CN113376658A - 一种基于单线激光雷达的无人机自主避障方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于单线激光雷达的无人机自主避障方法，激光雷达发射和接收激光束的时间间隔结合光速计算无人机与障碍物的空间距离，并预设不同距离范围内的无人机避障飞行模式，通过最近邻聚类方法进行聚类处理激光雷达返回的数据，判定障碍物表面连续性，实现无人机飞行过程中的自主避障，提高了无人机巡检效率，实现激光雷达和无人机之间的实时通讯。
Description
技术领域
本发明涉及雷达通信技术领域和无人机远程实时监控技术领域，尤其是指一种基于单线激光雷达的无人机自主避障方法及系统。
背景技术
无人机传感器分为主动传感器和被动传感器两种。主动传感器通过其自身发射的能量来感知物体，可以获得实时准确的深度信息，并且受外界影响很小，主要有激光雷达、毫米波雷达、超声传感器等；被动传感器具有功耗低、获取信息量又快又大等特点，但其信息主要依靠外界获取，受外界环境的影响很大，主要有立体视觉、红外线相机、可见光摄像机等。
目前在环境感知研究中一般采用的是激光雷达，这主要是因为激光雷达是主动传感器中的一种，对物体的感知信息主要来自自身，受外界环境影响很小，激光雷达测距快、可靠性和精确度都比较高。不同的激光雷达可以实现不同的功能，比如，障碍物的检测、导线的检测与跟踪、树障距离的监测等。无人机上配备的雷达一般有单线和多线激光雷达以及毫米波雷达等。
现有的单线激光雷达结构简单、功耗低、使用方便，普遍被用于对障碍物和导线的检测及实时跟踪等优点，为满足无人机挂载和输电线路巡检的需求，基于单线激光雷达的优势，目前常采用微型单线激光雷达挂载实现自主避障、导线的实时追踪和树障的实时检测。
但是目前市面上的单线激光雷达搭载方式，均是对无人机进行改装，通过物理方式直接将单线激光固定于无人机上，这种方式没有实现单线激光荷载与无人机之间的通讯，无法对单线激光进行控制及数据传输。
发明内容
针对上述背景技术中的问题，提供一种全新的基于单线激光雷达的无人机自主避障方法。打通微型激光雷达与无人机之间的通信链路，实现微型单线激光雷达与无人机之间的实时通讯。
本发明通过激光雷达发射和接收激光束的时间间隔结合光速计算无人机与障碍物的空间距离，并预设不同距离范围内的无人机避障飞行模式，通过最近邻聚类方法进行聚类处理激光雷达返回的数据，判定障碍物表面连续性，实现无人机飞行过程中的自主避障，提高了无人机巡检效率，实现激光雷达和无人机之间的实时通讯。
本发明所述的一种基于单线激光雷达的无人机自主避障方法，包括：
S1获取激光雷达发射的激光束，通过扫描模块改变所述激光束的空间投射方向，向目标物体发射激光束；
S2由接收模块接收所述目标物体反射的光信号，并传送至探测器；
S3由探测器将光信号传输至控制器中进行数据处理，获得目标物体到激光雷达的距离信息和角度信息，将所述距离信息与设定阈值距离对比；
S4若所述距离信息小于所述设定阈值距离，则由控制模块控制无人机进入避障飞行模式。
本发明通过激光雷达发射和接收激光束的时间间隔结合光速计算无人机与障碍物的空间距离，并预设不同距离范围内的无人机避障飞行模式，通过最近邻聚类方法进行聚类处理激光雷达返回的数据，判定障碍物表面连续性，实现无人机飞行过程中的自主避障，提高了无人机巡检效率，实现激光雷达和无人机之间的实时通讯。
具体地，所述扫描模块包括电机和相控阵，所述控制模块控制激光雷达、接收模块和扫描模块的电连接，并负责所述反射光信号的数据处理和无人机指令传输。
进一步地，所述控制模块对激光雷达返回的每帧数据采用最近邻聚类方法进行聚类处理，对目标物体的表面连续性进行判断。
