CN107505625A - 一种飞行器探测方法 - Google Patents

Abstract

一种飞行器探测方法，在飞行器上设置有探测飞行器与待降落区域之间的距离信息的探测装置，其中，所述探测装置中包括具有M*N个探测单元的面阵光电传感器；所述探测装置探测得到飞行器与待降落区域之间的M*N个距离信息；飞行器根据所述M*N个距离信息的离散程度、或者飞行器根据所述M*N个距离信息所获得的带降落区域的坡度，判断待降落区域是否适合飞行器降落。采用上述具有面阵光电传感器的探测装置，相对于现有技术中只能对地面进行单点探测的系统，能够更精确探测飞行器下方的地面或者物体表面的状态，例如坡度、是否崎岖不平等，根据具体的距离信息来判断是否适用于飞行器的降落。

Description

一种飞行器探测方法

技术领域

本申请涉及一种探测方法，尤其涉及一种基于飞行时间（Time of Flight，TOF）法计算距离的具有面阵光电传感器的飞行器探测方法。

背景技术

现有技术中，无人机在工作过程中需要实时测定自身的高度，通常采用距离传感器来收集无人机的高度数据。其中的距离传感器包括例如超声装置、双目视觉装置、激光雷达装置等。

其中，在采用激光雷达的方式中，所述激光雷达固定于无人机上，在工作过程中，由激光雷达的发射模块发出探测光，该探测光出射到地面或者其他物体表面上被反射，形成回波信号，激光雷达的接收模块接收该回波信号，激光雷达依据发射模块发出的探测光与接收模块接收的回波信号的时间差、相位差或者三角关系，来计算无人机自身与地面或者物体表面之间的距离，从而确定无人机的飞行高度。

但在现有技术中，激光雷达通常单点测量无人机的飞行高度，即激光雷达每次测距只能得到单个点的距离值。因此，无法判断无人机下方地面或者物体表面的具体几何形状信息，例如当无人机下方的地面崎岖不平或者有一定的坡度时，无人机便不能得到地面的坡度值或者地面不同位置与无人机之间的距离，而只能得到单一的距离值。然而，当无人机降落时，需要对下方的地面或者物体表面的形貌进行探测，比如当无人机下方的地面或者物体表面崎岖不平或者坡度过大时，便不能进行正常的无人机自动降落。

针对以上现有技术的不足，本申请公开了一种面阵光电传感探测方法。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本申请公开了一种飞行器探测方法：在飞行器上设置有探测飞行器与待降落区域之间的距离信息的探测装置，其中，所述探测装置中包括具有M*N个探测单元的面阵光电传感器；所述探测装置探测得到飞行器与待降落区域之间的M*N个距离信息；飞行器根据所述M*N个距离信息的离散程度、或者飞行器根据所述M*N个距离信息所获得的带降落区域的坡度，判断待降落区域是否适合飞行器降落。

根据本申请的其中一个方面，飞行器根据所述M*N个距离信息的标准差，判断待降落区域是否适合飞行器降落；当M*N个距离信息的标准差小于设定值时，飞行器中的飞行控制模块控制飞行器进行降落；当M*N个距离信息的标准差大于设定值时，飞行控制模块判定飞行器不能进行降落。

根据本申请的其中一个方面，飞行器根据所述M*N个距离信息的极差、方差、或者平均差，当M*N个距离信息的极差、方差、或者平均差小于设定值时，飞行器中的飞行控制模块控制飞行器进行降落；当M*N个距离信息的极差、方差、或者平均差大于设定值时，飞行控制模块判定飞行器不能进行降落。

根据本申请的其中一个方面，飞行器根据所述M*N个距离信息所获得的待降落区域的坡度，判断待降落区域是否适合飞行器降落；通过比较M*N个距离信息在相同方向上是否连续增加或者减小，判断飞行器下方的待降落区域表面是否是斜坡；如果M*N个距离信息在相同方向上连续增加或者减小，则待降落区域为斜坡；根据M*N个距离信息计算坡度K的大小；将坡度K的大小与预先设定的飞行器降落对坡度L大小允许的值相对比；如果由探测装置探测到的坡度K的大小在飞行器允许的降落坡度L之内，则飞行器中的飞行控制模块控制飞行器降落；如果由探测装置探测到的坡度K的大小不在飞行器允许的降落坡度L之内，则飞行器中的飞行控制模块不进行对飞行器的降落控制。

