CN108427435A - 一种智能避障装置及其应用的无人机 - Google Patents

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曾志彬
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Abstract

本发明提供了一种智能避障装置及其应用的无人机。该智能避障装置包括：测距传感器，接收机，pwm转ppm模块，单片机和飞控。本发明的无人机智能避障装置可以根据飞行速度自动调节避障范围，该装置提高无人机的飞行速度，其避障范围也相应增大；降低无人机的飞行速度，其避障范围也相应减小，使得无人机对飞行环境有着更高的适应性，能在狭窄的环境中正常工作。该装置还可以实现改变无人机的飞行速度，不仅可以使得四个方向的避障范围都能同比例地自动增大或减小，而且可以只是改变飞行方向上的避障距离，却让其他三个方向保持着最小避障距离，使得避障无人机在通过巷道环境时，能很好地提高飞行速度，而不会对两侧的墙体产生非正常的避障效应。

Description

一种智能避障装置及其应用的无人机
技术领域
本发明涉及无人机领域，更具体地，涉及一种智能避障装置及其应用的无人机。
背景技术
无人机作为一种新工具，能很好代替人去执行任务，如送快递、侦查监测等，人们希望无人机在执行任务时能够自我保护，因此自动避障技术成为了无人机领域发展的热点。然而，现有的无人机的避障范围是固定的，而且该固定的避障距离一般在3米以上，包括大疆无人机、intel无人机等品牌，避障距离被设定为固定值，对飞行器的使用环境有着局限性，例如不能在小于避障范围的环境中正常工作，否则在这些环境中飞行器的某两个相对方向的避障效应会造成飞行不稳定，存在因避障距离固定且较大而不能在狭窄的环境中正常工作的问题。
因此，提供一种可以灵活自动调整避障范围的无人机智能避障装置对于无人机的实际应用具有非常重要的作用，对于改善无人机的应用效果具有很好的促进作用。
发明内容
本发明旨在克服现有技术中无人机避障范围固定，且避障范围较大的不足，提供一种智能避障装置。
本发明的目的在于提供一种应用该装置的无人机。
本发明上述目的通过以下技术方案实现：
一种智能避障装置，包括：
包括测距传感器、接收机、pwm转ppm模块、单片机、飞控和程序模块，
其中所述测距传感器用于探测无人机四个方向与障碍物之间的距离；所述接收机用于接收无人机的影响飞行速度的pwm信号数值；所述pwm转ppm模块用于根据飞行速度确定避障距离，所述单片机用于数据处理；
其连接结构为所述测距传感器连接所述单片机、所述单片机和接收机分别连接所述pwm转ppm模块，所述pwm转ppm模块连接所述飞控，
所述程序模块包括步骤：
S1. 无人机飞行过程中，单片机采集测距传感器实时探测前方障碍物的距离，传输给pwm转ppm模块；
S2. 接收机接收影响飞行速度的pwm信号数值，传输给pwm转ppm模块；
S3. pwm转ppm模块读取的影响飞行速度的pwm信号数值，并根据比例算法运算得到避障距离；
S4. pwm转ppm模块根据避障距离和和来自单片机的障碍物的距离，进行比较运算，判断是否对飞行安全构成了威胁，并输出智能避障飞行信息；
S5. 飞控接收pwm转ppm模块的智能避障飞行信息，输出电信号控制电机转动，调整无人机智能避障飞行。
本发明的pwm转ppm模块对无人机飞行时地面给出的飞行速度信息进行比例算法计算出与飞行速度相匹配的避障距离，并通过与实际障碍物距离比较输出电信号控制无人机飞行，可以很好的根据无人机作业时的实际飞行速度和实际环境条件情况自动调节其避障范围，提高无人机的飞行速度，其避障范围也相应增大，以保证足够的避障距离，避免高速飞行时发生避障距离不足的现象；降低无人机的飞行速度，其避障范围也相应减小，使得无人机对飞行环境有着更高的适应性，解决了某些无人机因避障距离固定且较大而不能在狭窄的环境中正常工作的问题。