进一步地，获得目标物体到激光雷达的距离信息和角度信息的步骤包括：
驱动所述激光雷达相对所述无人机进行周期性地俯仰转动、横滚转动或偏航转动并扫描；以脉冲激光雷达测距，所述脉冲激光雷达包括发射器、分光器、反射镜、计时器和接收器；
所述发射器发射出激光束在目标物体表面引起散射，部分光波通过反射镜和分光器返回所述接收器中；
所述接收器将光信号转变为电信号记录下来，所述计时器则记录同一个激光脉冲信号由发射到被接收的时间间隔，所述控制模块依据激光雷达工作的数据处理得出目标物体到激光雷达的距离信息和角度信息，其测距方法如下：
其中，r为激光发射器到目标物体之间的几何距离，c为光速，t为激光脉冲信号由发射到被接收的时间间隔。
进一步地，所述控制模块对激光雷达返回的每帧数据采用最近邻聚类方法进行聚类处理，对目标物体的表面连续性进行判断的步骤包括：
扫描激光雷达返回的n个点数据(0,1,2,，……i-1，i，i+1，……n)；
设i＝1，j＝1；其中j为类的个数，计算相邻两个点的距离差d＝di-di-1；
判断相邻两个点的距离差是否小于阈值D(threshold)，若小于阈值D，则这两个点属于同一类，若大于阈值D，则这两个点不属于同一类，j值增一递进；所述阈值D是根据每个激光反射点的距离而自适应变化的，
threshold＝adr
式中，dr为相邻两激光反射点之间的距离，
dr≈rsin(dθ)
r为激光束的长度，dθ为激光雷达的角度分辨率，取值为0.25°。
本发明还提供一种基于单线激光雷达的无人机自主避障系统，包括：
发射模块、接收模块、扫描模块和控制模块；
所述发射模块用于激光束的发射；所述接收模块用于接收反射回来的光束，并将光信号转变为电信号传到控制模块中进行数据处理；所述扫描模块用于改变激光束的空间投射方向；所述控制模块负责完成对发射模块、接收模块和扫描模块的控制，以及激光雷达数据的处理和外界系统的数据传输。
进一步地，本发明还提供一种可读储存介质，其上储存有控制程序，其特征在于：该控制程序被处理器执行时实现如上述任意一项所述的基于单线激光雷达的无人机自主避障方法。
进一步地，本发明还提供一种计算机控制系统，包括储存器、处理器以及储存在所述储存器中并可被所述处理器执行的控制程序，其特征在于：所述处理器执行所述控制程序时实现如上述任意一项所述的基于单线激光雷达的无人机自主避障方法。
为了能更清晰的理解本发明，以下将结合附图说明阐述本发明的具体实施方式。
附图说明
图1为本发明实施例的单线激光雷达无人机自主避障方法流程图；
图2为本发明实施例的激光雷达构成示意图；
图3为本发明实施例的激光雷达工作流程图；
图4为本发明实施例的基于单线激光雷达的无人机避障运行流程图；
图5为本发明实施例的最近邻聚类算法流程图。
具体实施方式
请参阅图1，为本发明实施例的单线激光雷达无人机自主避障方法流程图；
本发明实施例的一种基于单线激光雷达的无人机自主避障方法，包括：
S1获取激光雷达发射的激光束，通过扫描模块改变所述激光束的空间投射方向，向目标物体发射激光束；
S2由接收模块接收所述目标物体反射的光信号，并传送至探测器；
S3由探测器将光信号传输至控制器中进行数据处理，获得目标物体到激光雷达的距离信息和角度信息，将所述距离信息与设定阈值距离对比；
S4若所述距离信息小于所述设定阈值距离，则由控制模块控制无人机进入避障飞行模式。
在本发明的实施例中，为保证无人机搭载激光雷达数据传输效果，采用近距离无限通信技术，采用2.4GHz及5.8GHz的通信频率，保证数据传输距离以及信号传输。现有的单线激光雷达只能够发出一个激光束，它结构简单、功耗低、使用方便，普遍被用于对障碍物和导线的检测及实时跟踪等。但是由于只有一根扫描线，返回的信息量少，无法获取障碍物的大小、形状等信息。为满足无人机挂载和输电线路巡检的需求，基于单线激光雷达的优势，本发明实施例采用微型单线激光雷达挂载实现自主避障、导线的实时追踪和树障的实时检测。
