CN109669478A - 基于测距传感器的无人机定距贴壁环绕控制方法及无人机 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种基于测距传感器的无人机定距贴壁环绕控制方法及无人机，包括无人机，无人机的两侧对称设有测距离传感器，测距离传感器的朝向为无人机的前方，其中左侧测距离传感器测得至障碍物的最近距离为D1，右侧测距离传感器测得至障碍物的最近距离为D2；根据D1与D2的对比结果控制无人机的旋向及控制无人机的移动状态，若D1<D2时，控制无人机左旋，若D1>D2时，控制无人机右旋，若D1＝D2，控制无人机的移动状态。本发明无需做任何航线规划、无需GPS定位信息，也无需对目标物做任何轮廓形状测定，即可实现对目标物的贴壁式定距环绕飞行，适用场景广、限制小，不仅适用于非规则建筑物的外观全景拍摄，也适用于建筑物内部的拍摄。

Description

基于测距传感器的无人机定距贴壁环绕控制方法及无人机

技术领域

本发明实施例涉及无人机飞行控制技术领域，具体涉及一种基于测 距传感器的无人机定距贴壁环绕控制方法及无人机。

背景技术

由于无人机具有成本低、灵活性高、空间可到达性好等特点，基于 无人机拍照进行建筑物外观检查的技术已得到广泛应用。目前，利用无 人机进行建筑物外观检查的一大难点是对建筑物结构表面进行全覆盖拍 摄。人为控制对飞手的要求很高，容易出现操控不当导致炸机以及漏检 的问题。而自动定距环绕飞行无疑是目前最好的解决方式。

目前主流的自动环绕飞行方法大多需要预先构建飞行地图，使用 GPS信号或结合地面控制站进行环绕控制。这类环绕飞行方法难以实现 根据被摄物体轮廓进行定距环绕飞行，且在室内等无GPS信号的场合难 以使用。目前能实现根据物体外轮廓进行定距环绕飞行的技术，大多使 用了视觉辅助算法或是激光雷达对被环绕物体进行几何形状测定。视觉 辅助算法实现复杂，对控制系统的实时运算能力有较高要求，增加了飞 行器功耗；且在光线差，特征景物少的情况下效果不佳。而激光雷达设 备，一方面较为昂贵，另一方面也会增加无人机载荷和功耗，降低续航 时间。

发明内容

为此，本发明实施例提供一种基于测距传感器的无人机定距贴壁环 绕控制方法及无人机，以解决现有技术中由于操作复杂而导致的成本高、 控制难的问题。

为了实现上述目的，本发明的实施方式提供如下技术方案：

一种基于测距传感器的无人机贴壁式定距环绕控制方法，包括无人 机，所述无人机的两侧对称设有参数相同的测距离传感器，所述测距离 传感器的朝向为无人机的前方，其中位于左侧的测距离传感器测得至障 碍物的最近距离为D1，位于右侧的测距离传感器测得至障碍物的最近距 离为D2；其中，接收D1与D2；根据D1与D2的对比结果控制无人机 的旋向及移动状态，若D1<D2时，控制无人机左旋；若D1>D2时，控 制无人机右旋；若D1＝D2时，控制无人机的移动状态。

在本发明的再一个实施例中，所述无人机的控制顺序包括：设置Ds； 接收D1与D2，根据D1与D2的对比结果控制无人机的旋向；当D1＝D2 时，根据D1或D2与Ds的比对结果控制无人机的前后移动；当D1＝D2＝Ds 时，控制无人机侧移。

在本发明的再一个实施例中，若无人机的环绕侧移方向设置为顺时 针时，无人机的前进方向为左侧移；若无人机的环绕侧移方向设置为逆 时针时，无人机的前进方向为右侧移。

在本发明的再一个实施例中，所述左侧的测距离传感器与右侧的测 距离传感器之间的间距为L，L的数值范围不低于10cm。

在本发明的再一个实施例中，所述左侧的测距离传感器与右侧的测 距离传感器均设有向内的内倾角，该内倾角记为α，且α<45°。

在本发明的再一个实施例中，若无人机在运行过程中接收到手动指 令，则先运行手动指令。

在本发明的再一个实施例中，所述手动指令包括左旋指令、右旋指 令、前进指令、后退指令、左侧移指令、右侧移指令、上升指令、下降 指令中的任意一种。

一种使用所述方法的基于测距传感器的贴壁式定距环绕无人机，包 括无人机，所述无人机的两侧对称设有测距离传感器，所述测距离传感 器的扫描方向为无人机的前侧。

在本发明的再一个实施例中，所述测距离传感器与无人机之间设有 连接杆。

在本发明的再一个实施例中，所述测距离传感器的连接端设有旋转 装置。

根据本发明的实施方式，具有如下优点：

1、本发明使用的超声传感器具有成本低、体积小、重量轻的特点， 可在大部分无人机系统上加装。

2、本发明的控制方法实现简单，在具备二次开发功能的飞控系统中 很容易集成实现。在不具备开发自动飞控功能的系统上，也可使用相应 的控制调整策略指导飞手做人工贴壁定距环绕飞行。

3、本发明无需做任何航线规划、无需GPS定位信息，也无需对目标 物做任何轮廓形状测定，即可实现对目标物的贴壁式定距环绕飞行。适 用场景广、限制小，不仅适用于非规则建筑物的外观全景拍摄，也适用 于建筑物内部的拍摄。

4、本发明可在无人机面向目标物时，从任意位置开始对目标物进行 贴壁式定距环绕飞行。

5、使用本发明的控制方法进行环绕飞行时，在中途不停止自动绕飞 的情况下，可任意向无人机发送人工指令进行干预，从而实现非常复杂 的贴壁式环绕飞行。如变高环绕、变距环绕、往复扫描、应对突发情况、 避开障碍物以及处理特殊位置拍摄。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下 面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显 而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人 员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获 得其它的实施附图。

本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭 示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可 实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关 系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的 目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。

图1为本发明的一实施例提供的基于测距传感器的无人机面对非规 则结构障碍物进行贴壁式定距绕飞的朝向姿态图；

图2a为图1中无人机的左旋调整图，图2b为图1中无人机的右旋 调整图；

图3a为图1中无人机的进给调整图，图3b为图1中无人机的后退 调整图；

图4为图1中无人机的侧向行进调整图；

图5为本发明中实施例1提供的飞行路线图；

图6为本发明中实施例2提供的飞行路线图。

图中：

1、无人机；2、测距离传感器；3、连接杆；4、障碍物。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人 士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显 然，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。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。

本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间” 等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围， 其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明 可实施的范畴。

图1为本发明实施例中一种基于测距传感器的无人机1面对非规则结 构障碍物4进行贴壁式定距绕飞的朝向姿态图，图中无人机1的两侧对称 设有参数相同的测距离传感器2，测距离传感器2优选为超声波测距离传 感器2，测距离传感器2通过安装杆设置在无人机1的两侧，安装杆可伸缩， 使左侧的测距离传感器2与右侧的测距离传感器2之间的间距可调节，两 个测距离传感器2的间距记为L，L的数值范围不低于10cm。

图2-图4为无人机1的5种操作姿态图，所述测距离传感器2的朝向为无 人机1的前方，其中位于左侧的测距离传感器2测得至障碍物4的最近距离 为D1，位于右侧的测距离传感器2测得至障碍物4的最近距离为D2，所述 无人机1与障碍物4之间的设定距离为Ds，无人机1运动控制方法包括：

若D1<D2时，如图2a所示，控制无人机1左旋；

若D1>D2时，如图2b所示，控制无人机1右旋；

若(D1＝D2)<Ds时，如图3a所示，控制无人机1后退；

若(D1＝D2)>Ds时，如图3b所示，控制无人机1前进；

若D1＝D2＝Ds时，如图4所示，控制无人机1环绕侧移。环绕侧移方向 具体包括两种：若无人机1的环绕侧移方向设置为顺时针时，无人机1的 前进方向为左侧移；若无人机1的环绕侧移方向设置为逆时针时，无人机 1的前进方向为右侧移。

基于前述技术，本发明实施例所述的无人机1的一种控制方法包括：

设置Ds与环绕侧移方向；

接收D1与D2，根据D1与D2的对比结果控制无人机1的旋向；

当D1＝D2时，根据D1或D2与Ds的比对结果控制无人机1的前后移动；

当D1＝D2＝Ds时，控制无人机1环绕侧移。

若无人机1在运行过程中接收到手动指令，则停止当前自动控制，先 运行手动指令。所述手动指令包括左旋指令、右旋指令、前进指令、后 退指令、左侧移指令、右侧移指令、上升指令、下降指令中的任意一种。

所述左侧的测距离传感器2与右侧的测距离传感器2均设有向内的内 倾角，该内倾角记为α，且α<45°。由于本技术是通过两侧传感器检测 信号的不同步，实现控制无人机1飞行的目的，而当无人机1位于大角度 拐角处，即三侧为墙，一侧为开口的地方，由于两侧的测距离传感器2之 间具有间距L，因此二者的扫描区域会有不叠加的盲区，盲区内障碍物4 仅被一个测距离传感器2检测到，因此会出现干扰信号，导致无人机1左 右打转的情况。设置内倾角，用于增加左侧的测距离传感器2与右侧的测 距离传感器2之间相叠加的扫描范围区域，减小盲区范围，避免打转的问 题发生，测距离传感器2的底部可设置旋转装置，两侧的测距离传感器2 同步向内旋转，从而可满足不同障碍物4检测。

如图1所示，一种使用前述方法的基于测距传感器的贴壁式定距环绕 无人机1，包括无人机1，所述无人机1的两侧对称设有测距离传感器2， 所述测距离传感器2的扫描方向为无人机1的前侧。所述测距离传感器2与 无人机1之间设有连接杆3，连接杆3为可伸缩杆，可通过终端控制其伸缩， 而两侧的伸缩杆同步调节，用于同步调节两侧测距离传感器2之间的间 距。所述测距离传感器2的连接端设有旋转装置，旋转装置可为微型电机， 可通过终端远程控制测距离传感器2的内倾角，以适用不同外形结构的障 碍物4的检测。

本发明的一个具体实例，该实施例中测距离传感器2间距20cm，测距 离传感器2之间的最大传感距离10m，测距离传感器2扫描角度θ为70°、 测距离传感器2的内倾角0°，详述整个飞行过程如下：

实例1、如图5中所示的对一非规则建筑物外墙进行贴壁式定距环绕 飞行的实例。

a、设定无人机1拍摄距离Ds＝400cm，环绕方向为逆时针(向右行进)， 图5中(1)为出发位置，当前朝向为西北，飞行出发后，传感器探测出 D1>D2，开始进行右旋。

b、转向至D1＝D2时，结束旋转，当前无人机1正对障碍物4墙面，此 时无人机1距离目标物的距离大于设定的拍摄距离，即D1＝D2>Ds，无人 机1开始向障碍物4墙面飞行，直到D1＝D2＝Ds时，停止，开始向右侧行进。

c、持续检测并调整D1、D2及Ds之间的关系，无人机1右侧行进至内 直角弯处，即图5中(2)，检测到D1>D2的信号，此时无人机1开始进行 右旋。右旋至D1＝D2时无人机1停止旋转，此时D1＝D2<Ds，无人机1开始 后退，同时后退过程中交替进行右旋调整使自身方向旋转90°，直至退 回至D1＝D2＝Ds的状态。然后无人机1继续逆向飞行，直至遇到外直角弯，即图5中(3)。

d、在外直角弯处，无人机1逆向平移后出现了D1<D2的信号，此时 无人机1进行左旋；左旋后，D1＝D2>Ds，此时无人机1向前靠近至 D1＝D2＝Ds，然后继续逆向平移；此过程将交替重复，直至逆向平移后检 测到的信号持续为D1＝D2＝Ds。无人机1逆向飞行，直至遇到东侧外圆弧 墙面，即图5中(4)。

e、在东侧外圆弧墙面处，无人机1逆向平移后出现了D1<D2的信号， 此时无人机1进行左旋；左旋后D1＝D2>Ds，此时无人机1向前飞行至 D1＝D2＝Ds，然后继续向右平移；此过程将交替重复，直至无人机1绕飞 至北边的内圆弧面，即图5中(5)，飞行调整方法与步骤c相同，但调整 过程较外直角转弯更为平缓。

f、无人机1飞过右侧外圆弧墙面后，控制者希望贴近目标建筑外墙面 拍摄，将拍摄距离由Ds＝400cm调整为Ds＝200cm，调整点为图5中(6)。 此时，D1＝D2＝400cm>Ds＝200cm，调整后无人机1向建筑物墙面飞行，直 至D1＝D2＝Ds＝200cm后进行逆向行进。直至无人机1飞出北侧内圆弧区 域，进入东侧的外圆弧区域，即图5中(7)。

g、进入西侧的外圆弧区域后，控制者希望远离目标建筑外墙面拍摄， 将拍摄距离由Ds＝200cm，调整为Ds＝400cm，调整点为图5中(8)。此时， D1＝D2＝200cm<Ds＝400cm；调整后，无人机1向后飞行，直至 D1＝D2＝Ds＝400cm后无人机1开始逆向行进。无人机1飞过西侧的外圆弧 区域同步骤d。

h、无人机1飞过东侧的外圆弧区域后，进入南面区域，逆向飞行回 到起始点，完成整个目标物的贴壁式定距环绕飞行。若过程中有记录GPS 轨迹，此时轨迹出现重叠，控制程序会自动发出停止命令；若无GPS轨迹， 则可人工发送停止绕飞命令；或者可以调整飞行高度，让无人机1进入下 一绕飞循环，以拍摄不同的立面位置。

