CN113138397B - 一种无人机避障装置及无人机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无人机的避障装置，包括环境感知单元、姿态采集单元、数据处理单元、控制单元以及避障单元，环境感知单元安装在一无人机机体上，用于获取无人机机体周围环境的点云数据，包括，第一激光雷达和二轴单元，第一激光雷达具有相对其自身周向360度的线性扫描范围，并形成第一激光雷达的扫描平面，二轴单元用于改变第一激光雷达的扫描平面在三维空间内的空间旋转角度，使第一激光雷达获得三维空间内的扫描数据。本发明结构简单，仅需要控制两个旋转轴即可将360激光雷达的扫描范围由二维提升到三维，对控制单元硬件的要求较低，节省了避障装置的成本。同时体积较小，有效减少了避障装置本身对第一激光雷达传感器探测视野的遮挡范围。

Description

一种无人机避障装置及无人机
技术领域
本发明涉及巡检技术领域，尤其是涉及一种无人机避障装置及无人机。
背景技术
目前执行对智慧工地等大环境精细化巡检作业的无人机，较为常见的是搭载单个激光雷达进行飞行，但在监测时仅能单角度、单方位观察工地，难免存在视角盲点导致漏检，无法很好的识别出智慧工地等复杂环境中存在的飞行障碍物，为了减少无人机扫描视角的盲点，使无人机合理的躲避飞行过程中的障碍物，目前有两种方案，
一种方案，通过多个的激光雷达传感器，分别安装在无人机机体的多个方位，实现激光雷达扫描视野的全覆盖(除无人机机体本身)，使无人机在巡检过程中，合理且有效的避障。
通过增加多个激光雷达传感器存在一下问题：一是会增加无人机的重量，不利于无人机的飞行，二是会增加无人机的成本，三是多个激光雷达传感器进行扫描数据融合时，数据处理系统处理的数据量较大，且每一个激光雷达传感器在进行坐标转化过程中存在误差，影响扫描数据的精度。
另一种方案，采用单个激光传感器配合三轴转动机构，来减少激光雷达的扫描视角的盲点，如中国专利号CN 112526530 A，申请公布日2021.03.19，专利名称《一种无人机避障方法及无人机》，该专利通过在无人机本体上设置机载控制器、转动机构和单线激光雷达，利用机载控制器驱动单线激光雷达相对无人机进行周期转动并扫描，利用单线激光雷达实现了三维扫描测距避障功能。该专利虽然实现了单个激光雷达扫描的视野的全覆盖(除无人机机体本身)，但是三轴转动机构配合单线激光雷达存在以下问题：
1.三轴转动机构结构复杂、成本较高，三轴联动调试难度较大。
2.三轴转动机构体积相对庞大，增加了三轴转动结构本身对激光雷达传感器的探测视野的遮挡范围。
所以有必要提出一种新的方案，对现有技术存在的问题进行改进。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提出一种无人机的避障装置及无人机，通过360度线性激光雷达与二轴单元的结合，控制所述二轴机构的转动角度使360度线性激光雷达的扫描空间由二维提升到三维，提升了无人机空间探测能力以及对障碍物扫描的能力，增加了对环境的适应性，由于本发明结构简单，有效避障的同时节约了无人机巡检成本。
根据本发明目的公开了一种无人机的避障装置，包括：
环境感知单元，安装在一无人机机体上，用于获取所述无人机机体周围环境的点云数据，包括，
第一激光雷达，所述第一激光雷达具有相对其自身周向360度的线性扫描范围，并形成所述第一激光雷达的扫描平面，
二轴单元，用于改变所述第一激光雷达的扫描平面在三维空间内的空间旋转角度，使所述第一激光雷达获得三维空间内的扫描数据，所述二轴单元包括，
