CN109814558A - 一种基于毫米波雷达的无人机避障系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于毫米波雷达的无人机避障系统及方法,包括避障模块、数据转发模块和无人机飞控系统中的策略响应控制模块；所述避障模块包括数据采集子模块和数据处理子模块，所述数据采集子模块用于对无人机周围进行全向的雷达探测，并将探测结果传输给数据处理子模块；所述数据处理子模块对接收到的信息进行处理，得到各个方向距离无人机最近的障碍物距离和方位，并通过数据转发模块传输给无人机飞控系统中的策略响应控制模块；所述策略响应控制模块，用于根据各个方向距离无人机最近的障碍物距离和方位，进行碰撞风险预警或紧急制动。本发明通过探测障碍物信息，进行碰撞风险预警或紧急制动，有效提高了无人机的飞行安全。
Description
技术领域
本发明涉及无人机技术，特别是涉及一种基于毫米波雷达的无人机避障系统及方法。
背景技术
传统输电线路巡检无人机是由人工直接操控，由于天气、地形、视觉误差等等原因容易造成无人机与输电线路或周围环境发生碰撞，在精细化巡检作业过程中，对飞行操控手的要求非常高，长时间集中注意力造成较大的巡检负担并产生隐藏安全隐患问题。
因此，通过开发风险预警、紧急悬停、智能避障等功能来提高飞行过程中的安全性，降低对飞行操控手的技术要求，缓解巡检作业的紧张气氛，对于无人机巡检有着重要意义。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于毫米波雷达的无人机避障系统及方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于毫米波雷达的无人机避障系统，包括避障模块、数据转发模块和无人机飞控系统中的策略响应控制模块；
所述避障模块包括数据采集子模块和数据处理子模块，所述数据采集子模块用于对无人机周围进行全向的雷达探测，并将探测结果传输给数据处理子模块；所述数据处理子模块对接收到的信息进行处理，得到各个方向距离无人机最近的障碍物距离和方位，并通过数据转发模块传输给无人机飞控系统中的策略响应控制模块；
所述策略响应控制模块，用于根据各个方向距离无人机最近的障碍物距离和方位，进行碰撞风险预警或紧急制动。
优选地，所述数据采集子模块包括ARM处理器和的四个毫米波雷达探测器；每个毫米波雷达探测器的水平探测角度均大于90°，所述四个毫米波雷达探测器分布于不同的方向，完成无人机周围的360°的全向覆盖；所述ARM处理器通过串口接收各个毫米波雷达探测器的数据，并传输给数据处理子模块。
所述的毫米波雷达探测器的探测频率为100Hz，即每秒输出100次探测数据；每个毫米波雷达探测器输出的探测数据中包含3个障碍物的信息，每个障碍物信息均包括与无人机的距离、与无人机的方位角以及对应的信噪比。
优选地，所述数据处理子模块包括：
滤波处理单元对每一个毫米波雷达探测器输出的信息进行滤波处理，得到各个毫米波雷达探测器探测方向上，障碍物距离无人机的距离和方位角；
数据传输单元，用于将滤波处理单元得到的信息通过数据转发模块传输给无人机飞控系统中的策略响应控制模块。
所述的一种基于毫米波雷达的无人机避障系统的避障方法，包括以下步骤：
S1.数据采集子模块中的四个毫米波雷达探测器分别对无人机周围的不同方向进行毫米波雷达探测，并将探测数据经ARM处理器传输给数据处理模块；
S2.数据处理模块对每一个毫米波雷达探测器输出的信息进行滤波处理，得到各个毫米波雷达探测器探测方向上，障碍物距离无人机的距离和方位角；
S3.数据处理模块将滤波处理得到的信息通过数据转发模块传输给无人机飞控系统中的策略响应控制模块；
S4.无人机飞控系统中的策略响应控制模块根据各个方向距离无人机最近的障碍物距离和方位，进行碰撞风险预警或紧急制动。
优选地，所述步骤S1中，毫米波雷达探测器的每秒输出100次探测数据；每个毫米波雷达探测器输出的探测数据中包含3个障碍物信息，每个障碍物信息均包括与无人机的距离、与无人机的方位角以及对应的信噪比。
优选地，所述步骤S2中，数据处理模块对于每个毫米波雷达探测器输出信息的滤波处理方式如下：
S201.将毫米波雷达探测器输出的信息经低通滤波器进行处理后，连续保存毫米波雷达探测器的20个探测数据作为一组；
S203.对于该组数据中的每一个探测数据，将其对应的3个障碍物信息中包含的信噪比，分别与设定阈值进行比较，删除信噪比小于设定阈值的障碍物信息，若某一探测数据中，3个障碍物信息包含的信噪比均小于设定阈值，则直接删除该探测数据；最终得到N个剩余探测数据；
S204.对于每一个剩余探测数据，取距离最小的障碍物信息作为其有效障碍物信息；
S205.在N个剩余探测数据，设有效障碍物信息中的距离分别为d1,d2....dN，方位角信息分别为ψ1,ψ2...ψN，则计算出该组数据中，障碍物距无人机的距离和方位角分别为和
S206.返回步骤S201，接收下一组探测数据，按照步骤S201～205进行滤波处理。
优选地，所述步骤S4包括，策略响应控制模块根据各个方向距离无人机最近的障碍物距离和方位，进行碰撞风险预警或紧急制动的方式如下：
当障碍物与无人机距离小于L1时，策略响应控制模块控制飞控系统进行紧急制动；
当障碍物与无人机距离大于L1小于L2时，策略响应控制模块进行碰撞风险预警和障碍物方位提示；
其中，L1和L2为预设的避障距离参数。
本发明的有益效果是：本发明基于毫米波雷达探测器对无人机周围的障碍物进行全向探测，并根据探测结果传输到无人机飞控系统中的策略响应控制模块，根据探测信息进行碰撞风险预警或紧急制动，有效提高了无人机的飞行安全；数据处理中心通过对每一个毫米波雷达输出的信息进行滤波处理，有效降低了数据处理模块与策略响应控制模块之间的数据传输频率，进而降低了数据传输的负担；同时，通过滤波处理能够滤除无效障碍物信息，得到各个毫米波雷达探测器探测方向上，障碍物距离无人机的距离和方向，为无人机的准确避障提供了有利条件。
附图说明
图1为本发明的系统原理示意图；
图2为本发明的方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
如图1所示，一种基于毫米波雷达的无人机避障系统，包括避障模块、数据转发模块和无人机飞控系统中的策略响应控制模块；
所述避障模块包括数据采集子模块和数据处理子模块，所述数据采集子模块用于对无人机周围进行全向的雷达探测，并将探测结果传输给数据处理子模块；所述数据处理子模块对接收到的信息进行处理，得到各个方向距离无人机最近的障碍物距离和方位，并通过数据转发模块传输给无人机飞控系统中的策略响应控制模块；
所述策略响应控制模块，用于根据各个方向距离无人机最近的障碍物距离和方位，进行碰撞风险预警或紧急制动。
在本申请的实施例中，所述数据采集子模块包括ARM处理器和的四个毫米波雷达探测器；每个毫米波雷达探测器的水平探测角度均大于90°，所述四个毫米波雷达探测器分布于不同的方向，完成无人机周围的360°的全向覆盖；所述ARM处理器通过串口接收各个毫米波雷达探测器的数据，并传输给数据处理子模块。
所述的毫米波雷达探测器的探测频率为100Hz，即每秒输出100次探测数据；每个毫米波雷达探测器输出的探测数据中包含3个障碍物的信息，每个障碍物信息均包括与无人机的距离、与无人机的方位角以及对应的信噪比。
在本申请的实施例中，所述数据处理子模块包括：
滤波处理单元对每一个毫米波雷达探测器输出的信息进行滤波处理，得到各个毫米波雷达探测器探测方向上，障碍物距离无人机的距离和方位角；
数据传输单元，用于将滤波处理单元得到的信息通过数据转发模块传输给无人机飞控系统中的策略响应控制模块。
如图2所示，所述的一种基于毫米波雷达的无人机避障系统的避障方法，包括以下步骤：
S1.数据采集子模块中的四个毫米波雷达探测器分别对无人机周围的不同方向进行毫米波雷达探测，并将探测数据经ARM处理器传输给数据处理模块；
S2.数据处理模块对每一个毫米波雷达探测器输出的信息进行滤波处理，得到各个毫米波雷达探测器探测方向上，障碍物距离无人机的距离和方位角；
S3.数据处理模块将滤波处理得到的信息通过数据转发模块传输给无人机飞控系统中的策略响应控制模块；
S4.无人机飞控系统中的策略响应控制模块根据各个方向距离无人机最近的障碍物距离和方位，进行碰撞风险预警或紧急制动。
在本申请的实施例中，所述步骤S1中，毫米波雷达探测器的每秒输出100次探测数据；每个毫米波雷达探测器输出的探测数据中包含3个障碍物信息，每个障碍物信息均包括与无人机的距离、与无人机的方位角以及对应的信噪比。
其中，所述步骤S2中，数据处理模块对于每个毫米波雷达探测器输出信息的滤波处理方式如下：
S201.将毫米波雷达探测器输出的信息经低通滤波器进行处理后，连续保存毫米波雷达探测器的20个探测数据作为一组；
S203.对于该组数据中的每一个探测数据，将其对应的3个障碍物信息中包含的信噪比，分别与设定阈值进行比较，删除信噪比小于设定阈值的障碍物信息，若某一探测数据中，3个障碍物信息包含的信噪比均小于设定阈值，则直接删除该探测数据；最终得到N个剩余探测数据；
S204.对于每一个剩余探测数据，取距离最小的障碍物信息作为其有效障碍物信息；
S205.在N个剩余探测数据，设有效障碍物信息中的距离分别为d1,d2....dN，方位角信息分别为ψ1,ψ2...ψN，则计算出该组数据中，障碍物距无人机的距离和方位角分别为和
S206.返回步骤S201，接收下一组探测数据，按照步骤S201～205进行滤波处理。
在进行滤波处理时，每组(20个探测数据)只计算出一个对应的距离信息和方位角信息，在毫米波雷达探测器每秒输出100次探测数据的情况下，数据传输模块向策略响应控制模块输出5次数据，相当于降低了数据的传输频率，进而有效降低了数据传输的负担，并且通过滤波处理能够滤除无效障碍物信息，得到各个毫米波雷达探测器探测方向上，障碍物距离无人机的距离和方向，为无人机的准确避障提供了有利条件。
其中，所述步骤S4包括，策略响应控制模块根据各个方向距离无人机最近的障碍物距离和方位，进行碰撞风险预警或紧急制动的方式如下：
当障碍物与无人机距离小于L1时，策略响应控制模块控制飞控系统进行紧急制动；
当障碍物与无人机距离大于L1小于L2时，策略响应控制模块进行碰撞风险预警和障碍物方位提示；
其中，L1和L2为预设的避障距离参数；例如，当障碍物与无人机距离小于5m时，策略响应控制模块控制飞控系统进行紧急制动，当障碍物与无人机距离大于5m小于10m时，策略响应控制模块进行碰撞风险预警和障碍物方位提示。在本申请的实施例中，进行障碍物方位提示时，策略响应控制模块利用无人机飞控系统中自带的通讯模块，向地面控制端发送碰撞风险预警信息和障碍物方位提示信息，提醒地面操控人员；紧急制动时，策略响应控制模块直接通过无人机飞控系统，对无人机进行制动控制。
综上，本发明基于毫米波雷达探测器对无人机周围的障碍物进行全向探测，并根据探测结果传输到无人机飞控系统中的策略响应控制模块，根据探测信息进行碰撞风险预警或紧急制动，有效提高了无人机的飞行安全；数据处理中心通过对每一个毫米波雷达输出的信息进行滤波处理，有效降低了数据处理模块与策略响应控制模块之间的数据传输频率，进而降低了数据传输的负担；同时，通过滤波处理能够滤除无效障碍物信息，得到各个毫米波雷达探测器探测方向上，障碍物距离无人机的距离和方向，为无人机的准确避障提供了有利条件。
最后需要说明的是，以上所述是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于所披露的形式，不应该看作是对其他实施例的排除，而可用于其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。
Claims (8)
1.一种基于毫米波雷达的无人机避障系统，其特征在于：包括避障模块、数据转发模块和无人机飞控系统中的策略响应控制模块；
所述避障模块包括数据采集子模块和数据处理子模块，所述数据采集子模块用于对无人机周围进行全向的雷达探测，并将探测结果传输给数据处理子模块；所述数据处理子模块对接收到的信息进行处理，得到各个方向距离无人机最近的障碍物距离和方位，并通过数据转发模块传输给无人机飞控系统中的策略响应控制模块；
