CN110045742B - 一种基于红外光测距的四旋翼无人机避障装置及避障方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于红外光测距的四旋翼无人机避障装置及避障方法，无人机包括红外光发射与接收模块、超声波测距模块、舵机与平面镜旋转装置、主控芯片，所述避障方法如下：将红外光发射与接收装置安装在无人机的前端机架臂末端处上方和后端机架臂末端处下方，四个红外光发射与接收装置经障碍物反射的点可以构成一个矩形，即无人机的平面图形，利用舵机与平面镜的组合装置，实现可以令红外光沿着矩形对角线方向向外扫描出一定角度的功能，对扫描的距离结果进行判断，若所得距离信息均超过一定阈值，无人机即向相应的对角线反向延长线方向移动，躲避过相应的障碍物。红外光发射与接收模块相对于其他模块来说，价格便宜且符合大部分工作要求。

Description

一种基于红外光测距的四旋翼无人机避障装置及避障方法

技术领域

本发明属于无人机技术领域，特别是一种基于红外光测距的四旋翼无人机避障装置及避障方法。

背景技术

在最近的几年里，四旋翼无人机迅猛发展，但是无人机在飞行过程中经常会遇到一些障碍物，我们需要无人机能够自主避障，躲避过这些障碍，目前主要采用激光扫描雷达或双目视觉技术实现无人机的自主避障功能，激光扫描雷达虽然工作效果比较好，但是价格较昂贵，提高了无人机整体的成本，而视觉技术容易受到恶劣环境条件的影响，不能满足各种环境工作的需求。

此外传统的避障方式可以分为两类，一类为升高或降低无人机的飞行高度，另外一类为通过各种传感器测量无人机与障碍物之间的距离，在距离障碍物较近时无人机转弯。第一类避障方式无人机避障前与避障后的位置距离很远，只适用于对梯田或高层建筑的避障，而第二类避障方式只是简单的在无人机距离障碍物较近时进行转弯，过于笨重。

发明内容

针对上述存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种成本较低且能实现小范围避障的基于红外光测距的四旋翼无人机避障装置及避障方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于红外光测距的四旋翼无人机避障装置，所述四旋翼无人机包括四个机架臂，其中每两个相邻的机架臂相互垂直，所述装置包括设置在第一前机架臂上方的第一前端红外光发射与接收装置和第一舵机与平面镜装置、第二前机架臂上方的第二前端红外光发射与接收装置和第二舵机与平面镜装置、第一后机架臂下方的第一后端红外光发射与接收装置和第三舵机与平面镜装置、第二后机架臂下方的第二后端红外光发射与接收装置和第四舵机与平面镜装置、超声波模块和主控芯片，其中每个舵机与平面镜装置包括一个舵机以及由所述舵机控制的平面镜，所述平面镜位于相应的红外光发射与接收装置的前方，所述超声波模块以及每个红外光发射与接收装置以及每个舵机与所述主控芯片电连接。

进一步地，所述装置还包括惯性传感器。

进一步地，所述惯性传感器包括加速度计与陀螺仪。

根据上述所述的基于红外光测距的四旋翼无人机避障装置的避障方法，包括如下步骤：

步骤一，调整飞行状态：调整四个平面镜与无人机的飞行方向相同，第一舵机与平面镜装置中的平面镜与水平方向所成角度为

第二舵机与平面镜装置中的平面镜与水平方向所成角度为

第三舵机与平面镜装置中的平面镜与水平方向所成角度为

第四舵机与平面镜装置中的平面镜与水平方向所成角度为

其中a为垂直于飞行方向的两个红外光发射与接收装置之间的距离，b为平行于飞行方向的两个红外光发射与接收装置之间的距离，c为上、下两个红外光发射与接收装置之间的高度差；

