CN107885227A - 一种无人机自动避障方法 - Google Patents

Abstract

一种无人机自动避障方法，所述无人机包括无人机机体和红外传感器，所述无人机机体的前侧和左右两侧均设有红外传感器，所述无人机设有自动模式、一键返航模式、手动模式和运动模式，所述无人机自动避障在自动模式或一键返航模式下进行，所述无人机避障方法包括以下步骤：S1：开启无人机自动模式或一键返航模式；S2：红外传感器检测无人机与周围障碍物的距离；S3：无人机自动避障。本发明通过在容易碰撞的侧面设置红外传感器的设置，能够减少无人机发生碰撞的风险，使飞行过程更加安全、稳定。通过将飞行模式分类，使无人机根据不同的模式采用不同的避障方法，简化了避障程序，从而能够实现不同模式下的准确避障。

Description

一种无人机自动避障方法

技术领域

本发明专利属于无人机自动控制方法及其装置技术领域，尤其涉及一种无人机自动避障方法。

背景技术

得益于传感器、执行机构、处理器等技术的进步以及相关成本的减少，结合这部分的优点，使得半自动和全自动的多旋翼飞行器的建造成为可能。无人机控制技术的研究是目前国内外各无人机研发公司以及大学、研究机构的关注热点之一，如口袋无人机、自主避让跳舞无人机等，都使得无人机在小型化、智能化、自动控制精度化上迈向了一个很高的台阶，而且现有无人机也广泛深入到军事、民用等各个领域，例如自拍并同步发送朋友圈、航拍摄影、工厂高处设备运行状况巡查、电力巡检、环境监测、森林防火、灾情巡查、防恐救生、军事侦察、战场评估等领域，随着无人机的逐步深入，大大降低了过去航拍时的成本以及危险环境作业下对操作人员的伤害带来的无法估量的损失，其有效克服了有人驾驶飞机空中作业的不足，降低了购买与维护成本，提高了运载工具的安全性。

随着消费级无人机技术的不断成熟，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项损失，目前避障能力正逐渐成为了无人机自动化或智能化的关键点所在。而如何实现无人机自动避障，首先要实现的是如何精确的测量无人机与障碍物之间的距离，只有先测量出危险范围内的距离，才可以有时间在撞向障碍物之前停止无人机的前进动作，进而避免事故的发生。

而如何实现无人机自动避障，首先要实现的是如何精确的测量无人机与障碍物之间的距离，只有先测量出危险范围内的距离，才可以有时间在撞向障碍物之前停止无人机的前进动作，进而避免事故的发生。

红外或激光测距又称TOF，是利用传感器发射一定频率的信号，通过计算反射信号与原信号之间的相位差来确定信号的飞行时间，并最终确定的无人机与障碍物之间的距离，该技术一旦达到高等级，还可以获得障碍物的深度图像。TOF 的工作原理和超声波测距避障原理很相似，最大的不同就是把超声波换成了红外线或者激光，该技术检测方法有两种：一种是光的时间，另一种是光的相位。但不管是哪种方法，其都是把光发射出去，然后检测反射回来的光，进而判断无人机的周围是否有障碍物，从而知道障碍物距离多少。红外避障技术，技术成熟，成本较低，因此红外传感器被广泛用于无人机中。但现有技术中无人机设置的红外避障方法不合理，存在很多缺陷，使得很多情况下通过红外自动避障过程中出现避障失败，造成无人机损坏，造成用户损失，另外也有现有技术在红外避障的基础上增加GPS定位、光流定位以及声波定位等技术，在很大程度上增加了使用成本，且多个装置的使用，也增加了整体耗能，缩减了电池使用时间。

发明内容

本发明的目的在于提供一种无人机通过红外传感器实现自动避障的方法，该方法步骤简单，能针对不同的飞行模式准确避障。

为了解决上述问题，本发明提供一种无人机自动避障方法，所述无人机包括无人机机体和红外传感器，所述无人机机体的前侧和左右两侧均设有红外传感器，所述无人机设有自动模式、一键返航模式、手动模式和运动模式，所述无人机自动避障在自动模式或一键返航模式下进行，所述无人机避障方法包括以下步骤：

S1：开启无人机自动模式或一键返航模式；

S2：红外传感器检测无人机与周围障碍物的距离；

S3：无人机自动避障。

所述无人机主要针对小型多旋翼无人机，由于体积较小，设置过多的定位或者避障设备会影响无人机的整体性能，因此，本发明通过设置多种模式的避障方案实现安全避障。

所述无人机设有主控制板，所述红外传感器包括红外发射器、红外接收器以及红外控制板，所述红外发射器和红外接收器分别与红外控制板电连接，所述红外控制板与主控制板电性连接，所述红外控制板将红外探测结果传输给主控制板，所述主控制板再根据信号控制无人机实现避障功能。所述主控制板用于控制整个无人机各个电动元件的相互配合。且为了实现无人机多个方向的避障，全面保护无人机，所述无人机的前侧、左右两侧以及底部均设有红外传感器。由于无人机在飞行过程中，最容易出现碰撞的位置集中在前侧、左右两侧以及下降时的底部，因此，本发明通过在容易碰撞的侧面设置红外传感器的设置，能够减少无人机发生碰撞的风险，使飞行过程更加安全、稳定。

本发明无人机设置有多种飞行模式，在自动模式下能实现自动起飞，自动起飞的高度默认为2~4m，当无人机通电后，首次飞行均默认为自动模式，在自动模式下，有定高、定点、刹车功能，飞行速度较慢，一般≤5m/s。若GPS信号不好或没有信号时，在自动模式下只能定高，而不会定点；当不需要自动模式时，用户可通过遥控器进行选择性切换。自动模式下可实现无人机的自动避障功能，无人机根据自身检测结果进行判定，实现避障，不需要其他避障功能元件的配合，从整体上节约了成本，简化了避障方法。

所述运动模式下，有定高、定点和刹车功能，飞行速度较快，但一般也会≤10m/s。若GPS信号不好或没有信号时，在运动模式下只能定高，而不会定点；当用户想切换到其他模式时，同样可通过遥控器进行选择性切换，在运动模式下也为用户通过遥控器对无人机进行操控，因此无法实现无人机的自动避障。所述手动模式为完全靠用户在手机APP和/或遥控器上进行操控，在手动模式下，无人机无法实现自动避障。

所述一键返航模式用于无人机在飞行过程中回到初始位置，当无人机进入一键返航时，用户最好不要动其他开关和按键，防止无人机指令交叉，导致失误；本发明中，当无人机丢失遥控器信息后会自动进入失控返航；当无人机电池电压过低且无人机与所需返航位置水平距离大于30m时，无人机会自动返航；若无人机与所需返航位置水平距离小于30m时，飞行器将会从当前位置自动降落。当GPS信号不正常或GPS不工作时，无法实现返航，但会自动降落。如果在返航过程中，用户想取消返航，需要切换飞行模式。

由于运动模式和手动模式下，无人机的飞行状态都是由用户进行操控的，因此所述无人机自动避障功能只能在自动模式和一键返航模式下进行。

因此，开启自动模式或者一键返航模式即可实现自动避障。当开启无人机自动模式或一键返航模式后，所述红外发射器和红外接收器检测无人机与周围障碍物的距离，由于不同模式下，无人机的飞行速度也有差异，因此针对不同的模式，避障方式也不同。通过将飞行模式分类，使无人机根据不同的模式采用不同的避障方法，简化了避障程序，从而能够实现不同模式下的准确避障。

进一步的，所述步骤S1中，所述自动模式包括自动模式的悬停状态，所述无人机处于自动模式的悬停状态时，所述步骤S2中，所述无人机的前侧和左右两侧的红外传感器检测障碍物距离小于0.8~1.2m时，所述无人机朝反方向飞行自动避障。

本发明所述的无人机除了设置了自动避障功能，还设置了自动悬停功能，因此在自动模式下，可以有两种飞行状态，即自动模式下的悬停状态和自动模式下的飞行状态，同样的，不同的飞行状态，无人机飞行速度不同，因此避障方法也不同，因此将自动模式分成两种飞行状态，不同的飞行状态针对的避障方法也不一样，这样可以使避障更加具有针对性，避免了所有的飞行状态都用同一种避障方法可能引发的危险。

当处于自动模式的悬停状态时，当机身发生偏移时能够自动恢复至原来的位置，这种情况下，无人机自动避障主要针对由于机身不稳定偏移需要进行避障，由于此时无人机基本没有前进或移动的速度，因此本发明设置当无人机的前侧和左右两侧的红外传感器检测障碍物距离小于0.8~1.2m时，所述无人机朝反方向飞行自动避障，即当无人机前方红外传感器检测到障碍物距离小于0.8~1.2m时，最优设计为小于1m时，无人机会向后进行避障。同样，左侧或右侧避障为当无人机左侧或右侧红外传感器检测到障碍物距离小于0.8~1.2m时，最优设计为小于1m时，无人机会向右侧或左侧进行避障。

另外一种情况，即两面或三面同时检测到障碍物距离小于设定避障距离时，在自动悬停模式下，所述无人机会朝感应不到障碍物的方向运动。因此多方面避障的设计，能够针对飞行过程中的各种情况，灵活应对，使无人机能够实现全方位的避障，保证了无人机在飞行过程中的安全，增加了产品的可靠性。

进一步的，所述自动模式还包括自动模式的飞行状态，所述无人机处于自动模式的飞行状态时，所述步骤S3中，所述无人机自动避障包括自动减速步骤和停止前进步骤。

所述自动模式除了悬停状态还有飞行状态，飞行状态下避障，由于外界环境的复杂多样，需要更多的限制才能保证飞行状态下的自动避障。无人机在自动模式的飞行状态又包括至少两种不同的模式：锁定模式和跟随模式。

所述锁定模式为：用户根据预先设定需要锁定的目标后，此后无人机的位置不会变，处于自动悬停状态，但是云台会根据锁定目标位置的变化实现航向锁定，这种情况下，无人机的飞行位置不会有太大的变化。所述跟随模式为：用户先设定需要跟随的目标，此时无人机的位置和航向均锁定跟随目标，此时无人机高度保持不变，但位置会随着跟随目标的位置而变化。

针对自动模式的飞行状态，由于是动态的状态，因此本发明在无人机自动避障增设了自动减速步骤和停止前进步骤。当无人机的前方或者左右侧的红外检测器检测到距离障碍物一定距离时，所述无人机自动减速继续移动，当继续移动至警戒距离时，所述无人机停止继续前进，即使跟随目标继续移动也不会继续前进。因此在自动跟随过程中，无人机会根据当前环境灵活避障，且增加的避障步骤可以有一定的缓冲时间，特别针对跟随目标速度较快时，避障更加准确，也更加安全。

进一步的，所述无人机自动减速步骤为所述无人机的前侧和/或左右两侧的红外传感器检测障碍物距离小于4~8m时，所述无人机自动减速。

针对减速步骤中，设置一个缓冲距离用于减速，所述缓冲距离为当无人机的前侧和/或左右两侧的红外传感器检测障碍物距离小于4~8m时，所述无人机自动减速，针对快速运动的跟随目标，设置4~8米，使无人机有足够的反应时间和减速时间，优选的，设置5米的安全距离。

进一步的，所述无人机的停止前进步骤为所述无人机的前侧和/或左右两侧的红外传感器检测与障碍物距离小于2~4m时，所述无人机停止前进。

所述无人机设有跟随过程中的警戒距离，当无人机在跟随过程中与障碍物距离首先小于安全距离时，无人机会减速行驶，当无人机继续前进后，与障碍物距离小于警戒距离时，无人机停止前进，悬停在警戒距离外。为了进一步保证无人机的行驶安全，所述警戒距离设置为2~4m，所述无人机会停止前进，悬停在停止前进的位置，优选的，所述警戒距离设置为2.5m。

进一步的，所述无人机处于一键返航状态时，所述无人机自动避障还包括自动上升步骤。

由于一键返航状态为无人机汇报设置的返航点位置，在返航过程中，遇到障碍物就需要无人机自动检测和移动避让，因此需要考虑到不同情形下的避障。为了避免在一键返航过程中可能遇到高大建筑物或其他较高的障碍物，因此如果单纯采用减速或停止，无人机也无法实现回到返航点，因此本发明设置在意见返航状态下遇到障碍物时，有一个上升的步骤，所述上升的距离可根据不同的环境进行设置，如果是在空旷，没有高大障碍物的场地进行飞行时，可将上升距离设置小一些，当飞行环境有较多的高的障碍物时，可以设置上升高度为估计的当前环境最高的障碍物的高度，由于该高度可以灵活设置，用户可以根据不同的环境进行设置，因此更加人性化，也更加方便用户使用。

进一步的，所述无人机自动上升步骤为无人机的前侧的红外传感器检测与障碍物距离小于7~9m时，所述无人机先自动上升90~110m后再继续往返航方向飞行。

由于在一键返航状态下，无人机一直处于前进状态，因此在一键返航模式下时，只有无人机前侧的红外传感器发挥作用，在一键返航模式下避障时，同样设置了避障的安全距离，因此当无人机前侧的红外传感器检测到距离障碍物超过安全距离时，就会上升，通过上升一定的高度，避过障碍物，再继续前进。本发明设置所述安全距离为7~9米，优选的为8m，当无人机与障碍物距离小于8m时，所述无人机便自动上升，为了能够避过一般情形下的所有障碍物，本发明设置上升高度为 90~110m，优选的为100m，上升至100m高度后，所述无人机继续向前飞行实现避障。

另外一种情况为，当无人机与障碍物距离小于安全距离时，所述无人机便自动上升，在上升过程中，前侧红外传感器继续监测，当前侧红外传感器监测不到障碍物时，便停止上升，继续前进，当前进过程中再次遇到障碍物时，同样的，无人机继续上升，且前方红外传感器继续检测，当检测不到障碍物时又继续前进。这种方式更加灵活，不需要一次性升高至最高高度，而是逐步上升，分多次进行避障，由于上升过程会消耗很多电量，因此逐步上升也能够最大程度上节约电量，更加节能。

进一步的，所述一键返航模式设有返航点，所述无人机由于避障自动上升后，继续飞行至返航点上方，再垂直降落至返航点。

所述返航点为无人机进入一键返航模式后需要返航的位置，一般返航点为使用者所处位置，在一键返航避障过程中，无人机由于避障自动上升后，继续飞行至返航点上方，再垂直降落至返航点。这种方式能够防止无人机在下降过程中遇到新的障碍物，保证了无人机的稳定返航。

本发明的有益效果

（1）由于无人机在飞行过程中，最容易出现碰撞的位置集中在前侧、左右两侧以及下降时的底部，因此，本发明通过在容易碰撞的侧面设置红外传感器的设置，能够减少无人机发生碰撞的风险，使飞行过程更加安全、稳定。

（2）自动模式下可实现无人机的自动避障功能，无人机根据自身检测结果进行判定，实现避障，不需要其他避障功能元件的配合，从整体上节约了成本，简化了避障方法。

（3）通过将飞行模式分类，使无人机根据不同的模式采用不同的避障方法，简化了避障程序，从而能够实现不同模式下的准确避障。

（4）不同的飞行状态针对的避障方法也不一样，这样可以使自动避障更加具有针对性，避免了所有的飞行状态都用同一种避障方法可能引发的危险。

（5）在自动跟随过程中，无人机会根据当前环境灵活避障，且增加的避障步骤可以有一定的缓冲时间，特别针对跟随目标速度较快时，避障更加准确，也更加安全。

（6）不同模式下避障方式不同，本发明通过多种模式的设计，更加贴合实际，能够应对应用中各种情况下的避障。

附图说明

图1为本发明无人机自动避障方法示意图。

图2为本发明自动模式下避障方法示意图。

图3为本发明自动模式的飞行状态下避障方法示意图。

图4为本发明一键返航模式下避障方法示意图。

具体实施例

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

实施例1

如图1所示，一种无人机自动避障方法，所述无人机包括无人机机体和红外传感器，所述无人机机体的前侧和左右两侧均设有红外传感器，所述无人机设有自动模式、一键返航模式、手动模式和运动模式，所述无人机自动避障在自动模式或一键返航模式下进行，所述无人机避障方法包括以下步骤：

S1：开启无人机自动模式或一键返航模式；

S2：红外传感器检测无人机与周围障碍物的距离；

S3：无人机自动避障。

进一步的，如图2所示，所述步骤S1中，所述自动模式包括自动模式的悬停状态，所述无人机处于自动模式的悬停状态时，所述步骤S2中，所述无人机的前侧和左右两侧的红外传感器检测障碍物距离小于1m时，所述无人机朝反方向飞行自动避障。

进一步的，如图2所示，所述自动模式还包括自动模式的飞行状态，所述无人机处于自动模式的飞行状态时，所述步骤S3中，所述无人机自动避障包括自动减速步骤和停止前进步骤。

进一步的，如图3所示，所述无人机自动减速步骤为所述无人机的前侧和/或左右两侧的红外传感器检测障碍物距离小于5m时，所述无人机自动减速。

进一步的，如图3所示，述无人机的停止前进步骤为所述无人机的前侧和/或左右两侧的红外传感器检测与障碍物距离小于2.5m时，所述无人机停止前进。

进一步的，所述无人机处于一键返航状态时，所述无人机自动避障还包括自动上升步骤。

进一步的，如图4所示，所述无人机自动上升步骤为无人机的前侧的红外传感器检测与障碍物距离小于8m时，所述无人机先自动上升100m后再继续往返航方向飞行。

进一步的，如图4所示，所述一键返航模式设有返航点，所述无人机由于避障自动上升后，继续飞行至返航点上方，再垂直降落至返航点。

实施例2

本实施例与实施例1的不同之处在于，所述无人机处于自动模式的悬停状态时，所述步骤S2中，所述无人机的前侧和左右两侧的红外传感器检测障碍物距离小于0.8m时，所述无人机朝反方向飞行自动避障。

所述无人机自动减速步骤为所述无人机的前侧和/或左右两侧的红外传感器检测障碍物距离小于8m时，所述无人机自动减速。

进一步的，如图3所示，述无人机的停止前进步骤为所述无人机的前侧和/或左右两侧的红外传感器检测与障碍物距离小于4m时，所述无人机停止前进。

进一步的，所述无人机自动上升步骤为无人机的前侧的红外传感器检测与障碍物距离小于9m时，所述无人机先自动上升110m后再继续往返航方向飞行。

实施例3

本实施例与实施例1的不同之处在于，所述无人机自动上升步骤为无人机的前侧的红外传感器检测与障碍物距离小于7m时，所述无人机先自动上升，此时前方的红外检测器继续监测至前方无障碍物时，停止上升，继续向前飞行，当再次遇到障碍物时，同样前侧的红外传感器检测与障碍物距离小于7m时，所述无人机又开始自动上升，此时前方的红外检测器继续监测至前方无障碍物时，停止上升，继续向返航位置飞行，最终到达返航点上方，再垂直下降至返航点。

以上实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照以上较佳实施方式对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或等同替换都不应脱离本发明技术方案的精神和范围。本领域技术人员还可在本发明精神内做其它变化等用在本发明的设计，只要其不偏离本发明的技术效果均可。这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。

Claims (8)

1.一种无人机自动避障方法，所述无人机包括无人机机体和红外传感器，所述无人机机体的前侧和左右两侧均设有红外传感器，其特征在于，所述无人机设有自动模式、一键返航模式、手动模式和运动模式，所述无人机自动避障在自动模式或一键返航模式下进行，所述无人机避障方法包括以下步骤：

S1：开启无人机自动模式或一键返航模式；

S2：红外传感器检测无人机与周围障碍物的距离；

S3：无人机自动避障。

2.根据权利要求1所述的无人机自动避障方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述自动模式包括自动模式的悬停状态，所述无人机处于自动模式的悬停状态时，所述步骤S2中，所述无人机的前侧和左右两侧的红外传感器检测障碍物距离小于0.8~1.2m时，所述无人机朝反方向飞行自动避障。

3.根据权利要求1~2任一项所述的无人机自动避障方法，其特征在于，所述自动模式还包括自动模式的飞行状态，所述无人机处于自动模式的飞行状态时，所述步骤S3中，所述无人机自动避障包括自动减速步骤和停止前进步骤。

4.根据权利要求3所述的无人机自动避障方法，其特征在于，所述无人机自动减速步骤为所述无人机的前侧和/或左右两侧的红外传感器检测障碍物距离小于4~8m时，所述无人机自动减速。

5.根据权利要求3所述的无人机自动避障方法，其特征在于，所述无人机的停止前进步骤为所述无人机的前侧和/或左右两侧的红外传感器检测与障碍物距离小于2~4m时，所述无人机停止前进。

6.根据权利要求1所述的无人机自动避障方法，其特征在于，所述无人机处于一键返航状态时，所述无人机自动避障还包括自动上升步骤。

7.根据权利要求6所述的无人机自动避障方法，其特征在于，所述无人机自动上升步骤为无人机的前侧的红外传感器检测与障碍物距离小于7~9m时，所述无人机先自动上升90~110m后再继续往返航方向飞行。

8.根据权利要求7所述的无人机自动避障方法，其特征在于，所述一键返航模式设有返航点，所述无人机由于避障自动上升后，继续飞行至返航点上方，再垂直降落至返航点。