CN111024060A - 基于光学和声学系统的载运工具导航系统、方法、设备及可读存储介质 - Google Patents

基于光学和声学系统的载运工具导航系统、方法、设备及可读存储介质 Download PDF

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Abstract

本发明公开的一种基于光学和声学系统的载运工具导航系统、方法、设备及可读存储介质，通过光学系统、声学系统和定位系统的结合，定位系统获取载运工具和目标点的位置，进而规划导航路线，由于光学系统的检测距离远远大于声学系统，因此采用光学系统检测导航路线上远距离障碍物，根据远距离的障碍物对导航路线进行更新，同时采用声学系统对更新的导航路线的近距离的障碍物进行检测，并控制载运工具进行避障；该方法将光学系统和声学系统向结合，互相弥补测量盲区，解决了声学系统和光学系统各自的检测时的弊端，使载运工具运动过程中及时调整、更新导航路线，准确避开障碍物，从而使载运工具更加高效、快速地到达目标位置。

Description

基于光学和声学系统的载运工具导航系统、方法、设备及可读 存储介质
技术领域
本发明属于载运工具导航领域，特别涉及基于光学和声学系统的载运工具导航系统、方法、设备及可读存储介质。
背景技术
载运工具，如无人机、载人飞行器、车辆、船等，在监视、侦察等任务中发挥着重要作用。在诸如低空城市侦察等情况下，无人机可能遇到固定或移动的大小障碍物，并且障碍物位置未预先知晓。目前各种障碍物检测方法中使用的激光传感器精度不高；视觉传感器需要的算法计算量大且不能检测透明障碍物，受光照强度影响大；红外传感器受环境影响大，测量不精确；声波传感器作用距离较短。
载运工具无法胜任在任何环境下都能够有效进行避障，不同测量传感器有不同的优缺点，将互补的不同传感器联合使用，能够克服单个传感器测量方法的缺陷，增强整体的适用性，因此迫切需要发展一种这样的导航系统及方法
发明内容
针对现有载运工具的障碍物检测装置受到环境和自身性能的影响，导致载运工具无法在任何环境下都能够有效进行避障的问题，本发明提供了一种基于光学和声学系统的载运工具导航系统及方法，采用光学和声学等多种系统检测不同类型障碍物，能够在载运工具运动过程中及时调整、更新导航路线，准确避开障碍物，从而使载运工具更加高效、快速地到达目标位置。
本发明是通过以下技术方案来实现：
基于光学和声学系统的载运工具导航方法，包括以下步骤：
步骤1、根据载运工具的位置和目标点位置，规划载运工具的导航路线；
步骤2、载运工具的光学系统实时检测导航路线中的障碍物信息，根据障碍物信息对导航路线进行实时更新，载运工具根据更新后的导航路线向目标点行进；
步骤3、载运工具的声学系统实时检测更新后的导航路线上的障碍物信息；
步骤4、根据步骤3检测到的障碍物的信息，并结合载运工具的位置信息，生成避障指令；
步骤5、载运工具根据避障指令进行避障，避障后回到更新后的导航路线继续向目标点行进；
步骤6、重复步骤2-5，直至载运工具到达目标点位置。
优选的，步骤1中通过GPS收发器获取载运工具和目标点的位置。
优选的，步骤2中光学系统采用三维重建技术识别光学视场内的障碍物。
优选的，步骤3中声学系统采用波束形成技术识别声学视场内的障碍物。
优选的，步骤2和3中所述障碍物信息包括障碍物的形状、大小、距离及运动数据。
本发明还提供了上述基于光学和声学系统的载运工具导航方法的导航系统，包括光学系统、声学系统、定位系统和控制系统；
所述光学系统和声学系统，均用于检测导航路线中的障碍物信息；
所述定位系统，用于获取载运工具的位置信息；
所述控制系统，用于根据障碍物信息和载运工具的位置信息，优化导航路线，并控制载运工具沿导航路线行驶。
优选的，所述光学系统包括至少一个红外传感器；
所述声学系统包括至少一个回声定位传感器。
本发明还提供了一种终端设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现基于光学和声学系统的载运工具导航方法的步骤。
本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现基于光学和声学系统的载运工具导航方法的步骤。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明提供的基于光学和声学系统的载运工具导航方法，通过光学系统、声学系统和定位系统的结合，定位系统获取载运工具和目标点的位置，进而规划导航路线，由于光学系统的检测距离远远大于声学系统，因此采用光学系统检测导航路线上远距离障碍物，根据远距离的障碍物对导航路线进行更新，同时采用声学系统对更新的导航路线的近距离的障碍物进行检测，并控制载运工具进行避障；该方法将光学系统和声学系统向结合，互相弥补测量盲区，解决了声学系统和光学系统各自的检测时的弊端，即声学系统可以测量红外传感器无法准确测量的黑色物体，光学系统可以测量超声波传感器无法测量的吸声面或声音干扰，在导航路线中多种检测系统能够动态进行障碍物检测，使载运工具运动过程中及时调整、更新导航路线，准确避开障碍物，从而使载运工具更加高效、快速地到达目标位置。
进一步，障碍物检测信息中包括位置与速度信息，所获得信息能够确定与障碍物的相对位置信息并迅速做出相应避免障碍物。
进一步，光学系统采用三维重建技术能够准确识别导航路径上的障碍物，同时声学系统波束形成技术识别障碍物，提高了识别障碍物的准确性。