步骤二，超声波模块测量无人机高度信息，若高度h小于

则升高无人机飞行高度直至高度h大于

步骤三，两个前端红外光发射与接收装置与两个后端红外光发射与接收装置发射并接收红外光，获取无人机与障碍物的四个对应的距离信息，所述四个对应的距离信息包括第一前端红外光发射与接收装置与障碍物的距离s1、第二前端红外光发射与接收装置与障碍物的距离s2、第一后端红外光发射与接收装置与障碍物的距离s3、第二后端红外光发射与接收装置与障碍物的距离s4，主控芯片获取所述四个距离信息，若距离信息满足第一判断条件，则进行步骤四；若满足第二判断条件则无人机向前飞行，直到无人机与障碍物之间的距离s小于一阈值后进行转向，其中所述第一判断条件包括：

(1)若|s1-s2|>ε、|s3-s4|<ε，且|s4-s2-b|<ε、s1>s2+ε，则转动第一舵机与平面镜装置的平面镜；

(2)若|s1-s2|>ε、|s3-s4|<ε，且|s3-s1-b|<ε、s1+ε<s2，则转动第二舵机与平面镜装置的平面镜；

(3)若|s1-s2|<ε、|s3-s4|>ε，且|s4-s2-b|<ε、s3>s4+ε，则转动第三舵机与平面镜装置的平面镜；

(4)若|s1-s2|<ε、|s3-s4|>ε，且|s3-s1-b|<ε、s3+ε<s4，则转动第四舵机与平面镜装置的平面镜；

(5)若|s1-s2|<ε、|s3-s4|<ε，且|s3-s1-b|>ε、s1>s4-b+ε，则先转动第一舵机与平面镜装置的平面镜，再转动第二舵机与平面镜装置的平面镜；

(6)若|s1-s2|<ε、|s3-s4|<ε，且|s3-s1-b|>ε、s1+ε<s3-b，则先转动第三舵机与平面镜装置的平面镜，再转动第四舵机与平面镜装置的平面镜；

(7)若|s1-s2|>ε、|s3-s4|>ε，且|s3-s1-b|<ε、|s4-s2-b|<ε，则先转动{s1、s2}_max所对应的舵机与平面镜装置的平面镜，再转动{s3、s4}_max所对应的舵机与平面镜装置的平面镜；

(8)若|s2-s1|>ε、|s3-s1-b|>ε，且|s4–s1-b|>ε,则转动第四舵机与平面镜装置的平面镜；

(9)若|s1-s2|>ε、|s3-s2-b|>ε，且|s4–s2-b|>ε，则转动第三舵机与平面镜装置的平面镜；

(10)若|s1-s3+b|>ε、|s2-s3+b|>ε，且|s4–s3|>ε，则转动第二舵机与平面镜装置的平面镜；

(11)若|s1-s4+b|>ε、|s2-s4+b|>ε，且|s3–s4|>ε，则转动第一舵机与平面镜装置的平面镜，其中ε取值范围为10cm-40cm；

所述第二判断条件为：

s1＝s2、s3＝s4且|s3+s4-s1-s2-2b|<ε，其中ε取值范围为10cm-40cm；

步骤四，舵机与平面镜装置中的平面镜旋转角度

对应的红外光发射与接收装置发射出的红外光扫描角度为β，将扫描过程中的实时距离信息传递给主控芯片进行判断，若实时距离信息满足第三判断条件，则进行步骤五，所述

若不满足第三判断条件则无人机则继续向前飞行，直到无人机与障碍物之间的距离s小于一阈值后进行转向；

所述第三判断条件为：

所述实时距离信息均大于

其中s＝{s1、s2、s3-b、s4-b}_min；

步骤五，所有的舵机与平面镜装置的平面镜调整为与无人机的飞行方向相同，使无人机向红外光发射与接收装置扫描的方向移动

的距离，实现无人机的避障。

进一步地，ε为20cm。

进一步地，所述阈值为3m。

本发明借助于四个红外光发射与接收装置和舵机与平面镜装置，改变红外光的传播方向，使得红外光发射与接收装置不是简单的只能测量无人机距离障碍物的距离，而是可以使红外光向外扫描出一定的角度，判断扫描过程中的实时距离信息，根据判断的结果改变无人机的位置，在避障前后无人机的位置距离很近，实现了无人机的小范围避障。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