第一摆动机构，所述第一摆动机构与所述第一激光雷达相连接，所述摆动机构具有第一旋转轴线，所述第一摆动机构带动所述第一激光雷达绕所述第一旋转轴在第一平面内旋转，使所述第一激光雷达旋转至第一空间角度，
第二摆动机构，所述第二摆动机构与所述第一摆动机构连接，所述第二摆动机构具有第二旋转轴线，所述第二摆动机构带动所述第一摆动机构绕所述第二旋转轴线在第二平面内旋转，所述第一平面与所述第二平面垂直相交，所述第一旋转轴线与所述第二旋转轴线垂直，使所述第一激光雷达旋转至第二空间角度，
姿态采集单元，用于采集所述无人机机体的飞行姿态数据；
数据处理单元，用于接收所述无人机机体周围环境的点云数据和所述无人机机体的飞行姿态数据，并对所述无人机机体周围环境的点云数据和所述无人机机体的飞行姿态数据进行处理；
所述控制单元，控制所述无人机机体飞行姿态，控制所述二轴单元的运动，发送控制避障指令给避障单元；
避障单元，根据所述控制单元的避障指令，对所述无人机机体的飞行路径进行规划，进行避障。
优选的，所述第一摆动机构包括第一电机和第一舵机，第二摆动机构包括第二电机和第二舵机，所述第一旋转轴线为第一舵机旋转轴线，所述第二旋转轴线为第二舵机旋转轴线，所述第一舵机与所述第一激光雷达相连接且所述第一激光雷达的扫描平面的法线与所述第一舵机的旋转轴线垂直，所述第二舵机与所述第一舵机连接且所述第二舵机的旋转轴线与所述第一舵机的旋转轴线垂直，在第一电机的驱动下，所述第一舵机带动所述第一激光雷达绕所述第一舵机旋转轴线旋转至第一空间角度，在第二电机的驱动下，所述第二舵机带动所述第一舵机绕所述第二舵机旋转轴旋转至第二空间角度，使所述第一激光雷达获得三维空间内的点云数据。
优选的，所述第一舵机的旋转角度范围为0～180°，所述第二舵机的旋转角度范围为0-180°。
优选的，在所述无人机飞行时，通过控制所述二轴单元的运动，使所述第一激光雷达的扫描平面始终和所述无人机飞行方向平行。
优选的，在所述无人机悬停时，通过控制所述二轴的运动，使所述第一激光雷达的扫描平面在三维空间内旋转，获得所述无人机机体周围环境的点云数据。
优选的，姿态采集单元包括IMU惯性里程计、陀螺仪和加速度传感器。
优选的，所述环境感单元安装在所述无人机机体机头上方。
优选的，所述环境感知单元还包括第二激光雷达，所述第二激光雷达安装在所述无人机机体的下方。
优选的，所述数据处理单元使用累叠算法实现排除所述无人机机体自身干扰云数据。
本发明还公开了一种无人机，包括上述的一种无人机的避障装置。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1.本发明通过360度线性激光雷达与二轴机构的结合，结构简单，仅需要控制两个旋转轴即可将360激光雷达的扫描范围由二维提升到三维，对控制单元硬件的要求较低，节省了避障装置的成本。
2.本发明体积较小，有效减少了避障装置本身对第一激光雷达传感器探测视野的遮挡范围。
3.本发明通过控制二轴单元的旋转角度可以使第一激光雷达的扫描方向始终和飞机飞行的方向平行，可以匹配各种飞行姿态，更准确的扫描出无人机飞行过程中过道障碍物，为无人机飞行合理规划路径奠定基础，增加了对复杂环境的适应性。
4.本发明在仅需要两个激光雷达就可以实现无盲区的全方位扫描，使无人机在飞行过程中的对障碍物的躲避更精准。
5.本发明无人机在悬停时，通过控制二轴单元的运动使激光雷达可以获得三维空间内的点云数据，提升了对细小、复杂障碍物的识别能力。
附图说明
图1为一种无人机避障装置具体实施例的结构框图；
图2为图1中环境感知单元具体实施例的结构框图；
图3为图1中环境感知单元具体实施例的结构图；
图4为一种无人机具体实施例的示意图；
图5为一具体实施例第一激光雷达与飞行姿态相适应的示意图
