CN108762308A - 一种基于雷达和摄像头的无人机避障系统及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明具体涉及一种基于雷达和摄像头的无人机避障系统及控制方法，属于无人机避障系统领域。避障系统包括：无人机主体、避障模块、激光雷达模块、毫米波雷达模块和摄像头；所述无人机主体为具有独立飞行功能的多旋翼无人机；所述无人机主体的控制系统包括主控制器、主板、飞行控制器和电源；控制方法包括：1)获得对应周围环境的检测信号；2)检测信号传送至构图程序；3)绘制出体现无人机附近环境特征的地形图；4)得出当前位置至目标位置，避开所有障碍物后的最短路线；5)得出无人机的动作要求；6)得出与其对应的控制指令，控制无人机做出相应动作。
Description
技术领域
本发明属于无人机避障系统领域，具体涉及一种基于雷达和摄像头的无人机避障系统及控制方法。
背景技术
目前市面上的无人机，其避障原理多采用基于摄像头的双目避障、红外避障等方式，其缺点是，在强光或黑暗环境下避障效果受到非常大的影响，且技术门槛高，算法开发难度较大。同时，双目避障设备的购买成本较为昂贵，也为其在无人机应用上的推广带来了一定的约束。
发明内容
针对上述存在的技术问题，本发明提供一种基于雷达和摄像头的无人机避障系统，包括：无人机主体、避障模块、激光雷达模块、毫米波雷达模块和摄像头；
所述无人机主体为具有独立飞行功能的多旋翼无人机；
所述无人机主体的控制系统包括主控制器、主板、飞行控制器和电源；
所述电源通过主板分别与主控制器、飞行控制器、避障模块连接并供电；
所述主控制器通过主板与飞行控制器连接，用于执行串口收到的指令，控制飞行器姿态和移动；
所述飞行控制器用于控制无人机的飞行动作；
所述激光雷达模块、毫米波雷达模块和摄像头分别所述避障模块与主控制器连接；
所述避障模块采用Raspberry Pi 3，其装载Linux系统Debian发行版作为操作系统；
所述操作系统上装载Indigo版本ROS机器人操作系统；
所述机器人操作系统上运行有飞行控制程序、激光雷达程序、毫米波雷达程序、摄像头驱动程序、导航程序、构图程序、路径规划程序；
所述激光雷达程序用于控制激光雷达模块的工作状态，并将其反馈的激光雷达信号传送至构图程序；
所述毫米波雷达程序用于控制毫米波光雷达模块的工作状态，并将其反馈的毫米波雷达信号传送至构图程序；
所述摄像头驱动程序用于控制摄像头的工作状态，并将其反馈的图像信号传送至构图程序；
所述构图程序根据激光雷达信号、毫米波雷达信号和图像信号，绘制出体现无人机附近环境特征的地形图；
所述路径规划程序用于根据所述地形图中的环境特征，得出当前位置至目标位置的最短路线；
所述导航程序用于根据所述最短路线，得出无人机的动作要求，使无人机按照动作要求进行飞行后，其飞行路线能够符合所述最短路线；
所述飞行控制程序用于根据所述动作要求，得出与其对应的控制指令，并通过主控制器和主板将控制指令发送至飞行控制器，从而使飞行控制器控制无人机做出相应动作。
所述主控制器采用Arduino Mega 2560单片机，运行PID程序。
所述飞行控制器为APM2.8开源飞控。
所述毫米波雷达模块包含若干个毫米波雷达，分别安装在所述无人机主体上；每个毫米波雷达的测距方向都在水平面上，并向四周均匀分布；
所述毫米波雷达共4个。
所述避障模块与主控制器之间采用USB连接。
所述基于雷达和摄像头的无人机避障系统，还包括基站，用于运行ROS机器人操作系统的工具软件Rviz；所述Rviz用于观察构图程序输出的地形图，以及导航程序指示的最短路线。
所述基站采用PC或手机。
一种基于雷达和摄像头的无人机避障系统的控制方法，采用上述的基于雷达和摄像头的无人机避障系统，包括以下步骤：