1)本发明采用了红外光信号来避障，相比于其他的避障装置，红外光发射与接收装置尺寸体积比较小，且红外光适应于大部分的工作条件，在黑暗的条件下也可以使用，此外，红外光传感器价格便宜，降低了无人机的整体成本；

2)本装置的避障技术实现了向无人机的平面形状的对角线反向延长线方向移动1.5倍对角线长度的功能，实现了无人机的小范围内避障，而不是简单地升高与降低无人机的飞行高度。

附图说明

图1为本发明基于红外光测距的四旋翼无人机避障装置的一个视角的立体结构示意图。

图2为本发明基于红外光测距的四旋翼无人机避障装置的另一个视角的立体结构示意图。

图3为本发明基于红外光测距的四旋翼无人机避障装置各部分控制连接图。

图4为本发明基于红外光测距的四旋翼无人机避障装置的避障方法流程图。

图5为本发明无人机避障装置在障碍物上留下的点以及平面镜扫过角度的示意图。

图6为本发明无人机在障碍物上留下的点及平面镜的截面图。

具体实施方式

下面结合说明书附图，对本发明作进一步的说明。

如图1-3所示，一种基于红外光测距的四旋翼无人机避障装置，所述四旋翼无人机包括四个机架臂，其中每两个相邻的机架臂相互垂直，所述装置包括设置在第一前机架臂上方的第一前端红外光发射与接收装置1-1和第一舵机与平面镜装置4-1、第二前机架臂上方的第二前端红外光发射与接收装置1-2和第二舵机与平面镜装置4-2、第一后机架臂下方的第一后端红外光发射与接收装置2-1和第三舵机与平面镜装置4-3、第二后机架臂下方的第二后端红外光发射与接收装置2-2和第四舵机与平面镜装置4-4、超声波模块3和主控芯片6，其中每个舵机与平面镜装置包括一个舵机以及由所述舵机控制的平面镜，所述平面镜位于相应的红外光发射与接收装置的前方，所述超声波模块3以及每个红外光发射与接收装置以及每个舵机与所述主控芯片6电连接。所述装置还包括惯性传感器5，所述惯性传感器5包括加速度计与陀螺仪。

取无人机的长为a(垂直于飞行方向的两个红外光发射与接收装置之间的距离)，宽为b(平行于飞行方向的两个红外光发射与接收装置之间的距离)，高为c(上、下两个红外光发射与接收装置之间的高度差)(已在图1中表示)。

结合图5，若四个红外光传感器发射出的红外光经障碍物反射的点落在同一障碍物的一个平面上，定义第一前端红外光发射装置1-1发射的红外光经障碍物反射的点为p1，第二前端红外光发射装置1-2发射的红外光经障碍物反射的点为p2，第一后端红外光发射装置2-1发射的红外光经障碍物反射的点为p3，第二后端红外光发射装置2-2发射的红外光经障碍物反射的点为p4，在平面镜未偏转的情况下这四个点可以构成一个平面矩形，其所构成的平面矩形可近似的认为是无人机在障碍物面上的投影。图中点e为红外光发射装置1-2发射出的红外光经镜面反射的点，经镜面反射后的红外光经障碍物反射后在障碍物上留下点p2，假设p2与其他三点不共面，则第二舵机与平面镜装置进行工作，平面镜转过

角度，图中所标注的β角度为红外光在第二舵机与平面镜装置4-2旋转过程中扫描过的角度，

为红外光在障碍物面上扫过的距离，

为红外光传感器到已偏转β角度的红外光射线与障碍物表面交点的距离(取距离s＝{s1、s2、s3-b、s4-b}_min)；

结合图6，舵机与平面镜装置开始时与无人机的飞行方向相同，第一舵机与平面镜装置4-1中的平面镜与水平方向所成角度为

第二舵机与平面镜装置4-2中的平面镜与水平方向所成角度为

第三舵机与平面镜装置4-3中的平面镜与水平方向所成角度为

第四舵机与平面镜装置4-4中的平面镜与水平方向所成角度为

图6为一张截面图，其接近于反射点p1、p2、p3、p4的矩形为平面镜的截面，其垂直于反射点构成的矩形的对角线，α₁、α₂、α₃、α₄及平面镜的旋转方向已在图中表示出来。

结合图4，超声波模块3测量高度信息，若高度h小于

则升高高度后再进行下述过程(若无人机飞行高度高度小于

则无人机无法向下进行避障，故要求无人机的高度要大于

第一前端红外光发射装置1-1发射出一道红外光，经过障碍物反射后，其相应的接收装置接收到红外光，并经由主控芯片6处理后得到相应的距离信息s1，同理第二前端红外光发射与接收装置1-2发射出的红外光经主控芯片6处理后得到距离信息s2，第一后端红外光发射与接收装置2-1发射出的红外光经主控芯片6处理后得到距离信息s3，第二后端红外光发射与接收装置发射出的红外光经主控芯片6处理后得到距离信息s4。

由主控芯片6判断距离信息之间的关系：

(1)若|s1-s2|<ε、|s3-s4|<ε且|s3+s4-s1-s2-2b|<ε，ε值取为20cm，则说明p1、p2、p3、p4四个点是共面的且均落在障碍物平面上(若红外光发射装置不存在误差则理论上s3+s4-s1-s2-2b＝0，但实际上红外光发射装置可能会存在一定误差，所以给定一个小的误差范围ε)，则无人机向前飞行，直到与障碍物间距离s小于一定阈值(可值取为3米)时进行转弯；

(2)若|s1-s2|>ε、|s3-s4|<ε，且|s4-s2-b|<ε、s1>s2+ε，则认为点p2、p3、p4共面且落在前方障碍物上，点p1不共面，则转动第一舵机与平面镜装置4-1所对应平面镜；

(3)若|s1-s2|>ε、|s3-s4|<ε,且|s3-s1-b|<ε、s1+ε<s2，则认为点p1、p3、p4共面且落在前方障碍物上，点p2不共面，则转动第二舵机与平面镜装置4-2所对应平面镜；

(4)若|s1-s2|<ε、|s3-s4|>ε，且|s4-s2-b|<ε、s3>s4+ε，则认为点p1、p2、p4共面且落在前方障碍物上，点p3不共面，则转动第三舵机与平面镜装置4-3所对应平面镜；

(5)若|s1-s2|<ε、|s3-s4|>ε,且|s3-s1-b|<ε、s3+ε<s4，则认为点p1、p2、p3共面且落在前方障碍物上，点p4不共面，则转动第四舵机与平面镜装置4-4所对应平面镜；

(6)若|s1-s2|<ε、|s3-s4|<ε，且|s3-s1-b|>ε、s1>s4-b+ε，则认为点p3、p4共面且落在前方障碍物上，点p1、p2不在面上，则先转动第一舵机与平面镜装置4-1所对应平面镜，再转动第二舵机与平面镜装置4-2所对应平面镜；

(7)若|s1-s2|<ε、|s3-s4|<ε，且|s3-s1-b|>ε、s1+ε<s3-b，则认为点p1、p2共面且落在前方障碍物上，点p3、p4不在面上，则先转动第三舵机与平面镜装置4-3所对应平面镜，再转动第四舵机与平面镜装置4-4所对应平面镜；

(8)若|s1-s2|>ε、|s3-s4|>ε，且|s3-s1-b|<ε、|s4-s2-b|<ε,则可认为点p1、p3或点p2、p4不在障碍物面上面上，则先转动{s1、s2}_max所对应的舵机与平面镜装置的平面镜，再转动{s3、s4}_max所对应的舵机与平面镜装置的平面镜；

(9)若|s2-s1|>ε、|s3-s1-b|>ε，且|s4–s1-b|>ε,则认为点p2、p3、p4未落在前方障碍物上，点p1落在前方障碍物上，则转动第四舵机与平面镜装置4-4所对的应平面镜；

(10)若|s1-s2|>ε、|s3-s2-b|>ε，且|s4–s2-b|>ε，则认为点p1、p3、p4共面且未落在前方障碍物上，点p2落在前方障碍物上，则转动第三舵机与平面镜装置4-3所对的应平面镜；

(11)若|s1-s3+b|>ε、|s2-s3+b|>ε，且|s4–s3|>ε，则认为点p1、p2、p4共面且未落在前方障碍物上，点p3落在前方障碍物上，则转动第二舵机与平面镜装置4-2所对的应平面镜；

(12)若|s1-s4+b|>ε、|s2-s4+b|>ε，且|s3–s4|>ε，则认为点p1、p2、p3共面且未落在前方障碍物上，点p4落在前方障碍物上，则转动第一舵机与平面镜装置4-1所对的应平面镜；

取距离s＝{s1、s2、s3-b、s4-b}_min

不同的舵机与平面镜装置中的平面镜接收到旋转指令后转过相同的角度为

β为红外光经镜面反射后偏转的角度，需要主控芯片6对处理模块得到的实时距离信息进行计算得到，并将相应的舵机转数传输给舵机，舵机改变转数。

主控芯片6对舵机与平面镜装置旋转过程中传输回来的实时距离信息做判断，若在扫描过程中，红外光发射与接收装置接收到的实时距离信息均大于

则将信号传递给主控芯片6，如果接收到的实时距离信息小于或等于

则无人机向前飞行，直到小于一定阈值进行转弯。

所有的舵机与平面镜装置中的平面镜调整为与无人机的飞行方向相同，主控芯片接收到判断模块传输的改变飞行姿态的信号，调节无人机无刷电机的转速，调整无人机的飞行姿态，惯性传感器5将反馈的加速度与姿态角的信号传输给主控芯片6，主控芯片6再次调节无刷电机的转速，使无人机向红外光发射与接收装置扫描的方向移动

的距离，实现四旋翼无人机的小范围避障。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种基于红外光测距的四旋翼无人机避障装置的避障方法，所述四旋翼无人机包括四个机架臂，其中每两个相邻的机架臂相互垂直，所述装置包括设置在第一前机架臂上方的第一前端红外光发射与接收装置(1-1)和第一舵机与平面镜装置(4-1)、第二前机架臂上方的第二前端红外光发射与接收装置(1-2)和第二舵机与平面镜装置(4-2)、第一后机架臂下方的第一后端红外光发射与接收装置(2-1)和第三舵机与平面镜装置(4-3)、第二后机架臂下方的第二后端红外光发射与接收装置(2-2)和第四舵机与平面镜装置(4-4)、超声波模块(3)和主控芯片(6)，其中每个舵机与平面镜装置包括一个舵机以及由所述舵机控制的平面镜，所述平面镜位于相应的红外光发射与接收装置的前方，所述超声波模块(3)以及每个红外光发射与接收装置以及每个舵机与所述主控芯片(6)电连接，

所述方法包括如下步骤：

步骤一，调整飞行状态：调整四个平面镜与无人机的飞行方向相同，第一舵机与平面镜装置(4-1)中的平面镜与水平方向所成角度为

第二舵机与平面镜装置(4-2)中的平面镜与水平方向所成角度为

第三舵机与平面镜装置(4-3)中的平面镜与水平方向所成角度为

第四舵机与平面镜装置(4-4)中的平面镜与水平方向所成角度为

其中a为垂直于飞行方向的两个红外光发射与接收装置之间的距离，b为平行于飞行方向的两个红外光发射与接收装置之间的距离，c为上、下两个红外光发射与接收装置之间的高度差；