图6为一具体实施例，控制单元控制避障的原理图；
图中：1：环境感知单元；11：第一激光雷达；12：二轴单元；121：第一摆动机构；122：第二摆动机构；2：姿态采集单元；3：数据处理单元；4：避障单元；5：控制单元；6无人机机体；1211：第一舵机；1221：第二舵机；
具体实施方式
以下将结合附图所示的具体实施方式对本发明进行详细描述，但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。
如图1和图2所示，本发明公开了一种无人机的避障装置，包括：环境感知单元1，安装在一无人机机体上，用于获取无人机机体周围环境的点云数据，包括第一激光雷达11，第一激光雷达11具有相对其自身周向360度的线性扫描范围，并形成第一激光雷达11的扫描平面，
二轴单元12，用于改变第一激光雷达11的扫描平面在三维空间内的空间旋转角度，使第一激光雷达11获得三维空间内的扫描数据，二轴单元12包括第一摆动机构121和第二摆动机构122，第一摆动机构121与第一激光雷达11相连接，第一摆动机构121具有第一旋转轴线，第一摆动机构121带动第一激光雷达11绕第一旋转轴在第一平面内旋转，使第一激光雷达11旋转至第一空间角度，
第二摆动机构122，第二摆动机构122与第一摆动机构121连接，第二摆动机构122具有第二旋转轴线，第二摆动机构122带动第一摆动机构121绕第二旋转轴线在第二平面内旋转，第一平面与第二平面垂直相交，第一旋转轴线与第二旋转轴线垂直，使第一激光雷达旋转至第二空间角度。如此，如果想要获得无人机三维空间内的某一方位的激光雷达扫描数据，仅需要控制二轴单元12的联动旋转使第一空间角度值和第一空间角度值发生变化即可。
有一优选方案，如图3所示，第一摆动机构121包括第一电机和第一舵机1211，第二摆动机构122包括第二电机和第二舵机1221，第一旋转轴线为第一舵机1211旋转轴线(X轴)，第二旋转轴线为第二舵机1221旋转轴线(Y轴)，第一舵机1211与第一激光雷达11相连接且第一激光雷达11的扫描平面的法线与第一舵机1211的旋转轴线垂直，第二舵机1221与第一舵机1211连接且第二舵机1221的旋转轴线与第一舵机1211的旋转轴线垂直，在第一电机的驱动下，第一舵机1211带动第一激光雷达11绕第一舵机旋转轴线旋转至第一空间角度，在第二电机的驱动下，第二舵机1221带动第一舵机1211绕第二舵机的旋转轴旋转至第二空间角度，使第一激光雷达获得三维空间内的点云数据。通过联动控制第一舵机的摆动角度和第一舵机的摆动角度，可以使第一激光雷达的扫描平面覆盖整个三维立体空间。更具体的，所述第一舵机的旋转角度范围为0-180°，第二舵机的旋转角度范围为0-180°。可选的，第一激光雷达可以是思岚RPLIDAR S1型号。
姿态采集单元2，用于采集无人机机体的飞行姿态数据；为了更好的采集无人机飞行的姿态数据，有一具体的实施例，姿态采集单元包括IMU惯性里程计、陀螺仪和加速度传感器。数据处理单元3，用于接收无人机机体周围环境的点云数据和无人机机体的飞行姿态数据，并对无人机机体周围环境的点云数据和所述无人机机体的飞行姿态数据进行处理；第一激光雷达将采集的点云数据传至数据处理单元3，数据处理单元3将姿态采集单元2采集的无人机机体的飞行姿态数据与第一激光激光雷达采集的点云数据进行融合处理，并将无人机机体周围的点云数据中的相关的距离与角度信息传给控制单元5。控制单元5，控制无人机机体的飞行姿态，同时控制二轴单元的运动，并将避障指令发送给避障单元4，避障单元4对无人机机体的飞行路径进行规划，进行避障。对于控制单元5控制无人机机体进行避障的原理，可参考图6所示，