优选地，所述测距传感器为激光测距传感器。
优选地，所述单片机为具有五个串口的ARM单片机。
其中，避障装置各部件的连接方法优选为：
所述接收机的通道一CH1至通道八CH8的信号线分别与pwm转ppm模块的PA4、PA5、PB10~14和PA8电连接；所述测距传感器的接口为TX和RX接口，4个测距传感器的TX接口分别与单片机的USART_RX2~5接口电连接、RX接口分别与单片机的的USART_TX2~5接口电连接，进行串口通信；所述pwm转ppm模块的USART_TX2和USART_RX2接口分别与单片机的USART_RX1和USART_TX1接口电连接，进行串口通信；所述pwm转ppm模块的PA12引脚与飞控的ppm信号输入引脚电连接。
通过pwm转ppm模块实现把八路pwm值转成一路pwm值，即八个不同通道的PWM值合并为一个数组形式，便于数据传送。
优选地，S3中所述比例算法的计算公式为BZ=（|MC - 1400|max）/6，其中BZ为避障距离，MC为影响飞行速度的pwm信号数值，包括pwm_end0和pwm_end1，所述pwm_end0为接收机第一通道的飞行速度pwm信号数值，为左右方向的飞行速度；所述pwm_end1为接收机第二通道的飞行速度pwm信号数值，为前后方向的飞行信息；1400为pwm信号数值变化的基准值；|MC - 1400|max为四个方向中的pwm最大变化值；6为比例因子，是|MC - 1400|max与BZ的比值。
|MC-1400|max代表某一时刻脉冲量最大差值，用最大绝对值表示，该值越大说明飞行器在某一方向的飞行速度越大。 当飞行器往某个方向飞行时，脉冲量会相对基准值1400变化，考虑其它方向存在脉冲量的波动情况，因此要选择脉冲量最大差值。例如先计算pwm_end0 – 1400和pwm_end1 – 1400的绝对值，即| pwm_end0 – 1400|和| pwm_end0 – 1400|，然后对两者进行比较，择取其中最大值，并初步选定了方向，若| pwm_end0 – 1400| > |pwm_end1 – 1400|，说明飞行方向为左右方向中的其一；若| pwm_end0 – 1400| < | pwm_end1 – 1400|，说明飞行方向为前后方向中的其一。
上述第一种避障模式运算可实现飞行器根据飞行速度自动调节避障距离；提高飞行速度，避障距离自动增大，以保证足够的避障距离，避免高速飞行时发生避障距离不足的现象；降低飞行速度，避障距离自动减小，使得飞行器可以缓慢通过一些狭窄的环境。
优选地，上述避障模式还可以为第二种模式，具体为：所述运算为在执行比例算法前根据|MC-1400|max初步选定避障方向，再根据MC与1400之间的大小确定需要调节避障范围的具体方向，通过比例运算计算出具体方向的避障距离，其他3个方向的避障距离设置最小避障距离。
在第一种避障模式的基础上，进一步的，判断MC与1400之间的大小，即可确定需要调节避障范围的具体方向。例如，某一时刻通过程序运算获知| pwm_end0–1400| > | pwm_end1–1400|，并且pwm_end0 < 1400，说明飞行器正在以某一速度向左飞行；加设BZ1（左方向的避障距离）、BZ2（右方向的避障距离）、BZ3（前方向的避障距离））和BZ4（后方向的避障距离）四个变量，当飞行器往某一方向飞行时，在该飞行方向上需要与之飞行速度匹配的避障距离，然而对于其它三个方向上可不需要该匹配性，直接保持最小避障距离即可，因此，在程序中的运算方法为（假定飞行器正在向前飞）：BZ3= BZ（与飞行速度匹配的避障距离），BZ1=BZ2=BZ4=30（最小避障距离）。
模式二可实现当飞行器往某一方向飞行时，在该飞行方向上需要与之飞行速度匹配的避障距离，然而对于其它三个方向上可不需要该匹配性，直接保持最小避障距离即可，有利于在狭窄环境中作业。
优选地，上述两种避障模式的切换通过地面站的二位开关切换。两种模式之间的切换可通过地面站的二位开关切换，该二位开关通过无线连接接收机的第七通道，事先设定好外部中断触发对应的中断处理程序，每隔一段时间读取开关对应第七通道的状态值，从而判断开关的切换情况，进而通过中断处理程序切换两种避障模式。
一种无人机，包括机架和上述智能避障装置。
优选地，所述机架包括由下而上的第一层平台、第二层平台和第三层平台、脚架、电机和螺旋桨。
优选地，所述机架以十字样式设置；所述电机和螺旋桨设置在四个机臂轴的末端，构成四旋翼飞行器；所述飞控设置在第二层平台的上表面中心；所述pwm转ppm模块、接收机、单片机设置在第三层平台的上表面；所述激光测距传感器设置在第一层平台的前后左右四个方向。
以四旋翼飞行器为运动平台，多个stm32处理器作为控制与运算中心，采用比例算法实现根据飞行速度自动调节避障距离，通过布置在前后左右四个方向的激光测距传感器实现检测障碍物的距离，再通过单片机中的stm32处理器比较避障距离与障碍物距离，从而输出电信号控制电机转速，实现智能避障：提高无人机的飞行速度，其避障范围也相应增大；降低无人机的飞行速度，其避障范围也相应减小。
本发明相对于现有技术具有以下有益效果：
本发明提供了一种智能避障装置，该装置可以根据飞行速度自动调节避障范围，提高无人机的飞行速度，其避障范围也相应增大；降低无人机的飞行速度，其避障范围也相应减小，使得无人机对飞行环境有着更高的适应性，解决了某些无人机因避障距离固定且较大而不能在狭窄的环境中正常工作的问题。该装置还可以实现改变无人机的飞行速度，不仅可以使得四个方向的避障范围都能同比例地自动增大或减小，而且可以只是改变飞行方向上的避障距离，却让其他三个方向保持着最小避障距离，使得避障无人机在通过巷道环境时，能很好地提高飞行速度，而不会对两侧的墙体产生非正常的避障效应。
附图说明
图1为智能避障装置结构示意图。
图2为无人机结构示意图。
图3为智能避障装置电性连接示意图。
具体实施方式
以下结合具体实施例来进一步说明本发明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。
除非特别说明，本发明所用试剂和材料均为市购。
实施例1
一种智能避障装置，如图1所示，包括：测距传感器11、接收机9、pwm转ppm模块8、ARM单片机10、PIX4飞控7和程序模块，
其中测距传感器用于探测无人机四个方向与障碍物之间的距离；接收机用于接收无人机的影响飞行速度的pwm信号数值； pwm转ppm模块用于根据飞行速度确定避障距离，单片机用于数据处理；
其连接结构为测距传感器和pwm转ppm模块和飞控分别连接单片机，接收机连接pwm转ppm模块，
程序模块包括步骤：
S1. 无人机飞行过程中，单片机采集测距传感器实时探测前方障碍物的距离，传输给pwm转ppm模块；
S2. 接收机接收影响飞行速度的pwm信号数值，传输给pwm转ppm模块；
S3. pwm转ppm模块读取的影响飞行速度的pwm信号数值，并根据比例算法运算得到避障距离；
S4. pwm转ppm模块根据避障距离和和来自单片机的障碍物的距离，进行比较运算，判断是否对飞行安全构成了威胁，并输出智能避障飞行信息；
S5. 飞控接收pwm转ppm模块的智能避障飞行信息，输出电信号控制电机转动，调整无人机智能避障飞行。
其中各部件的电性连接示意图如图3所示。
实施例2
一种无人机，如图2所示，包括机架和智能避障装置，机架包括第一层平台1、第二层平台2、第三层平台3、脚架4、电机5和螺旋桨6，智能避障装置包括PIX4飞控7、pwm转ppm模块8、接收机9、ARM单片机10、激光测距传感器11。