步骤二，超声波模块(3)测量无人机高度信息，若高度h小于

则升高无人机飞行高度直至高度h大于

步骤三，两个前端红外光发射与接收装置与两个后端红外光发射与接收装置发射并接收红外光，获取无人机与障碍物的四个对应的距离信息，所述四个对应的距离信息包括第一前端红外光发射与接收装置(1-1)与障碍物的距离s1、第二前端红外光发射与接收装置(1-2)与障碍物的距离s2、第一后端红外光发射与接收装置(2-1)与障碍物的距离s3、第二后端红外光发射与接收装置(2-2)与障碍物的距离s4，主控芯片(6)获取所述四个对应的距离信息，若距离信息满足第一判断条件，则进行步骤四；若满足第二判断条件则无人机向前飞行，直到无人机与障碍物之间的距离s小于一阈值后进行转向，其中所述第一判断条件包括：

(1)若|s1-s2|>ε、|s3-s4|<ε，且|s4-s2-b|<ε、s1>s2+ε，则转动第一舵机与平面镜装置(4-1)的平面镜；

(2)若|s1-s2|>ε、|s3-s4|<ε，且|s3-s1-b|<ε、s1+ε<s2，则转动第二舵机与平面镜装置(4-2)的平面镜；

(3)若|s1-s2|<ε、|s3-s4|>ε，且|s4-s2-b|<ε、s3>s4+ε，则转动第三舵机与平面镜装置(4-3)的平面镜；

(4)若|s1-s2|<ε、|s3-s4|>ε，且|s3-s1-b|<ε、s3+ε<s4，则转动第四舵机与平面镜装置(4-4)的平面镜；

(5)若|s1-s2|<ε、|s3-s4|<ε，且|s3-s1-b|>ε、s1>s4-b+ε，则先转动第一舵机与平面镜装置(4-1)的平面镜，再转动第二舵机与平面镜装置(4-2)的平面镜；

(6)若|s1-s2|<ε、|s3-s4|<ε，且|s3-s1-b|>ε、s1+ε<s3-b，则先转动第三舵机与平面镜装置(4-3)的平面镜，再转动第四舵机与平面镜装置(4-4)的平面镜；

(7)若|s1-s2|>ε、|s3-s4|>ε，且|s3-s1-b|<ε、|s4-s2-b|<ε，则先转动{s1、s2}_max所对应的舵机与平面镜装置的平面镜，再转动{s3、s4}_max所对应的舵机与平面镜装置的平面镜；

(8)若|s2-s1|>ε、|s3-s1-b|>ε，且|s4–s1-b|>ε,则转动第四舵机与平面镜装置(4-4)的平面镜；

(9)若|s1-s2|>ε、|s3-s2-b|>ε，且|s4–s2-b|>ε，则转动第三舵机与平面镜装置(4-3)的平面镜；

(10)若|s1-s3+b|>ε、|s2-s3+b|>ε，且|s4–s3|>ε，则转动第二舵机与平面镜装置(4-2)的平面镜；

(11)若|s1-s4+b|>ε、|s2-s4+b|>ε，且|s3–s4|>ε，则转动第一舵机与平面镜装置(4-1)的平面镜，其中ε取值范围为10cm-40cm；

所述第二判断条件为：

|s1-s2|<ε、|s3-s4|<ε且|s3+s4-s1-s2-2b|<ε，其中ε取值范围为10cm-40cm；

步骤四，舵机与平面镜装置中的平面镜旋转角度

对应的红外光发射与接收装置发射出的红外光扫描角度为β，将扫描过程中的实时距离信息传递给主控芯片(6)进行判断，若实时距离信息满足第三判断条件，则进行步骤五，所述

若不满足第三判断条件则无人机则继续向前飞行，直到无人机与障碍物之间的距离s小于一阈值后进行转向；

所述第三判断条件为：

所述实时距离信息均大于

其中s＝{s1、s2、s3-b、s4-b}_min；

步骤五，所有的舵机与平面镜装置中的平面镜调整为与无人机的飞行方向相同，使无人机向红外光发射与接收装置扫描的方向移动

的距离，实现无人机的避障。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述装置还包括惯性传感器(5)。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述惯性传感器(5)包括加速度计与陀螺仪。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，ε为20cm。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述阈值为3m。

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