本发明还提供了基于光学和声学系统的载运工具导航系统，包括光学系统、声学系统、定位系统和控制系统；通过结合光学系统和声学系统的优势，声学系统可以与光学系统互相弥补测量盲区，相对来说，声学系统负责近距离障碍物检测；光学系统负责稍远距离障碍物检测；GPS进行初始路线生成和远距离部分导航。声学系统可以测量光学系统无法准确测量的黑色物体；光学系统可以测量声学系统无法测量的吸声面或声音干扰。在不同路线中使用不同的传感器的优势能够动态进行障碍物检测与速度测量，使得无人机能够迅速做出响应生成其他路线导航。
进一步，多个传感器布置增大测量范围并且减小盲区，增大置信度，多个测量出错可能小；
进一步，多个传感器布置增大测量范围并且减小盲区，增大置信度，多个测量出错可能小。
附图说明
图1为本发明载运工具导航系统；
图2为本发明载运工具导航方法流程
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
参照图1，一种基于光学和声学系统的载运工具导航系统，包括光学系统、声学系统、定位系统、控制系统和转向机构。
光学系统包括一个或多个红外传感器，使用三维重建技术识别光学视场内的障碍物。
声学系统包括一个或多个回声定位传感器，采用波束形成技术识别声学视场内的障碍物。
定位系统采用全球定位系统(GPS)收发器来动态地确定载运工具的当前位置。
控制系统接收光学系统、声学系统和定位系统的信息，动态地计算识别障碍物，确定载运工具与障碍物的相对位置，然后规划、修改载运工具的导航路线，并将操纵指令传输至载运工具的转向机构，将载运工具引导至期望位置。
转向机构包括用于操纵载运工具的行驶方向。
控制系统根据运动信息来控制载运工具的转向机构，运动信息包括由控制系统对来自光学系统和声学系统的数据进行光流法处理而得到的速度或航向信息。
光学系统累积至少一百八十度的光学视场，且红外传感器可以在光学视场中具有预设的重叠。
声学系统累积至少十度的声学视场，且回声定位传感器可以在声学视场中具有预设的重叠。
导航系统除了进行自动控制外，还受控于客户端，相关人员可通过客户端查看载运工具的运动情况，并发送操纵指令。
本发明的基于光学和声学系统的载运工具导航系统，GPS首先生成总的导航路线，障碍物识别传感器测量距离有限，需要在导航路线上不间断进行障碍物测量，红外传感器有效距离比超声波传感器远，进行障碍物测量后更新导航路线，超声波传感器进行测量以补充红外传感器的测量盲区，采用红外传感器和超声波传感器检测不同类型障碍物，能够在载运工具运动过程中及时调整、更新导航路线，准确避开障碍物，从而使载运工具更加高效、快速地到达目标位置。
参照图2，一种基于光学和声学系统的载运工具导航方法，包括以下步骤：
步骤1、定位系统的全球定位系统(GPS)收发器获取载运工具和目标点位置，将该位置信息传输至处理系统；
步骤2、控制系统根据定位系统传输的信息，规划得到导航路线，载运工具根据导航路线向目标点位置飞行。
步骤3、光学系统的红外传感器检测导航路线中较为明显的障碍物，并将该障碍物信息传输至控制系统；
步骤4、控制系统根据光学系统传输的障碍物信息，对导航路线进行修正、更新，得到更新后的导航路线；
步骤5、处理系统根据更新后的导航路线生成操纵指令，并将其传输至载运工具的转向机构，控制载运工具沿更新后的导航路线行进；
步骤6、载运工具沿更新后的导航路线行进过程中，声学系统的回声定位传感器检测更新后的导航路线中的障碍物，即光学系统的红外传感器不易检测到的静态或动态障碍物，并将该障碍物信息传输至处理系统；
步骤7、处理系统根据声学系统传输的障碍物信息，结合定位系统的位置信息，计算得到载运工具与障碍物的相对位置关系，据此生成避障指令，并传输至载运工具的转向机构；
步骤8、转向机构执行避障指令，同时定位系统向控制系统实时反馈载运工具的位置信息。载运工具完成局部避障后，立即返回更新后的导航路线继续行进，若无法返回更新后的导航路线，则通过步骤4-5重新规划导航路线并生成操纵指令，然后重复步骤6-8，直至到达目标位置。
光学系统和声学系统所获得的障碍物信息包括障碍物形状、大小、距离及运动数据等。
在步骤6中，将声学系统与光学系统结合使用，以增强障碍物的识别精度。
处理系统在进行路线规划和生成操纵指令、避障指令时，基于光学系统、声学系统和定位系统所提供数据，其中声学系统所提供数据的优先级最高，其次为光学系统，定位系统所提供数据的优先级最低。
在示例性实施例中，还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述基于光学和声学系统的载运工具导航方法的步骤。其中，所述计算机存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或数据存储设备，包括但不限于磁性存储器(例如软盘、硬盘、磁带、磁光盘(MO)等)、光学存储器(例如CD、DVD、BD、HVD等)、以及半导体存储器(例如ROM、EPROM、EEPROM、非易失性存储器(NANDFLASH)、固态硬盘(SSD))等。
在示例性实施例中，还提供了一种纠终端设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述基于光学和声学系统的载运工具导航方法的步骤。处理器可能是中央处理单元(CentralProcessingUnit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(DigitalSignalProcessor，DSP)、专用集成电路(ApplicationSpecificIntegratedCircuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-ProgrammableGateArray，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (9)