机架以十字样式设置，电机5、螺旋桨6设置在四个机臂轴的末端，构成四旋翼飞行器。PIX4飞控7设置在第二层平台2的上表面中心，pwm转ppm模块8、接收机9、ARM单片机10设置在第三层平台3的上表面，激光测距传感器11设置在第一层平台的前后左右四个方向。接收机9的通道一（CH1）至通道八（CH8）的信号线分别与pwm转ppm模块8的PA4、PA5、PB10至PB14、PA8电连接；ARM单片机10特指具有五个串口的ARM单片机；4个激光测距传感器11的TX、RX接口分别与ARM单片机10的USART_RX2 - USART_RX5、USART_TX2 - USART_TX5接口电连接，进行串口通信，ARM单片机10采集四个方向的测距信息；pwm转ppm模块8的USART_TX2、USART_RX2分别与ARM单片机10的USART_RX1、USART_TX1接口电连接，进行串口通信，ARM单片机10将四个方向的测距信息整理为数组comdata形式发送给pwm转ppm模块8；pwm转ppm模块8的PA12引脚与PIX4飞控7的ppm信号输入引脚电连接，进行模拟信号的传输。
避障方法的具体步骤为：
基于pwm转ppm模块，读取来自接收机的第一通道和第二通道的pwm值，第一通道记为pwm_end0（其影响左右方向）、第二通道记为pwm_end1（其影响前后方向），并与相应的通道的基准值（1400）比较，基准值是指飞行器在定点悬停时，某一通道的稳定值，如果飞行器往某一方向飞行时，飞行器在该方向上的脉冲值会相对基准值发生偏差变化，变大或变小就是发生于飞行方向的相对性之间。
比例算法，原理式是BZ=（|MC - 1400|max）/6，其中BZ代表避障距离；MC代表脉冲值，即MC= pwm_end0或pwm_end1，与飞行速度有关；|MC - 1400|max代表某一时刻脉冲量最大差值，用最大绝对值表示，该值越大，说明飞行器在某一方向的飞行速度越大；当飞行器往某个方向飞行时，脉冲量会相对基准值1400变化，考虑其它方向存在脉冲量的波动情况，因此要选择脉冲量最大差值。
避障模式一：
（1）先计算pwm_end0–1400和pwm_end1–1400的绝对值，即| pwm_end0– 1400|和| pwm_end0–1400|，然后对两者进行比较，择取其中最大值，并初步选定了方向，若| pwm_end0–1400| > | pwm_end1–1400|，说明飞行方向为左右方向中的其一；若| pwm_end0–1400| <| pwm_end1–1400|，说明飞行方向为前后方向中的其一；
（2）通过比例运算BZ=（|MC - 1400|max）/6，即可实现飞行器根据飞行速度自动调节避障距离；提高飞行速度，避障距离自动增大，以保证足够的避障距离，避免高速飞行时发生避障距离不足的现象；降低飞行速度，避障距离自动减小，使得飞行器可以缓慢通过一些狭窄的环境。
避障模式二：
（1）在（1）的基础上，进一步的，判断MC与1400之间的大小，即可确定需要调节避障范围的具体方向；例如，某一时刻通过程序运算获知| pwm_end0– 1400| > | pwm_end1–1400|，并且pwm_end0< 1400，说明飞行器正在以某一速度向左飞行，该飞行速度的大小由脉冲量与基准值之间的差值决定；
（2）加设BZ1（左方向的避障距离）、BZ2（右方向的避障距离）、BZ3（前方向的避障距离））和BZ4（后方向的避障距离）四个变量，当飞行器往某一方向飞行时，在该飞行方向上需要与之飞行速度匹配的避障距离，然而对于其它三个方向上可不需要该匹配性，直接保持最小避障距离即可，因此，在程序中的运算方法为（假定飞行器正在向前飞）：BZ3= BZ（与飞行速度匹配的避障距离），BZ1=BZ2=BZ4=30（最小避障距离）。
避障模式一可以使得四个方向的避障范围都能同比例地自动增大或减小，避障模式二可以只是改变飞行方向上的避障距离，却让其他三个方向保持着最小避障距离。两种模式之间的切换可通过地面站的二位开关切换，该二位开关通过无线连接接收机的第七通道，事先设定好外部中断触发对应的中断处理程序，每隔一段时间读取开关对应第七通道的状态值，从而判断开关的切换情况，进而通过中断处理程序切换两种避障模式。