为了适应各种复杂环境，在所述无人机飞行时，需要应用各种姿态进行飞行，才能更好的对复杂的环境，例如像智慧工地这样的有大量的施工物体的环境进行巡检，机体需要各种飞行姿态进行飞行，为了更准确的扫描到无人机飞行过程中障碍物，得到精确的点云数据，有一具体的实施例，控制单元5，控制二轴单元进行联动旋转，使第一激光雷达的扫描平面始终和无人机的飞行的方向平行，无人机飞行时，为了配合巡检的需要，需要多种飞行姿态，根据飞行姿态控制二轴单元的联动旋转，使第一激光雷达的扫描平面始终和无人机的飞行的方向平行。具体的可以参考如图5所示，若飞行器向前水平飞行时，机身向前倾斜，第一激光雷达的扫描范围仍然为机身水平移动方向，使激光雷达不会随机身倾斜而倾斜。在实际应用过程中，二轴单元联动旋转的角度是针对性的，即可飞行姿态相适应，第一激光雷达减少了不必要的旋转角度，如此更可以降低多次旋转造成的激光回波误差，提高了第一激光雷达采集到的点云数据更加准确，提升了飞行器感知避障和路径规划的能力。更具体的，还可在无人机悬停时，通过控制二轴单元的联动旋转，使第一激光雷达的扫描平面在三维空间内旋转，获得所述无人机机体周围环境的点云数据。
为了减少第一激光雷达扫描视角盲点，有一具体的实施例，可参考图4，环境感单元1安装在无人机机体机头上方。如此这样可以提升了第一激光雷达的扫描视野，在二轴单元的带动下，第一激光雷达能够扫描到除无人机机体以外的周围环境点云数据，避免了因为环境感知单元本身对第一激光雷扫描视野的遮挡。
为了减少无人机机体本身带来的视觉盲点，有一更优选的实施例，环境感知单元还设有第二激光雷达，安装在无人机机体的下方，将第一激光雷达扫描的点云数据和第二激光雷达扫描的点云数据进行融合，获得无人机机体在对环境进行安全监测时，无盲区的扫描，获得更为准确的点云数据，节约了无人机在对复杂环境的监测成本。
在对第一激光雷达扫描的点云数据进行处理时，数据处理单元使用累叠算法实现排除所述无人机机体自身干扰云数据。
排除无人机机体自身干扰云数据具体的步骤包括：避障装置启动后，将30×30×30空间内的点云数据进行第一采样分析，正常起飞环境下会采集到机体自身和部分地面的点云数据，并将这部分点云数据作为机体空间数据；当无人机起飞后，第一激光雷达不断扫描的过程中，进行第二或多于两次采样分析，此时，地面远离机体范围，地面点云数据将远离，由此更新机体空间数据。从而正确识别机体原本空间数据，并排除在避障信息处理流程以外，减少数据处理量。节约了避障装置的硬件成本。
需要说明的是，起飞前无人机机体范围内其他物体与地面点云数据处理逻辑相同，当无人机起飞后，通过多次采样，排除其他非机体的物体，最终确定机体或与机体绑定的物体的空间数据。
如图4所示，本发明还公开了一种无人机包括如上所述的一种无人机的避障装置。
本发明通过360度线性激光雷达与二轴单元的结合，结构简单，仅需要控制两个旋转轴即可将360激光雷达的扫描范围由二维提升到三维，对控制单元硬件的要求较低，节省了避障装置的成本。本发明体积较小，有效减少了避障装置本身对第一激光雷达传感器探测视野的遮挡范围。
尽管为示例目的，已经公开了本发明的优选实施方式，但是本领域的普通技术人员将意识到，在不脱离由所附的权利要求书公开的本发明的范围和精神的情况下，各种改进、增加以及取代是可能的。

Claims (6)

1.一种无人机的避障装置，其特征在于，包括：
环境感知单元，安装在一无人机机体上，用于获取所述无人机机体周围环境的点云数据，包括，
第一激光雷达，所述第一激光雷达安装在所述无人机机体机头上方，所述第一激光雷达具有相对其自身周向360度的线性扫描范围，并形成所述第一激光雷达的扫描平面，