1.基于光学和声学系统的载运工具导航方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、根据载运工具的位置和目标点位置，规划载运工具的导航路线；
步骤2、载运工具的光学系统实时检测导航路线中的障碍物信息，根据障碍物信息对导航路线进行实时更新，载运工具根据更新后的导航路线向目标点行进；
步骤3、载运工具的声学系统实时检测更新后的导航路线上的障碍物信息；
步骤4、根据步骤3检测到的障碍物的信息，并结合载运工具的位置信息，生成避障指令；
步骤5、载运工具根据避障指令进行避障，避障后回到更新后的导航路线继续向目标点行进；
步骤6、重复步骤2-5，直至载运工具到达目标点位置。
2.根据权利要求1所述的基于光学和声学系统的载运工具导航方法，其特征在于，步骤1中通过GPS收发器获取载运工具和目标点的位置。
3.根据权利要求1所述的基于光学和声学系统的载运工具导航方法，其特征在于，步骤2中光学系统采用三维重建技术识别光学视场内的障碍物。
4.根据权利要求1所述的基于光学和声学系统的载运工具导航方法，其特征在于，步骤3中声学系统采用波束形成技术识别声学视场内的障碍物。
5.根据权利要求1所述的基于光学和声学系统的载运工具导航方法，其特征在于，步骤2和3中所述障碍物信息包括障碍物的形状、大小、距离及运动数据。
6.一种基于权利要求1-5任一项所述基于光学和声学系统的载运工具导航方法的导航系统，其特征在于，包括光学系统、声学系统、定位系统和控制系统；
所述光学系统和声学系统，均用于检测导航路线中的障碍物信息；
所述定位系统，用于获取载运工具的位置信息；
所述控制系统，用于根据障碍物信息和载运工具的位置信息，优化导航路线，并控制载运工具沿导航路线行驶。
7.根据权利要求6所述基于光学和声学系统的载运工具导航方法的导航系统，其特征在于，所述光学系统包括至少一个红外传感器；
所述声学系统包括至少一个回声定位传感器。
8.一种终端设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至5任一项所述方法的步骤。
9.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至5任一项所述方法的步骤。
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