，在无人机姿态变化的情况下，实现激光对周围环境的扫描；电池作为开发板X和伺服电机驱动，有导线相连；根据上述器材组合在一起的大小，选择合适的底座装配在一起，再通过转轴((直径1cm,长度为10cm的碳轴))和无人机相连。

具体的测距过程可以参见图2，具体包括：

S1、激光发射器L发射激光到障碍物上，形成线状的激光斑；

S2、摄像头对发射到障碍物上的激光斑进行拍摄；

S3、开发板X接收摄像头拍摄所得的数据，进行图像处理，并将数据传输到嵌入式计算机；

S31、图像处理过程：由于飞行器姿态变化会使摄像头拍摄的图像产生畸变，所以先对图像的畸变进行矫正，再经过滤波锐化去除噪声，把激光斑的图案提取出来，然后按行将光斑分成若干个点(点的个数由摄像头的分辨率决定)，计算每个点的坐标，即与摄像头感光元件CCD面阵相应的点的坐标，这里为画面上二维坐标，然后根据公式(5)计算出以激光雷达为参考点的对应的三维世界坐标

S32、信息传输过程：通过串口将得到的三维世界坐标数据传输到嵌入式计算机；

S4、根据传输到嵌入式计算机的三维世界坐标数据，嵌入式计算机进行大范围的实时三维重构，以确定飞机和环境的相对位置，由此制定飞机的飞行方向以避开障碍物，并发送飞行指令给无人机飞控；

S5、无人机飞控根据接收到的飞行指令调整飞行方向，完成避障。

不难理解的是，上述的各个结构的具体型号和参数并不会应影响本发明的实施，相应的技术方案也均应该落入本发明的保护范围。各个结构之间具体通过何种方式连接固定也不会应影响本发明的实施，相应的技术方案也均应该落入本发明的保护范围。上述的嵌入式计算机实际上不必然作为控制处理单元的一部分设置在上述的激光雷达装置内部，在具体实施时，上述的开发板电路也可以将计算得到的三维坐标输出到无人机的主控计算机，由主控计算机完成相应的三维重构过程。

另外在具体实施时，上述的伺服电机也可以替换为其他的驱动机构。

不难理解的是，在具体实施时，可以将激光发射器和摄像头的位置相对固定，并将激光发射器的激光出射方向与无人机的前进方向一致。此时，即使不设置伺服电机及其他驱动机构，也能够在一定程度上实现对障碍物的测距功能，相应的技术方案也应该落入本发明的保护范围。

第二方面，本发明还提供了一种无人机，包括上述任一项所述的激光雷达装置。

在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。

本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。

此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在下面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。

本发明的各个部件实施例可以以硬件实现，或者以在一个或者多个处理器上运行的软件模块实现，或者以它们的组合实现。本领域的技术人员应当理解，可以在实践中使用微处理器或者数字信号处理器(DSP)来实现根据本发明实施例的网关、代理服务器、系统中的一些或者全部部件的一些或者全部功能。本发明还可以实现为用于执行这里所描述的方法的一部分或者全部的设备或者装置程序(例如，计算机程序和计算机程序产品)。这样的实现本发明的程序可以存储在计算机可读介质上，或者可以具有一个或者多个信号的形式。这样的信号可以从因特网网站上下载得到，或者在载体信号上提供，或者以任何其他形式提供。

应该注意的是上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本发明可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。

Claims (10)

1.一种用于无人机测距避障的激光雷达装置，其特征在于，包括：

支撑结构、固定在所述支撑结构上的激光发射器、摄像头、控制处理单元；

其中，所述摄像头朝向所述激光发射器的出射方向，用于采集所述激光发射器照射在障碍物上时形成的光斑；

所述控制处理单元，与所述摄像头相连，用于根据所述摄像头采集的图像确定所述激光发射器的出射方向上是否存在障碍物，并在确定存在障碍物时，确定障碍物的位置，根据所确定的障碍物位置调整无人机的飞行方向使所述无人机避开障碍物。

2.如权利要求1所述的激光雷达装置，其特征在于，还包括驱动机构；所述驱动机构用于驱动所述支撑结构旋转。

3.如权利要求2所述的激光雷达装置，其特征在于，所述驱动机构为伺服电机。

4.如权利要求1所述的激光雷达装置，其特征在于，所述控制处理单元用于确定障碍物的位置，包括：对采集的图像进行预处理过程，根据预处理之后的图像确定障碍物的位置。

5.如权利要求4所述的激光雷达装置，其特征在于，所述控制处理单元用于对图像的预处理过程包括对采集到的图像进行畸变矫正和/或滤波锐化，得到激光光斑的图像；

所述控制处理单元用于根据预处理之后的图像确定障碍物的位置，包括：根据所得到的激光光斑的图像确定障碍物的位置。

6.如权利要求1所述的激光雷达装置，其特征在于，所述控制处理单元包括开发板电路和嵌入式计算机；

其中所述开发板电路用于根据所述摄像头采集的图像确定所述激光发射器的出射方向上是否存在障碍物，并在确定存在障碍物时，确定障碍物的三维坐标；

所述嵌入式计算机与所述开发板电路相连，用于根据所述开发板电路所确定的障碍物的三维坐标进行三维重构，以确定飞机和环境的相对位置，并根据所确定的相对位置控制无人机的飞行方向使所述无人机避开障碍物。

7.如权利要求6所述的激光雷达装置，其特征在于，所述嵌入式计算机与所述开发板电路通过串口相连。

8.如权利要求1所述的激光雷达装置，其特征在于，所述摄像头为CCD面阵传感器。

9.如权利要求8所述的激光雷达装置，其特征在于，所述摄像头的CCD面阵的中心距离所述激光发射器的出光面的中心8-12cm；

摄像头的感光元件CCD面阵的中心轴线与所述激光发射器发射的激光所在平面的夹角α＝0.1674133690°±0.01°、摄像头的焦距f＝1.221760482cm±0.1cm。

10.一种无人机，其特征在于，包括如权利要求1-9任一项所述的激光雷达装置。