步骤1，无人机飞行过程中，所述激光雷达程序控制激光雷达模块的测距核心顺时针旋转，实现对周围环境的360°全方位扫描测距检测，从而获得对应周围环境的激光雷达信号；所述毫米波雷达程序控制毫米波雷达模块对各自方位进行扫描测距检测，从而获得对应周围环境在各方向上的毫米波雷达信号；所述摄像头驱动程序控制摄像头顺时针旋转，实现对周围环境的360°全方位扫描测距检测的工作状态，从而获得对应周围环境的图像信号；
步骤2，所述激光雷达程序、毫米波雷达程序和摄像头驱动程序将获得的激光雷达信号、毫米波雷达信号和图像信号传送至构图程序；
步骤3，所述构图程序根据激光雷达信号、毫米波雷达信号和图像信号，绘制出体现无人机附近环境特征的地形图；
步骤4，所述路径规划程序根据所述地形图中的环境特征，得出当前位置至目标位置，避开所有障碍物后的最短路线；
步骤5，所述导航程序根据所述最短路线，得出无人机的动作要求；所述动作要求，即无人机将要进行的一系列飞行动作，在这些飞行动作的控制下，无人机飞行路线将符合所述最短路线；
步骤6，所述飞行控制程序根据所述动作要求，得出与其对应的控制指令，并通过主控制器和主板将控制指令发送至飞行控制器，从而使飞行控制器控制无人机做出相应动作。
本发明的有益效果：
本发明提出一种基于雷达和摄像头的无人机避障系统及控制方法。采用的ROS机器人操作系统是一个分布式的系统，只要所有ROS节pa点连接在同一个Core上，无论功能能包运行在哪个硬件上(Raspberry Pi或PC)对于系统来说并无差别。这样需要运行计算量很大的功能包时，可以选择将此部分放在PC平台上运行。
采用激光雷达、毫米波雷达和摄像头协同作业的方式，提升了避障系统的避障效果；
其中，激光雷达测距核心顺时针旋转，实现对周围环境的360°全方位扫描测距检测，从而获得周围环境的轮廓图，进行地形图构建和路径规划，规避障碍物。激光雷达的精准度高，分辨率高，可获得极高的角度、距离、速度分辨率；抗有源干扰能力强，与微波雷达易受自然界广泛存在的电磁波影响的情况不同，自然界中能对激光雷达起干扰作用的信号源不多，因此激光雷达抗有源干扰的能力很强。
毫米波雷达测距对各自方位进行扫描测距检测，从而获得周围环境的轮廓图，进行地形图构建和路径规划，规避障碍物。毫米波雷达的测速快，检测距离远，可实现全天候工作；采用固定式安装，体积小。
激光雷达和毫米波雷达的结合应用，使各自的缺陷得以弥补，即：激光雷达的高精度优势弥补了毫米波雷达精度较低的缺陷；毫米波雷达的检测范围大的优势弥补了激光雷达检测范围小的缺陷；毫米波雷达还弥补了激光雷达易受天气影响的缺陷；
摄像头顺时针旋转，实现对周围环境的360°全方位扫描测距检测，从而提供了周围环境的真实图像，体现出周围障碍物的实际外形，使构图程序的构图效果明显提升；
本发明设计合理，易于实现，具有很好的实用价值。
附图说明
图1为本发明具体实施方式中所述基于雷达和摄像头的无人机避障系统的结构示意图；
图2为本发明具体实施方式中所述基于雷达和摄像头的无人机避障系统的控制方法的流程图。
图中：1、无人机主体；1-1、主控制器；1-2、主板；1-3、飞行控制器；1-4、电源；2、避障模块；3、激光雷达模块；4、毫米波雷达模块；5、摄像头。
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实例，对本发明做出进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提出一种基于雷达和摄像头的无人机避障系统，如图1所示，包括无人机主体1、避障模块2、激光雷达模块3、毫米波雷达模块4和摄像头5；
所述无人机主体1为具有独立飞行功能的多旋翼无人机；
所述无人机主体1的控制系统包括主控制器1-1、主板1-2、飞行控制器1-3和电源1-4；
所述电源1-4通过主板1-2分别与主控制器1-1、飞行控制器1-3、避障模块2连接并供电；
所述主控制器1-1通过主板1-2与飞行控制器1-3连接，用于执行串口收到的指令，控制飞行器姿态和移动；