请参阅图2，为本发明实施例的微型激光雷达构成示意图；
本发明实施例的微型单线激光雷达由发射器1、分光器4、接收器3和反射镜2构成，发射器1的功能是发射出激光脉冲束，接收器3负责接收由物体5反射的激光，分光器4作用是将所需要的共振吸收线分离出来，反射镜2则负责激光的反射。
本发明的实施例中的单线激光雷达的无人机自主避障系统包括发射模块、接收模块、扫描模块和控制模块；发射模块用于激光束的发射；接收模块用于接收反射回来的光束，并将光信号转变为电信号传到控制模块中进行数据处理；扫描模块用于改变激光束的空间投射方向；控制模块负责完成对发射模块、接收模块和扫描模块的控制，以及激光雷达数据的处理和外界系统的数据传输。
其中，扫描模块包括电机和相控阵，所述控制模块控制激光雷达、接收模块和扫描模块的电连接，并负责反射光信号的数据处理和无人机指令传输。
由激光器发射出的激光脉冲入射到物体表面引起散射，其中一部分光波会经过反射返回到到激光雷达的接收器中，它将光信号转变为电信号记录下来，同时，由所配备的计时器记录同一个激光脉冲信号由发射到被接收的时间间隔。由于光速是已知的，传播时间间隔即可被转换为对距离的测量。以脉冲激光雷达测距，所述脉冲激光雷达包括发射器、分光器、反射镜、计时器和接收器；
所述发射器发射出激光束在目标物体表面引起散射，部分光波通过反射镜和分光器返回所述接收器中；
所述接收器将光信号转变为电信号记录下来，所述计时器则记录同一个激光脉冲信号由发射到被接收的时间间隔，所述控制模块依据激光雷达工作的数据处理得出目标物体到激光雷达的距离信息和角度信息。
激光测距的公式如下：
式中，r为激光发射器到反射点之间的几何距离，c为光速，t为激光脉冲由发射到被接收的时间间隔。一束激光脉冲的一次回波信号只能获得一个激光反射点的距离信息，为连续获得具有一定带宽的一系列激光反射点的距离信息，需借助一定的机械装置，通过扫描的方式使激光发射器进行作业。因为激光脉冲以光速传播，所以接收器总会在下一个脉冲发出之前收到前一个被反射回的脉冲。
采用脉冲法测距可以实现测量距离远，一般大于1000m，且系统体积小，抗干扰能力强。
请参阅图3，为本发明实施例的激光雷达工作流程图；
在激光雷达发射激光束后，一部分激光遇到障碍物被反射，并被激光雷达的接收器接收。同时，激光雷达内配备的计时器可以记录发送和接收之间的时间间隔，并且可以根据光速计算要测量的距离。
由发射模块中的激光器发射出光束，然后经扫描模块改变激光束的空间投射方向，向目标物体发射光束。目标物体反射光束，由接收模块接收，并通过探测器将信号传输到控制系统进行数据处理，最终获得距离信息和角度信息，实现激光雷达整个测量信息的工作流。
其中毫米波雷达模块用于发射和接收毫米波，并输出差拍信号；双目视觉模块用于拍摄障碍物的视觉图像；激光雷达用于发射和接收激光光束，并输出距离、角度信息；采集与传输模块用于采集毫米波雷达模块输出的差拍信号及激光雷达的距离、角度信息，并把信号传输给信息融合处理模块；飞行参数测量模块用于获取当前无人机所在位置无人机的姿态和高度；信息融合处理模块用于把雷达测距与双目视觉测角信息融合起来，做障碍物的三维定位和障碍物平面分布图；遥控接收模块用于接收并解码遥控发来的控制信号；控制模块是在信息融合处理模块计算完毕后，向无人机飞控系统发出飞行动作控制信号。
请参阅图4，为本发明实施例的基于单线激光雷达的无人机避障运行流程图；