二轴单元，用于改变所述第一激光雷达的扫描平面在三维空间内的空间旋转角度，使所述第一激光雷达获得三维空间内的扫描数据，所述二轴单元包括，
第一摆动机构，所述第一摆动机构与所述第一激光雷达相连接，所述摆动机构具有第一旋转轴线，所述第一摆动机构带动所述第一激光雷达绕所述第一旋转轴在第一平面内旋转，使所述第一激光雷达旋转至第一空间角度，
第二摆动机构，所述第二摆动机构与所述第一摆动机构连接，所述第二摆动机构具有第二旋转轴线，所述第二摆动机构带动所述第一摆动机构绕所述第二旋转轴线在第二平面内旋转，所述第一平面与所述第二平面垂直相交，所述第一旋转轴线与所述第二旋转轴线垂直，使所述第一激光雷达旋转至第二空间角度，
姿态采集单元，用于采集所述无人机机体的飞行姿态数据；
数据处理单元，用于接收所述无人机机体周围环境的点云数据和所述无人机机体的飞行姿态数据，并对所述无人机机体周围环境的点云数据和所述无人机机体的飞行姿态数据进行处理；
控制单元，控制所述无人机机体飞行姿态，控制所述二轴单元的运动，发送控制避障指令给避障单元；
避障单元，根据所述控制单元的避障指令，对所述无人机机体的飞行路径进行规划，进行避障；
在所述无人机悬停时，通过控制所述二轴单元的运动，使所述第一激光雷达的扫描平面在三维空间内旋转，获得所述无人机机体周围环境的点云数据，在所述无人机飞行时，通过控制所述二轴单元的运动，使所述第一激光雷达的扫描平面始终和所述无人机飞行方向平行；
所述数据处理单元使用累叠算法实现排除所述无人机机体自身干扰云数据，排除无人机机体自身干扰云数据具体的步骤包括：避障装置启动后，将30×30×30空间内的点云数据进行第一采样分析，正常起飞环境下会采集到机体自身和部分地面的点云数据，并将这部分点云数据作为机体空间数据；当无人机起飞后，第一激光雷达不断扫描的过程中，进行第二或多于两次采样分析，此时，地面远离机体范围，地面点云数据将远离，由此更新机体空间数据，从而正确识别机体原本空间数据，并排除在避障信息处理流程以外，起飞前无人机机体范围内其他物体与地面点云数据处理逻辑相同，当无人机起飞后，通过多次采样，排除其他非机体的物体，最终确定机体或与机体绑定的物体的空间数据。
2.根据权利要求1所述的一种无人机的避障装置，其特征在于:所述第一摆动机构包括第一电机和第一舵机，第二摆动机构包括第二电机和第二舵机，所述第一旋转轴线为第一舵机旋转轴线，所述第二旋转轴线为第二舵机旋转轴线，所述第一舵机与所述第一激光雷达相连接且所述第一激光雷达的扫描平面的法线与所述第一舵机的旋转轴线垂直，所述第二舵机与所述第一舵机连接且所述第二舵机的旋转轴线与所述第一舵机的旋转轴线垂直，在第一电机的驱动下，所述第一舵机带动所述第一激光雷达绕所述第一舵机旋转轴线旋转至第一空间角度，在第二电机的驱动下，所述第二舵机带动所述第一舵机绕所述第二舵机旋转轴旋转至第二空间角度，使所述第一激光雷达获得三维空间内的点云数据。
3.根据权利要求2所述的一种无人机的避障装置，其特征在于:所述第一舵机的旋转角度范围为0～180°，所述第二舵机的旋转角度范围为0-180°。
4.根据权利要求1所述的一种无人机的避障装置，其特征在于:姿态采集单元包括IMU惯性里程计、陀螺仪和加速度传感器。
5.根据权利要求4所述的一种无人机的避障装置，其特征在于:所述环境感知单元还包括第二激光雷达，所述第二激光雷达安装在所述无人机机体的下方。
6.一种无人机，其特征在于:包括权利要求1-5任意一项权利要求的一种无人机的避障装置。
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