实例2、在结构物内部绕不同截面形式立柱定距飞行

图6展示了使用本发明控制无人机1对实例1中非规则结构物内部设 置的两个立柱进行贴壁式定距绕飞全过程的轨迹及相应的朝向姿态。障 碍物4为直径400cm的圆形立柱与边长400cm的方形立柱，无人机1绕飞时 设置的拍摄距离Ds＝150cm。

a、进行圆形立柱绕飞时的起始位置如图6中的(1)号轨迹点， 无人机1起始航向为东北方向，前方基本面对绕飞圆形立柱。无人机1 开始环绕飞行后，直接向前飞向被环绕目标，中途进行了三次轻微的 航向调整，随后到达绕飞距离，开始围绕圆形立柱的360度飞行。

b、进行方形立柱绕飞时的起始位置如图6中的(2)号轨迹点，

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的 描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技 术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的 这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种基于测距传感器的无人机贴壁式定距环绕控制方法，包括无人机，其特征在于，所述无人机的两侧对称设有参数相同的测距离传感器，所述测距离传感器的朝向为无人机的前方，其中位于左侧的测距离传感器测得至障碍物的最近距离为D1，位于右侧的测距离传感器测得至障碍物的最近距离为D2；其中，

接收D1与D2；

根据D1与D2的对比结果控制无人机的旋向及移动状态，若D1<D2时，控制无人机左旋；若D1>D2时，控制无人机右旋；若D1＝D2时，控制无人机的移动状态。

2.根据权利要求1所述的一种基于测距传感器的无人机贴壁式定距环绕控制方法，其特征在于，所述无人机与障碍物之间的设定距离为Ds；其中，

设置Ds；

当D1＝D2时，根据D1或D2与Ds的比对结果控制无人机的水平移动，若(D1＝D2)<Ds时，控制无人机后退，若(D1＝D2)>Ds时，控制无人机前进，若D1＝D2＝Ds时，控制无人机侧移。

3.根据权利要求2所述的一种基于测距传感器的无人机贴壁式定距环绕控制方法，其特征在于：

若无人机的环绕侧移方向设置为顺时针时，无人机的前进方向为左侧移；

若无人机的环绕侧移方向设置为逆时针时，无人机的前进方向为右侧移。

4.根据权利要求1-3中任意一项所述的一种基于测距传感器的无人机贴壁式定距环绕控制方法，其特征在于：所述左侧的测距离传感器与右侧的测距离传感器之间的间距为L，L的数值范围不低于10cm。

5.根据权利要求1-3中任意一项所述的一种基于测距传感器的无人机贴壁式定距环绕控制方法，其特征在于：所述左侧的测距离传感器与右侧的测距离传感器均设有向内的内倾角，该内倾角记为α，且α<45°。

6.根据权利要求1-3中任意一项所述的一种基于测距传感器的无人机贴壁式定距环绕控制方法，其特征在于：若无人机在运行过程中接收到手动指令，则先运行手动指令。

7.根据权利要求6所述的一种基于测距传感器的无人机贴壁式定距环绕控制方法，其特征在于：所述手动指令包括左旋指令、右旋指令、前进指令、后退指令、左侧移指令、右侧移指令、上升指令、下降指令中的任意一种。

8.一种使用权利要求1-3中任意一项所述方法的基于测距传感器的贴壁式定距环绕无人机，其特征在于：包括无人机，所述无人机的两侧对称设有测距离传感器，所述测距离传感器的扫描方向为无人机的前侧。

9.根据权利要求8所述的一种基于测距传感器的无人机贴壁式定距环绕控制方法，其特征在于：所述测距离传感器与无人机之间设有连接杆。

10.根据权利要求8所述的一种基于测距传感器的无人机贴壁式定距环绕控制方法，其特征在于：所述测距离传感器的连接端设有旋转装置。