系统运行过程为：自主避障系统在开机后先做初始化工作，初始化完毕后按照提前规划好的飞行路径进入自主飞行状态；激光雷达模块实时检测障碍物的的距离，在距离大于设定值时系统不做反应，只有距离小于设定阈值时，启动双目视觉模块采集视觉图像，信息融合处理模块对雷达信息和双目视觉信息做融合处理获得障碍物的三维立体信息，无人机飞行中根据障碍物分布执行避障飞行。
单线的激光雷达依循其扫描的顺序对无人机前方的未知环境情况实行等角度二维扫描来获得雷达数据，而扫描范围内物体的位置就是由这些数据之间的关系所反映的。最近邻聚类的原理是基于同一物体表面的连续性。通过对不同类型目标的表面连续性分析可知，在一帧数据中，同一物体表面反射的回波数据往往表现为连续的点集，这些数据点位置相邻较近，相邻两点间的位置突变通常是由于该两点分别属于两个不同的物体表面。因此，相邻两点的位置变化即可作为判断该两点是否属于同一类的判据。相邻两点的位置变化越小，则该两点属于同一目标的可能性就越大。
对激光雷达返回的每帧数据采用最近邻聚类方法进行聚类处理，对目标物体的表面连续性进行判断。如图5所示。
第一点作为第一个目标边缘的初始点，作为第一类，从第二点开始，依次将每个数据点与它前一个点进行比较，若两点间的距离小于阈值，则认为该点与前一点属于同一类，将该点加到当前类中；若两点间的距离大于阈值，则认为该点不属于当前类，创建新类，并以该点作为新类的起点，对数据点按此方法依次进行判断，这种最近邻聚类方法，处理速度快，充分利用了单线激光雷达顺序扫描的特点。
扫描激光雷达返回的n个点数据(0,1,2,，……i-1，i，i+1，……n)；
设i＝1，j＝1；其中j为类的个数，计算相邻两个点的距离差d＝di-di-1；
判断相邻两个点的距离差是否小于阈值D(threshold)，若小于阈值D，则这两个点属于同一类，若大于阈值D，则这两个点不属于同一类，j值增一递进；所述阈值D是根据每个激光反射点的距离而自适应变化的，
threshold＝adr
式中，dr为相邻两激光反射点之间的距离，
dr≈rsin(dθ)
r为激光束的长度，dθ为激光雷达的角度分辨率，取值为0.25°。
在聚类过程中，最关键的是阈值的选择，不仅会对聚类的效果产生影响，而且还会对后续的障碍物判定工作的准确和完整造成干扰。阈值选择过小，雷达数据会被分割的乱七八糟，虽然障碍判定的精度比较高，但检测的实时性会降低，障碍过于繁琐零碎，这对路径规划也造成障碍；相反，若阈值选择过大，则小障碍很难会被检测到，造成障碍物漏检。
由于激光雷达的激光束成扇形的扫描特性，随着相邻两激光反射点间距离的增加，判断的阈值也应相应增加，而相邻两激光反射点间的距离是随光束的延长而线性增加的。
多旋翼无人机能够搭载的负载重量一般比较有限，且搭载的负载越重，对其续航能力影响越大。因此，本发明的实施例采用微型单线激光雷达挂载，将其体积和重量控制在最优的情况下，保障其满足输电线路树障距离测量和导线跟随飞行的射程、测距精度等技术要求。
本发明对无人机挂载微型单线激光雷达设备，借助最近邻聚类算法结合单线雷达的激光特点利用串口通讯技术打通微型激光雷达和无人机之间的通信链路，实现基于微型激光雷达的导线仿弧垂跟随，并在飞行过程中实时检测下导线到下方树木的净空距离，同时可设置一定的安全距离进行飞行避障，保证无人机的作业安全。提高巡检效率，大大降低人工成本，也避免了数据回传过程中的多重连接导致的延迟和数据分析处理的过程，减少了信息的处理量以及无用信息的存储传输，节省了数据在传输过程中对网络带宽的占用和存储开销，具有很好的实时性。除此之外，本发明可以在尽可能少次的回传链路中实现数据传输，这样大大减少了无人机监控过程中对资金、时间和人力的消耗，在医疗、军事、遥感、导航等特定领域拥有重要而深远的应用前景，在视频监控、虚拟现实、人机交互、智能控制等领域，具有重要的理论研究意义和实际应用价值。