本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种智能避障装置，其特征在于，包括测距传感器、接收机、pwm转ppm模块、单片机、飞控和程序模块，其中所述测距传感器用于探测无人机四个方向与障碍物之间的距离；所述接收机用于接收无人机的影响飞行速度的pwm信号数值；所述pwm转ppm模块用于根据影响飞行速度的pwm信号数值确定避障距离，所述单片机用于数据处理；其连接结构为所述测距传感器连接所述单片机、所述单片机和接收机分别连接所述pwm转ppm模块，所述pwm转ppm模块连接所述飞控，
所述程序模块包括步骤：
S1. 无人机飞行过程中，单片机采集测距传感器实时探测前方障碍物的距离，传输给pwm转ppm模块；
S2. 接收机接收影响飞行速度的pwm信号数值，传输给pwm转ppm模块；
S3. pwm转ppm模块读取的影响飞行速度的pwm信号数值，并根据比例算法运算得到避障距离；
S4. pwm转ppm模块根据避障距离和和来自单片机的障碍物的距离，进行比较运算，判断是否对飞行安全构成了威胁，并输出智能避障飞行信息；
S5. 飞控接收pwm转ppm模块的智能避障飞行信息，输出电信号控制电机转动，调整无人机智能避障飞行。
2.如权利要求1所述智能避障装置，其特征在于，所述测距传感器为激光测距传感器。
3.如权利要求1所述智能避障装置，其特征在于，单片机为具有五个串口的ARM单片机。
4.如权利要求1所述智能避障装置，其特征在于，所述接收机的通道一CH1至通道八CH8的信号线分别与pwm转ppm模块的PA4、PA5、PB10~14和PA8电连接；所述测距传感器的接口为TX和RX接口，4个测距传感器的TX接口分别与单片机的USART_RX2~5接口电连接、RX接口分别与单片机的USART_TX2~5接口电连接，进行串口通信；所述pwm转ppm模块的USART_TX2和USART_RX2接口分别与单片机的USART_RX1和USART_TX1接口电连接，进行串口通信；所述pwm转ppm模块的PA12引脚与飞控的ppm信号输入引脚电连接。
5.如权利要求1所述智能避障装置，其特征在于，S3中所述比例算法的计算公式为BZ=（|MC-1400|max）/6，其中BZ为避障距离，MC为影响飞行速度的pwm信号数值，包括pwm_end0和pwm_end1，所述pwm_end0为接收机第一通道的飞行速度pwm信号数值，为左右方向的飞行速度；所述pwm_end1为接收机第二通道的飞行速度pwm信号数值，为前后方向的飞行信息；1400为pwm信号数值变化的基准值；|MC - 1400|max为四个方向中的pwm最大变化值；6为比例因子，是|MC - 1400|max与BZ的比值。
6.如权利要求5所述智能避障装置，其特征在于，所述比例算法为在执行比例算法前根据|MC - 1400|max初步选定避障方向，再根据MC与1400之间的大小确定需要调节避障范围的具体方向，通过比例运算计算出具体方向的避障距离，其他3个方向的避障距离设置最小避障距离。
7.一种无人机，其特征在于，包括机架和权利要求1至5任一项所述智能避障装置。
8.如权利要求7所述无人机，其特征在于，所述机架包括由下而上的第一层平台、第二层平台和第三层平台、脚架、电机和螺旋桨。
9.如权利要求8所述无人机，其特征在于，所述机架以十字样式设置；所述电机和螺旋桨设置在四个机臂轴的末端，构成四旋翼飞行器；所述飞控设置在第二层平台的上表面中心；所述pwm转ppm模块、接收机、单片机设置在第三层平台的上表面；所述激光测距传感器设置在第一层平台的前后左右四个方向。
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