根据本申请的其中一个方面，所述探测装置包括红外光发射模块、接收模块、以及信号处理与控制模块，红外光发射模块发出红外探测光，该红外探测光出射到待降落区域；红外探测光遇到待降落区域表面后被反射；接收模块收到被反射的红外探测光，接收模块将光信号转换为电信号；信号处理与控制模块依据接收模块转换的电信号计算所述飞行器与待降落区域之间的距离信息。

根据本申请的其中一个方面，所述探测装置依据相位飞行时间法计算飞行器与待降落区域之间的距离。

根据本申请的其中一个方面，所述接收模块或者所述信号处理与控制模块发送正弦或者方波调制信号到红外光发射模块，红外光发射模块中的红外光源发出经过方波或者正弦信号调制的红外探测光。

根据本申请的其中一个方面，所述探测装置探测得到飞行器与待降落区域之间的M*N个距离信息，所述距离信息为飞行器与待降落区域之间的M*N个直线距离或者垂直高度。

附图说明

图1是具有面阵光电传感器的探测装置示意图。

图2是面阵光电传感器示意图。

具体实施方式

本申请实施例公开了一种具有面阵光电传感器的探测装置的飞行器探测方法。其中，该探测装置，如附图1所示，包括红外光发射模块10、接收模块20、信号处理与控制模块30。其中，所述信号处理与控制模块30与接收模块20相连接。其中，接收模块20中具有面阵光电传感器。

当探测装置接收到工作指令后，红外光发射模块10发出经过调制信号调制的红外探测光，该红外探测光出射到外部需要探测的环境中。红外探测光遇到物体（即障碍物）后被反射，接收模块20收到被反射的红外探测光，接收模块将光信号转换为电信号，信号处理与控制模块30依据接收模块转换的电信号，基于飞行时间法计算所述探测装置与物体之间的距离。

信号处理与控制模块30中包括控制单元（MCU）以及时钟电路、数据传输单元等。在其中的一实施例中，该信号处理与控制模块30中还包括数据存储单元、和/或同步滤波电路模块。

其中，红外光发射模块10上固定设置有红外光源，所述红外光源发出具有一定横截面积的发散红外探测光光束。在优选的实施例中，所述红外光源为LED光源。红外光发射模块10上还具有用于驱动光源发光的驱动电路。其中，接收模块或者信号处理与控制模块发送正弦或者方波调制信号到红外光发射模块，红外光发射模块中的红外光源发出经过方波或者正弦信号调制的红外探测光。

其中，接收模块20中具有面阵光电传感器，该面阵光电传感器将接收到的被物体反射的光信号转换为电信号。所述面阵光电传感器为由M行N列个光电传感器单元所组成的一块面阵光电传感器。共有M*N个测距单元。如附图2所示，该探测装置采用由M行N列个能够独立工作光电传感器单元所组成的一块面阵光电传感器，其中的每个光电传感器单元都能够独立工作。由于采用了面阵光电传感器，本申请所涉及的具有面阵光电传感器的探测装置在每次的距离探测过程中，在其中的一个实施例中，能够得到共M*N个不同的距离值，所述M*N个距离值与被测物体的M*N个不同区域一一对应。

在上述探测装置的工作过程或者使用过程中，对探测区域物体角度的确定，根据面阵光电传感器的接收视场以及面阵光电传感器中M和N的个数来确定，例如在320*240的面阵光电传感器结构中，如果接收模块的接收视场角为水平160度，垂直90度，那么每个像素所对应的视场角为水平0.5度，垂直0.375度，每个像素对应一个方位角度，即通过面阵光电传感器的其中每个像素单元（光电传感器单元）在面阵光电传感器中所处的位置，来确定探测区域中物体的方位角度。

根据本申请的一个方面，提供了一种面阵光电传感探测系统。该面阵光电传感探测系统包括装置主体以及具有面阵光电传感器的探测装置。所述具有面阵光电传感器的探测装置固定设置于装置主体的下方或者能够向下探测的位置上。在其中的一个实施例中，所述装置主体为飞行器，探测装置设置于飞行器的下方，用于测量飞行器与地面间的直线距离或者垂直高度。该飞行器例如为无人机，在其中一实施例中为植保无人机。上述探测装置与飞行器中的飞行控制模块相连接，探测装置测量自身与地面间的直线距离或者垂直高度，将距离信息传输给飞行器的飞行控制模块，飞行控制模块控制飞行器的飞行高度。

在其中的一实施例中，面阵光电传感探测系统用于探测飞行器下方地面或者物体表面的各个位置相对于飞行器的距离信息。由于所述飞行器设置有面阵光电传感探测系统，该探测系统中具有面阵光电传感器，因而，能对飞行器下方的地面或者物体表面进行多点的同时探测。例如，采用M*N个像素的面阵光电传感器，可以同时探测到地面或者物体表面M*N个位置的不同位置信息，之后将该M*N个不同距离信息直接或者经过信号处理与控制模块的处理后传输给飞行器的飞行控制模块。

在其中的一实施例中，该面阵光电传感探测系统用于飞行器在降落过程中，对地面或者物体表面的探测。特别地，该飞行器垂直起降。在其他的实施例中，该面阵光电传感探测系统也可以用于固定翼飞行器降落过程中对地面情况的探测。

一种飞行器探测方法，具有面阵光电传感器的探测装置固定于飞行器上，并与飞行器中的飞行控制模块相连接，所述探测装置同时探测获得飞行器下方地面或者物体表面M*N个不同位置与飞行器间的距离信息，飞行器的飞行控制模块接收上述探测装置探测到的M*N个不同距离信息。飞行控制模块根据上述M*N个不同距离信息，判断飞行器下方的地面或者物体表面情况是否适合飞行器的降落。或者飞行器根据所述 M*N 个距离信息所获得的待降落区域的坡度，判断待降落区域是否适合飞行器降落。

其中，上述飞行控制模块判断飞行器下方的地面或者物体表面情况是否适合飞行器的降落的方法例如为：标准差。通过计算M*N个不同距离信息的标准差σ，根据飞行器的具体降落适用程度，设定标准差σ的大小。当M*N个不同距离信息的标准差σ小于一个设定值时，飞行器中的飞行控制模块判定可以进行降落，控制飞行器进行降落；当M*N个不同距离信息的标准差σ大于该设定值时，飞行器中的飞行控制模块判定飞行器不能进行降落。

在其他的实施例中，通过其他方式来判断飞行器下方的地面或者物体表面情况是否适合飞行器的降落。通过判断M*N个不同距离值的离散程度的方法，来判断地面的起伏程度大小，来判断是否适合飞行器降落。例如通过计算极差、方差、平均差或者变异系数等统计方法判断距离值的离散程度，当 M*N 个距离信息的极差、方差、或者平均差小于某个设定值时，飞行器中的飞行控制模块控制飞行器进行降落；当M*N 个距离信息的极差、方差、或者平均差大于某个设定值时，飞行控制模块判定飞行器不能进行降落。该参数根据飞行器所要求的地面起伏程度来设置。所述距离值为飞行器与待降落区域的直线距离值或者为垂直高度值。

在其中的一实施例中，如果所述地面或者物体表面是具有一定坡度的形状，还能够从所述具有面阵探测装置所获得的M*N个不同距离信息计算出坡度的大小。一种面阵光电传感探测方法，具有面阵光电传感器的探测装置固定于飞行器上，并与飞行器中的飞行控制模块相连接，所述探测装置同时探测获得飞行器下方地面或者物体表面（即待降落区域）M*N个不同位置与飞行器间的距离信息，飞行器的飞行控制模块接收上述探测装置探测到的M*N个不同距离信息。飞行控制模块根据上述M*N个不同距离信息，首先判断是相邻的传感器单元所探测的距离信息是否是连续变化，例如M*N个不同距离信息在某个方向上是不断增加或者减小，则判断飞行器下方的待降落区域是斜坡；根据M*N个不同距离信息计算坡度K的大小；将坡度K的大小与预先设定的飞行器降落对坡度L大小允许的值相对比；如果由探测装置探测到的坡度K的大小在飞行器允许的降落坡度L之内，则飞行控制模块控制飞行器降落；如果由探测装置探测到的坡度K的大小不在飞行器允许的降落坡度L之内，则飞行控制模块不进行对飞行器的降落控制。

探测装置直接得到的为探测装置与探测到的物体之间的直线距离S，通过三角换算关系，可以得到探测装置与探测到的物体的垂直高度H以及水平距离W。首先，已知面阵光电传感器的像素个数以及视场角度范围，即可获得每个像素点所探测位置物体与垂直地面方向间的夹角α，根据三角关系即可得到探测物体与探测装置的垂直高度H，即H=S*Cosα；以及探测物体与探测装置的水晶距离W，即W=S*Sinα。另外，探测装置视场角的控制可以通过探测装置安装在无人机上的角度以及通过探测装置的接收光学透镜来控制。

采用上述具有面阵光电传感器的探测装置，相对于现有技术中只能对地面进行单点探测的系统，能够更精确探测飞行器下方的地面或者物体表面的状态，例如坡度、是否崎岖不平等，根据具体的距离信息来判断是否适用于飞行器的降落。而单点探测系统，只能得到有限的一个距离信息，不能判断飞行器下方地面或者物体表面的坡度、形貌等，飞行器便不能根据探测装置采集到的距离信息判断是否适合飞行器的降落。

在上述的任意一实施例中，本申请基于飞行时间法的探测装置：由于采用基于TOF的测距技术，计算公式为：

其中，D为所计算的距离值，C为光在真空中的速度，f为调制信号的频率，DCS0~DCS3为信号采样幅值，发出的探测光为经过调制的矩形或者正弦信号。依据相位飞行时间法的测距装置，更有利于在室外等强太阳光下工作。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，在不冲突的情况下，本申请中的技术特征可以相互组合，可以有各种更改和变化。

Claims (8)

1.一种飞行器探测方法，其特征在于，在飞行器上设置有探测飞行器与待降落区域之间的距离信息的探测装置，其中，所述探测装置中包括具有M*N个探测单元的面阵光电传感器；所述探测装置探测得到飞行器与待降落区域之间的M*N个距离信息；飞行器根据所述M*N个距离信息的离散程度、或者飞行器根据所述M*N个距离信息所获得的带降落区域的坡度，判断待降落区域是否适合飞行器降落。

2.根据权利要求1所述的飞行器探测方法，其特征在于，飞行器根据所述M*N个距离信息的标准差，判断待降落区域是否适合飞行器降落；当M*N个距离信息的标准差小于设定值时，飞行器中的飞行控制模块控制飞行器进行降落；当M*N个距离信息的标准差大于设定值时，飞行控制模块判定飞行器不能进行降落。

3.根据权利要求1所述的飞行器探测方法，其特征在于，飞行器根据所述M*N个距离信息的极差、方差、或者平均差，当M*N个距离信息的极差、方差、或者平均差小于设定值时，飞行器中的飞行控制模块控制飞行器进行降落；当M*N个距离信息的极差、方差、或者平均差大于设定值时，飞行控制模块判定飞行器不能进行降落。

4.根据权利要求1所述的飞行器探测方法，其特征在于，飞行器根据所述M*N个距离信息所获得的待降落区域的坡度，判断待降落区域是否适合飞行器降落；

-通过比较M*N个距离信息在相同方向上是否连续增加或者减小，判断飞行器下方的待降落区域表面是否是斜坡；如果M*N个距离信息在相同方向上连续增加或者减小，则待降落区域为斜坡；

-根据M*N个距离信息计算坡度K的大小；将坡度K的大小与预先设定的飞行器降落对坡度L大小允许的值相对比；

-如果由探测装置探测到的坡度K的大小在飞行器允许的降落坡度L之内，则飞行器中的飞行控制模块控制飞行器降落；如果由探测装置探测到的坡度K的大小不在飞行器允许的降落坡度L之内，则飞行器中的飞行控制模块不进行对飞行器的降落控制。

5.根据权利要求1-4之一所述的飞行器探测方法，所述探测装置包括红外光发射模块、接收模块、以及信号处理与控制模块，红外光发射模块发出红外探测光，该红外探测光出射到待降落区域；红外探测光遇到待降落区域表面后被反射；接收模块收到被反射的红外探测光，接收模块将光信号转换为电信号；信号处理与控制模块依据接收模块转换的电信号计算所述飞行器与待降落区域之间的距离信息。

6.根据权利要求1-4之一所述的飞行器探测方法，其特征在于，所述探测装置依据相位飞行时间法计算飞行器与待降落区域之间的距离。

7.根据权利要求5所述的飞行器探测方法，其特征在于，所述接收模块或者所述信号处理与控制模块发送正弦或者方波调制信号到红外光发射模块，红外光发射模块中的红外光源发出经过方波或者正弦信号调制的红外探测光。

8.根据权利要求1所述的飞行器探测方法，其特征在于，所述探测装置探测得到飞行器与待降落区域之间的M*N个距离信息，所述距离信息为飞行器与待降落区域之间的M*N个直线距离或者垂直高度。