本发明并不局限于上述实施方式，如果对本发明的各种改动或变形不脱离本发明的精神和范围，倘若这些改动和变形属于本发明的权利要求和等同技术范围之内，则本发明也一同包含这些改动和变形。
Claims (8)
1.一种基于单线激光雷达的无人机自主避障方法，包括：
获取激光雷达发射的激光束，通过扫描模块改变所述激光束的空间投射方向，向目标物体发射激光束；
由接收模块接收所述目标物体反射的光信号，并传送至探测器；
由探测器将光信号传输至控制器中进行数据处理，获得目标物体到激光雷达的距离信息和角度信息，将所述距离信息与设定阈值距离对比；
若所述距离信息小于所述设定阈值距离，则由控制模块控制无人机进入避障飞行模式。
2.根据权利要求1所述的一种基于单线激光雷达的无人机自主避障方法，其特征在于：
所述扫描模块包括电机和相控阵，所述控制模块控制激光雷达、接收模块和扫描模块的电连接，并负责所述反射光信号的数据处理和无人机指令传输。
3.根据权利要求1所述的一种基于单线激光雷达的无人机自主避障方法，其特征在于，
所述控制模块对激光雷达返回的每帧数据采用最近邻聚类方法进行聚类处理，对目标物体的表面连续性进行判断。
4.根据权利要求1所述的一种基于单线激光雷达的无人机自主避障方法，其特征在于，
获得目标物体到激光雷达的距离信息和角度信息的步骤包括：
驱动所述激光雷达相对所述无人机进行周期性地俯仰转动、横滚转动或偏航转动并扫描；以脉冲激光雷达测距，所述脉冲激光雷达包括发射器、分光器、反射镜、计时器和接收器；
所述发射器发射出激光束在目标物体表面引起散射，部分光波通过反射镜和分光器返回所述接收器中；
所述接收器将光信号转变为电信号记录下来，所述计时器则记录同一个激光脉冲信号由发射到被接收的时间间隔，所述控制模块依据激光雷达工作的数据处理得出目标物体到激光雷达的距离信息和角度信息，其测距方法如下：
其中，r为激光发射器到目标物体之间的几何距离，c为光速，t为激光脉冲信号由发射到被接收的时间间隔。
5.根据权利要求3所述的一种基于单线激光雷达的无人机自主避障方法，其特征在于：
对激光雷达返回的每帧数据采用最近邻聚类方法进行聚类处理，对目标物体的表面连续性进行判断的步骤包括：
扫描激光雷达返回的n个点数据(0,1,2,，……i-1，i，i+1，……n)；
设i＝1，j＝1；其中j为类的个数，计算相邻两个点的距离差d＝di-di-1；
判断相邻两个点的距离差是否小于阈值D(threshold)，若小于阈值D，则这两个点属于同一类，若大于阈值D，则这两个点不属于同一类，j值增一递进；所述阈值D是根据每个激光反射点的距离而自适应变化的，
threshold＝adr
式中，dr为相邻两激光反射点之间的距离，
dr≈r sin(dθ)
r为激光束的长度，dθ为激光雷达的角度分辨率，取值为0.25°。
6.一种基于单线激光雷达的无人机自主避障系统，包括：
发射模块、接收模块、扫描模块和控制模块；
所述发射模块用于激光束的发射；所述接收模块用于接收反射回来的光束，并将光信号转变为电信号传到控制模块中进行数据处理；所述扫描模块用于改变激光束的空间投射方向；所述控制模块负责完成对发射模块、接收模块和扫描模块的控制，以及激光雷达数据的处理和外界系统的数据传输。
7.一种可读储存介质，其上储存有控制程序，其特征在于：该控制程序被处理器执行时实现如权利要求1至5任意一项所述的基于单线激光雷达的无人机自主避障方法。
8.一种计算机控制系统，包括储存器、处理器以及储存在所述储存器中并可被所述处理器执行的控制程序，其特征在于：所述处理器执行所述控制程序时实现如权利要求1至5任意一项所述的基于单线激光雷达的无人机自主避障方法。
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