本实施例中，所述主控制器1-1采用Arduino Mega 2560单片机，运行PID程序；
所述飞行控制器1-3用于控制无人机的飞行动作；本实施例中，所述飞行控制器1-3为APM2.8开源飞控；
所述激光雷达模块3、毫米波雷达模块4和摄像头5分别与避障模块2连接；
所述毫米波雷达模块4包含若干个毫米波雷达，分别安装在所述无人机主体上；每个毫米波雷达的测距方向都在水平面上，并向四周均匀分布；
本实施例中，所述毫米波雷达共4个；
所述避障模块2与主控制器1-1连接；
所述避障模块2与主控制器1-1之间采用USB连接；
所述避障模块2采用Raspberry Pi 3，其装载Linux系统Debian发行版作为操作系统；
所述操作系统上装载Indigo版本ROS机器人操作系统；
所述机器人操作系统上运行有飞行控制程序、激光雷达程序、毫米波雷达程序、摄像头驱动程序、导航程序、构图程序和路径规划程序；
所述激光雷达程序用于控制激光雷达模块3的工作状态，并将其反馈的激光雷达信号传送至构图程序；
所述毫米波雷达程序用于控制毫米波光雷达模块4的工作状态，并将其反馈的毫米波雷达信号传送至构图程序；
所述摄像头驱动程序用于控制摄像头5的工作状态，并将其反馈的图像信号传送至构图程序；
所述构图程序根据激光雷达信号、毫米波雷达信号和图像信号，绘制出体现无人机附近环境特征的地形图；
所述路径规划程序根据所述地形图中的环境特征，得出当前位置至目标位置的最短路线；
所述导航程序根据所述最短路线，得出无人机的动作要求，使无人机按照动作要求进行飞行后，其飞行路线能够符合所述最短路线；
所述飞行控制程序根据所述动作要求，得出与其对应的控制指令，并通过主控制器1-1和主板1-2将控制指令发送至飞行控制器1-3，从而使飞行控制器1-3控制无人机做出相应动作；
所述基于雷达和摄像头的无人机避障系统，还包括基站，用于运行ROS机器人操作系统的工具软件Rviz；
所述Rviz用于观察构图程序输出的地形图，以及导航程序指示的最短路线；
所述基站采用PC或手机；
本发明提出一种基于雷达和摄像头的无人机避障系统的控制方法，采用上述基于雷达和摄像头的无人机避障系统，如图2所示，包括以下步骤：
步骤1，无人机飞行过程中，所述激光雷达程序控制激光雷达模块3的测距核心顺时针旋转，实现对周围环境的360°全方位扫描测距检测，从而获得对应周围环境的激光雷达信号；所述毫米波雷达程序控制毫米波雷达模块4对各自方位进行扫描测距检测，从而获得对应周围环境在各方向上的毫米波雷达信号；所述摄像头驱动程序控制摄像头5顺时针旋转，实现对周围环境的360°全方位扫描测距检测的工作状态，从而获得对应周围环境的图像信号；
步骤2，所述激光雷达程序、毫米波雷达程序和摄像头驱动程序将获得的激光雷达信号、毫米波雷达信号和图像信号传送至构图程序；
步骤3，所述构图程序根据激光雷达信号、毫米波雷达信号和图像信号，绘制出体现无人机附近环境特征的地形图；
步骤4，所述路径规划程序根据所述地形图中的环境特征，得出当前位置至目标位置，避开所有障碍物后的最短路线；
步骤5，所述导航程序根据所述最短路线，得出无人机的动作要求；所述动作要求，即无人机将要进行的一系列飞行动作，在这些飞行动作的控制下，无人机飞行路线将符合所述最短路线；
步骤6，所述飞行控制程序根据所述动作要求，得出与其对应的控制指令，并通过主控制器1-1和主板1-2将控制指令发送至飞行控制器1-3，从而使飞行控制器1-3控制无人机做出相应动作。
Claims (9)
1.一种基于雷达和摄像头的无人机避障系统，其特征在于，包括：无人机主体、避障模块、激光雷达模块、毫米波雷达模块和摄像头；
所述无人机主体为具有独立飞行功能的多旋翼无人机；
所述无人机主体的控制系统包括主控制器、主板、飞行控制器和电源；
所述电源通过主板分别与主控制器、飞行控制器、避障模块连接并供电；
所述主控制器通过主板与飞行控制器连接，用于执行串口收到的指令，控制飞行器姿态和移动；
所述飞行控制器用于控制无人机的飞行动作；