所述策略响应控制模块，用于根据各个方向距离无人机最近的障碍物距离和方位，进行碰撞风险预警或紧急制动。
2.根据权利要求1所述的一种基于毫米波雷达的无人机避障系统，其特征在于：所述数据采集子模块包括ARM处理器和的四个毫米波雷达探测器；每个毫米波雷达探测器的水平探测角度均大于90°，所述四个毫米波雷达探测器分布于不同的方向，完成无人机周围的360°的全向覆盖；所述ARM处理器通过串口接收各个毫米波雷达探测器的数据，并传输给数据处理子模块。
3.根据权利要求2所述的一种基于毫米波雷达的无人机避障系统，其特征在于：所述的毫米波雷达探测器的探测频率为100Hz，即每秒输出100次探测数据；每个毫米波雷达探测器输出的探测数据中包含3个障碍物的信息，每个障碍物信息均包括与无人机的距离、与无人机的方位角以及对应的信噪比。
4.根据权利要求1所述的一种基于毫米波雷达的无人机避障系统，其特征在于：所述数据处理子模块包括：
滤波处理单元对每一个毫米波雷达探测器输出的信息进行滤波处理，得到各个毫米波雷达探测器探测方向上，障碍物距离无人机的距离和方位角；
数据传输单元，用于将滤波处理单元得到的信息通过数据转发模块传输给无人机飞控系统中的策略响应控制模块。
5.根据权利要求1～4中任意一项所述的一种基于毫米波雷达的无人机避障系统的避障方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.数据采集子模块中的四个毫米波雷达探测器分别对无人机周围的不同方向进行毫米波雷达探测，并将探测数据经ARM处理器传输给数据处理模块；
S2.数据处理模块对每一个毫米波雷达探测器输出的信息进行滤波处理，得到各个毫米波雷达探测器探测方向上，障碍物距离无人机的距离和方位角；
S3.数据处理模块将滤波处理得到的信息通过数据转发模块传输给无人机飞控系统中的策略响应控制模块；
S4.无人机飞控系统中的策略响应控制模块根据各个方向距离无人机最近的障碍物距离和方位，进行碰撞风险预警或紧急制动。
6.根据权利要求5所述的一种基于毫米波雷达的无人机避障系统的避障方法，其特征在于：所述步骤S1中，毫米波雷达探测器的每秒输出100次探测数据；每个毫米波雷达探测器输出的探测数据中包含3个障碍物信息，每个障碍物信息均包括与无人机的距离、与无人机的方位角以及对应的信噪比。
7.根据权利要求5所述的一种基于毫米波雷达的无人机避障系统的避障方法，其特征在于：所述步骤S2中，数据处理模块对于每个毫米波雷达探测器输出信息的滤波处理方式如下：
S201.将毫米波雷达探测器输出的信息经低通滤波器进行处理后，连续保存毫米波雷达探测器的20个探测数据作为一组；
S203.对于该组数据中的每一个探测数据，将其对应的3个障碍物信息中包含的信噪比，分别与设定阈值进行比较，删除信噪比小于设定阈值的障碍物信息，若某一探测数据中，3个障碍物信息包含的信噪比均小于设定阈值，则直接删除该探测数据；最终得到N个剩余探测数据；
S204.对于每一个剩余探测数据，取距离最小的障碍物信息作为其有效障碍物信息；
S205.在N个剩余探测数据，设有效障碍物信息中的距离分别为d1,d2....dN，方位角信息分别为ψ1,ψ2...ψN，则计算出该组数据中，障碍物距无人机的距离和方位角分别为和
S206.返回步骤S201，接收下一组探测数据，按照步骤S201～205进行滤波处理。
8.根据权利要求5所述的一种基于毫米波雷达的无人机避障系统的避障方法，其特征在于：所述步骤S4包括，策略响应控制模块根据各个方向距离无人机最近的障碍物距离和方位，进行碰撞风险预警或紧急制动的方式如下：
当障碍物与无人机距离小于L1时，策略响应控制模块控制飞控系统进行紧急制动；
当障碍物与无人机距离大于L1小于L2时，策略响应控制模块进行碰撞风险预警和障碍物方位提示；
其中，L1和L2为预设的避障距离参数。
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