CN108287562B - 一种能自稳的无人机多传感器避障测距系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种能自稳的无人机多传感器避障测距系统，能够在无人机飞行过程中，根据无人机的飞行俯仰姿态对应调整测距模块，确保了测距模块始终朝向无人机的前进正前方向，提高了测距的准确性；而且本发明在测距失败出现短暂距离数据丢失的情况时能及时进行补偿，能够通过无人机的历史位移预估无人机与障碍物之间的距离是靠近还是远离，并在靠近时，进行避障。本发明还提供了一种能自稳的无人机多传感器避障测距方法。

Description

一种能自稳的无人机多传感器避障测距系统及方法
技术领域
本发明涉及无人机避障技术，具体涉及的是一种能自稳的无人机多传感器避障测距系统及方法。
背景技术
随着无人机技术的迅速发展，无人机已经广泛应用于航拍、测绘和物资运输投放等诸多领域。在无人机的飞行过程中，避障是一个至关重要的问题。目前无人机采用的避障方法主要是将超声波，双目，红外等测距模块直接固定于无人机前进方向，无人机前进过程中，会产生较大倾角，测距模块会因为与无人机固连而改变测试方向，当前方存在障碍时，会出现短暂的目标丢失，从而产生较大的测距误差或障碍物误判。
发明内容
为此，本发明的目的在于提供一种能自稳的无人机多传感器避障测距系统。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
一种能自稳的无人机多传感器避障测距系统，安装在无人机中心盘上，其特征在于，包括：舵机和控制处理器；
所述舵机与中心盘可拆卸固定连接，且舵机可保持与中心盘俯仰姿态同步的运动；
所述舵机的舵机转动轴上固定安装有距离测量模块，该距离测量模块可随舵机转动轴转动；
所述舵机控制器，与无人机中心盘连接，用于获取无人机中心盘的俯仰姿态信息，并产生与中心盘俯仰角度反向的补偿信息；
所述舵机控制器，与舵机连接，用于根据产生的俯仰角度反向补偿信息控制舵机转动轴随无人机中心盘的俯仰进行反向转动补偿，以确保距离测量模块始终指向无人机的正前方。
优选地，所述距离测量模块与控制处理器连接，用于实时探测飞行器与障碍物之间的距离信息并发送给控制处理器；
所述控制处理器用于选择探测的有效距离信息，并对应反馈给无人机飞行控制器，通过该无人机飞行控制器对无人机进行飞行避障控制。
优选地，所述距离测量模块包括双目测距传感器和激光测距传感器，且所述双目测距传感器和激光测距传感器通过一传感器安装腔与舵机转动轴固定连接。
另外，本发明的目的还在于提供一种能自稳的无人机多传感器避障测距方法，包括步骤：
获取无人机俯仰角度信息，并根据该俯仰信息对应对舵机进行反向补偿，以使距离测量模块始终指向无人机的正前方；
实时探测无人机飞行状态下的当前距离信息，并将所获取的距离信息反馈给无人机飞行控制器，以决定是否进行避让。
进一步地，获取无人机俯仰角度信息，并根据该俯仰信息对应对舵机进行反向补偿，包括：
通过控制处理器实时获取无人机俯仰角度信息，且在无人机低头时，对应向舵机发送与无人机低头角度反向对应角度的抬头指令，以及
在无人机抬头时，对应向舵机发送与无人机抬头角度反向对应角度的低头指令，以形成在水平方向对距离测量模块进行自稳定补偿。
进一步地，在所述实时探测无人机飞行状态下的当前距离信息之前，包括：
建立数据库，存储无人机飞行状态下避障时，距离测量模块探测到与障碍物之间的有效距离数据以及无人机飞行过程中的历史位移数据。
进一步地，实时探测无人机飞行状态下的当前距离信息，包括：
通过双目测距传感器和激光测距传感器实时探测无人机飞行状态下，无人机与前方障碍物之间的有效距离信息。
进一步地，无人机飞行状态下，通过双目测距传感器和激光测距传感器获取无人机前进方向上是否能够获取有效测量数据，如有，则判断无人机飞行前方存在障碍物，并同时将获取的有效测量数据发送给控制处理器，通过控制处理器比较从中选择出距离障碍物的最小距离，然后将该距离数据存储在数据库记录为避障有效测量数据，同时输出该避障有效测量距离给到无人机飞行控制器用于控制无人机避障。
进一步地，无人机飞行状态下，通过双目测距传感器和激光测距传感器获取无人机前进方向上是否能够获取有效测量数据，如无，则通过控制处理器对飞行器进行自稳定补偿，如补偿完成后，获取到有效测量距离，则判断飞行器前方有障碍物，并将获取的有效测量数据发送给控制处理器，通过控制处理器比较从中选择出距离障碍物的最小距离，然后将该距离数据存储在数据库记录为避障有效测量数据，同时输出该避障有效测量距离给到无人机飞行控制器用于控制飞行器避障；如补偿完成后，未获取到有效测量距离，则判断无人机飞行前方无障碍物，并输出无有效测量距离信息给控制处理器，通过控制处理器反馈给到无人机飞行控制器，保持当前飞行状态。
进一步地，无人机飞行状态下，通过双目测距传感器和激光测距传感器获取无人机前进方向上是否能够获取有效测量数据，如无，则记录最后一次测量距离，并通过控制处理器对飞行器进行自稳定补偿，如补偿失败，则根据无人机实测速度和航向计算机头方向速度的绝对值，并通过该绝对值判断无人机与最后一次测量距离之间的历史距离是否变大，如是，则将上述绝对值乘以更新时间加上最后一次测量距离，获取当前距离为与障碍物之间的测量距离，此时无人机远离障碍物；如否，则将最后一次测量距离减去上述绝对值乘以更新时间，获取当前距离为与障碍物之间的有效测量距离，此时无人机靠近障碍物，同时将有效测量距离通过控制处理器反馈给到无人机飞行控制器，用于控制无人机避障。
本发明提供的无人机避障测距系统，能够在无人机飞行过程中，根据无人机的飞行俯仰姿态对应调整测距模块，确保了测距模块始终朝向无人机的前进正前方向，提高了测距的准确性；而且本发明在测距补偿失败而出现距离数据丢失的情况时，能够通过无人机的历史位移预估无人机与障碍物之间的距离时靠近或者远离，并在靠近时，进行避障。
附图说明
图1为本发明自稳的无人机多传感器避障测距系统原理框图；
图2为本发明控制处理器对舵机进行自稳控制的原理图；
图3为本发明避障过程的数据处理流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
为了解决现有无人机飞行过程中，因测距模块与无人机固连而改变测试方向，存在较大测距误差而导致障碍物误判的问题，本发明提供了一种能自稳的无人机多传感器避障测距系统，以保证飞行过程中，无人机对障碍物的避让能准确可靠。
请参阅图1所示，图1为本发明自稳的无人机多传感器避障测距系统原理框图。其中该系统对应安装在无人机的中心盘上，其包括有：舵机、控制处理器和距离测量模块。
舵机上安装有舵机转动轴，而舵机转动轴上安装有传感器安装腔，距离测量模块包括有双目测距传感器和激光测距传感器，且双目测距传感器和激光测距传感器都安装在传感器安装腔上。
需要说明的是，本实施例中仅仅是以双目测距传感器和激光测距传感器两种距离传感器为例进行说明，而在一些实施例中也可以采用其他如超声波(声纳)距离感应器，红外距离传感器等。
舵机可与无人机的中心盘可拆卸固定连接，中心盘俯仰时，可实现舵机与其同步，而距离测量模块则随着舵机转动轴转动。
本实施例中控制处理器采用的是ARM COTEX-M控制处理器，其对应用于控制舵机工作以及控制舵机转动轴保持一定的角度转动，控制处理器分别与无人机中心盘和舵机连接，用于获取无人机中心盘的俯仰姿态信息，并产生与中心盘俯仰角度反向的补偿信息，对应控制舵机转动轴保持与无人机俯仰相反的角度进行转动补偿，以始终保持安装在舵机转动轴上的距离测量模块处于水平状态，而且始终指向无人机的正前方。
另外，本发明中的舵机可以固定在连接壳上，通过连接壳实现与中心盘的固定连接，从而保持与无人机一致的运动，距离测量模块安装腔体与舵机转动轴连接，当无人机出现俯仰角度上的转动时，控制处理模块可根据向舵机发送向相反方向转动相同角度的指令。
本发明使用时，可将整个距离测量模块的伸长件插入无人机中心盘提供的连接件，并通过螺钉进行固定，而预留的接口对应插入中心盘底座的接口，上电即可实现避障测距。
本发明在无人机上便捷拆装的前提下，能够实现自稳，实时测试无人机本身距离障碍物的水平实际距离，避免了测试距离不准确或者误判有无障碍物的情况。
如图2所示，图2为本发明控制处理器对舵机进行自稳控制的原理图。其中，控制处理器获取无人机的飞行俯仰姿态，然后对应控制自稳定舵机根据无人机的飞行状态进行自稳补偿，即当无人机低头时，控制处理器控制舵机的转动轴向抬头方向转动，此时安装在转动轴上的距离测量模块对应沿抬头方向补偿对应的角度，实际上距离测量模块还是处于水平状态；而当无人机抬头时，测距模块发生低头动作，从而保持测距模块的指向始终指向无人机的正前方。
由于距离测量模块始终是处于指向无人机的正前方的，因此不论无人机是抬头还是低头都不影响距离测量模块对前方障碍物的距离测量，而来自双目测距传感器和激光测距传感器的测量数据对应发送给了控制处理器，通过控制处理器进行分析处理后发送给了无人机飞控，通过无人机飞控对应对无人机的飞行进行控制，如前方有障碍物则对应进行避让。
因此，本发明能够在无人机飞行过程中，根据无人机的飞行俯仰姿态对应调整测距模块，始终保持与无人机飞行姿态一致，确保了测距模块始终朝向无人机的前进正前方向，实现了测距的准确性。
如图3所示，图3为本发明避障过程的数据处理流程图。本发明还提供了一种能自稳的无人机多传感器避障测距方法，其主要包括步骤：
首先需要建立一个数据库，用于存储无人机飞行状态下避障时，距离测量模块探测到与障碍物之间的有效距离数据以及无人机在飞行过程中的历史位移数据。
其次，在无人机飞行状态时，实时探测无人机飞行状态下的当前距离信息，并将所获取的距离信息反馈给无人机飞行控制器，以决定是否进行避让。
其中，在实时探测无人机飞行状态下的当前距离信息时，需要判断无人机飞行前进方向上双目测距传感器和激光测距传感器是否有检测到有效距离数据。
如果双目测距传感器和激光测距传感器在无人机飞行前进方向上有检测到有效距离数据，则将二者检测到有效距离数据都发送给控制处理器，通过控制处理器进行判断分析，看那个数据是最小的(即判断那个障碍物最靠近无人机)，并将该最小的数据识别为有效测量数据，并对应存储到数据库中，而与之同时，控制处理器对应把该有效距离数据输出到无人机飞控，通过无人机飞控对无人机的飞行状态进行调整，躲避障碍物。
如果双目测距传感器和激光测距传感器在无人机飞行前进方向上没有检测到有效距离数据有检测到有效距离数据，则可能存在以下几种情况：
一、无人机飞行正常，前方无障碍物，此时输出的测量数据为无效数据(因为测量不到障碍物与无人机之间的距离)，对应地，控制处理器将无效数据发送给无人机飞控，而无人机飞控对应控制无人机保持当前状态进行飞行。
二、无人机因飞行姿态变化，而导致出现了距离测量模块未能及时补偿，而保持处于无人机飞行前进状态，此时，需要获取无人机俯仰角度信息，并根据该俯仰信息对应对舵机进行反向补偿，以使距离测量模块始终指向无人机的正前方。具体则通过控制处理器可以对应实时获取无人机俯仰角度信息，且在无人机低头时，对应向舵机发送与无人机低头角度反向对应角度的抬头指令，以及在无人机抬头时，对应向舵机发送与无人机抬头角度反向对应角度的低头指令，以形成在水平方向对距离测量模块进行自稳定补偿。
当补偿完成之后，则可以通过双目测距传感器和激光测距传感器实时探测无人机飞行状态下，无人机与前方障碍物之间的有效距离信息，以判断飞行器前方有障碍物；此时可将获取的有效测量数据发送给控制处理器，通过控制处理器比较从中选择出距离障碍物的最小距离，然后将该距离数据存储在数据库记录为避障有效测量数据，同时输出该避障有效测量距离给到无人机飞行控制器用于控制无人机避障。
三、无人机因飞行姿态变化，而距离测量模块补偿失败或者超时，此时如果前方存在障碍物，则十分危险，不能有效进行躲避，此时根据记录的最后一次测量距离，并将无人机实测速度和航向计算机头方向速度的绝对值作为运动速度，并通过历史距离的变化趋势估计当前是否在远离障碍物，如是，则将上述绝对值乘以更新时间加上最后一次测量距离，获取当前距离为与障碍物之间的测量距离，此时无人机远离障碍物；如否，则将最后一次测量距离减去上述绝对值乘以更新时间，获取当前距离为与障碍物之间的有效测量距离，此时无人机靠近障碍物，同时将有效测量距离通过控制处理器反馈给到无人机飞行控制器，用于控制无人机避障。对于采集到的数据信息，如果出现距离数据瞬间丢失的情况，通过无人机的历史位移预估当前属于靠近障碍物或远离障碍物的状态，并通过无人机实测速度对该情况下位移进行补偿，保证与障碍物之间位移数据的连续性。
综上所述，本发明在测距补偿失败时，出现距离数据丢失的情况时，能够通过无人机的历史位移预估无人机与障碍物之间的距离时靠近或者远离，并通过无人机实测速度对该情况下的位移进行补偿，以保证无人机与障碍物之间位移数据的连续性，并在无人机靠近障碍物时，进行有效避障。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种能自稳的无人机多传感器避障测距方法，其特征在于，包括安装在无人机中心盘上的舵机和控制处理器；所述舵机与中心盘可拆卸固定连接，且舵机可保持与中心盘俯仰姿态同步运动；所述舵机的舵机转动轴上固定安装有距离测量模块，该距离测量模块可随舵机转动轴转动；所述控制处理器，与无人机中心盘连接，并产生与中心盘俯仰角度反向的补偿信息；所述控制处理器，与舵机连接；其中所述避障测距方法包括：建立数据库，存储无人机飞行状态下避障时，距离测量模块探测到与障碍物之间的有效距离数据以及无人机飞行过程中的历史位移数据；无人机飞行状态下，通过双目测距传感器和激光测距传感器获取无人机前进方向上是否能够获取有效测量数据，如有，则判断无人机飞行前方存在障碍物，并同时将获取的有效测量数据发送给控制处理器，通过控制处理器比较从中选择出距离障碍物的最小距离，然后将该距离数据存储在数据库记录为避障有效测量数据，同时输出该避障有效测量距离给到无人机飞行控制器用于控制无人机避障；无人机飞行状态下，通过双目测距传感器和激光测距传感器获取无人机前进方向上是否能够获取有效测量数据，如无，则通过控制处理器对飞行器进行自稳定补偿，如补偿完成后，获取到有效测量距离，则判断飞行器前方有障碍物，并将获取的有效测量数据发送给控制处理器，通过控制处理器比较从中选择出距离障碍物的最小距离，然后将该距离数据存储在数据库记录为避障有效测量数据，同时输出该避障有效测量距离给到无人机飞行控制器用于控制飞行器避障；如补偿完成后，未获取到有效测量距离，则判断无人机飞行前方无障碍物，并输出无有效测量距离信息给控制处理器，通过控制处理器反馈给到无人机飞行控制器，保持当前飞行状态；无人机飞行状态下，通过双目测距传感器和激光测距传感器获取无人机前进方向上是否能够获取有效测量数据，如无，则记录最后一次测量距离，并通过控制处理器对飞行器进行自稳定补偿，如补偿失败，则根据无人机实测速度和航向计算机头方向速度的绝对值，并通过该绝对值判断无人机与最后一次测量距离之间的历史距离是否变大，如是，则将上述绝对值乘以更新时间加上最后一次测量距离，获取当前距离为与障碍物之间的测量距离，此时无人机远离障碍物；如否，则将最后一次测量距离减去上述绝对值乘以更新时间，获取当前距离为与障碍物之间的有效测量距离，此时无人机靠近障碍物，同时将有效测量距离通过控制处理器反馈给到无人机飞行控制器，用于控制无人机避障。
2.如权利要求1所述的能自稳的无人机多传感器避障测距方法，其特征在于，
所述距离测量模块与控制处理器连接，用于实时探测飞行器与障碍物之间的距离信息并发送给控制处理器；
所述控制处理器用于选择探测的有效距离信息，并对应反馈给无人机飞行控制器，通过该无人机飞行控制器对无人机进行飞行避障控制。
3.如权利要求2所述的能自稳的无人机多传感器避障测距方法，其特征在于，所述距离测量模块包括双目测距传感器和激光测距传感器，且所述双目测距传感器和激光测距传感器通过一传感器安装腔与舵机转动轴固定连接。
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