所述激光雷达模块、毫米波雷达模块和摄像头分别所述避障模块与主控制器连接；
所述避障模块采用Raspberry Pi 3，其装载Linux系统Debian发行版作为操作系统；
所述操作系统上装载Indigo版本ROS机器人操作系统；
所述机器人操作系统上运行有飞行控制程序、激光雷达程序、毫米波雷达程序、摄像头驱动程序、导航程序、构图程序、路径规划程序；
所述激光雷达程序用于控制激光雷达模块的工作状态，并将其反馈的激光雷达信号传送至构图程序；
所述毫米波雷达程序用于控制毫米波光雷达模块的工作状态，并将其反馈的毫米波雷达信号传送至构图程序；
所述摄像头驱动程序用于控制摄像头的工作状态，并将其反馈的图像信号传送至构图程序；
所述构图程序根据激光雷达信号、毫米波雷达信号和图像信号，绘制出体现无人机附近环境特征的地形图；
所述路径规划程序用于根据所述地形图中的环境特征，得出当前位置至目标位置的最短路线；
所述导航程序用于根据所述最短路线，得出无人机的动作要求，使无人机按照动作要求进行飞行后，其飞行路线能够符合所述最短路线；
所述飞行控制程序用于根据所述动作要求，得出与其对应的控制指令，并通过主控制器和主板将控制指令发送至飞行控制器，从而使飞行控制器控制无人机做出相应动作。
2.根据权利要求1所述的基于雷达和摄像头的无人机避障系统，其特征在于，所述主控制器采用Arduino Mega 2560单片机，运行PID程序。
3.根据权利要求1所述的基于雷达和摄像头的无人机避障系统，其特征在于，所述飞行控制器为APM2.8开源飞控。
4.根据权利要求1所述的基于雷达和摄像头的无人机避障系统，其特征在于，所述毫米波雷达模块包含若干个毫米波雷达，分别安装在所述无人机主体上；每个毫米波雷达的测距方向都在水平面上，并向四周均匀分布。
5.根据权利要求1所述的基于雷达和摄像头的无人机避障系统，其特征在于，所述毫米波雷达共4个。
6.根据权利要求1所述的基于雷达和摄像头的无人机避障系统，其特征在于，所述避障模块与主控制器之间采用USB连接。
7.根据权利要求1所述的基于雷达和摄像头的无人机避障系统，其特征在于，所述基于雷达和摄像头的无人机避障系统，还包括基站，用于运行ROS机器人操作系统的工具软件Rviz；所述Rviz用于观察构图程序输出的地形图，以及导航程序指示的最短路线。
8.根据权利要求7所述的基于雷达和摄像头的无人机避障系统，其特征在于，所述基站采用PC或手机。
9.一种基于雷达和摄像头的无人机避障系统的控制方法，其特征在于，采用权利要求1所述的基于雷达和摄像头的无人机避障系统，包括以下步骤：
步骤1，无人机飞行过程中，所述激光雷达程序控制激光雷达模块的测距核心顺时针旋转，实现对周围环境的360°全方位扫描测距检测，从而获得对应周围环境的激光雷达信号；所述毫米波雷达程序控制毫米波雷达模块对各自方位进行扫描测距检测，从而获得对应周围环境在各方向上的毫米波雷达信号；所述摄像头驱动程序控制摄像头顺时针旋转，实现对周围环境的360°全方位扫描测距检测的工作状态，从而获得对应周围环境的图像信号；
步骤2，所述激光雷达程序、毫米波雷达程序和摄像头驱动程序将获得的激光雷达信号、毫米波雷达信号和图像信号传送至构图程序；
步骤3，所述构图程序根据激光雷达信号、毫米波雷达信号和图像信号，绘制出体现无人机附近环境特征的地形图；
步骤4，所述路径规划程序根据所述地形图中的环境特征，得出当前位置至目标位置，避开所有障碍物后的最短路线；
步骤5，所述导航程序根据所述最短路线，得出无人机的动作要求；所述动作要求，即无人机将要进行的一系列飞行动作，在这些飞行动作的控制下，无人机飞行路线将符合所述最短路线；
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20181106 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |