CN113703466A - 一种频率可调的四旋翼无人机避障方法 - Google Patents
一种频率可调的四旋翼无人机避障方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN113703466A CN113703466A CN202110792792.0A CN202110792792A CN113703466A CN 113703466 A CN113703466 A CN 113703466A CN 202110792792 A CN202110792792 A CN 202110792792A CN 113703466 A CN113703466 A CN 113703466A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- aerial vehicle
- unmanned aerial
- distance
- frequency
- obstacle
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 21
- RZVHIXYEVGDQDX-UHFFFAOYSA-N 9,10-anthraquinone Chemical compound C1=CC=C2C(=O)C3=CC=CC=C3C(=O)C2=C1 RZVHIXYEVGDQDX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 24
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 claims abstract description 5
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims abstract description 5
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 claims description 6
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 4
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 claims description 3
- 230000005484 gravity Effects 0.000 claims description 3
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 claims description 3
- 230000009467 reduction Effects 0.000 claims description 3
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 abstract description 21
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 2
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 2
- 230000004069 differentiation Effects 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 1
- 230000004927 fusion Effects 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G05—CONTROLLING; REGULATING
- G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
- G05D1/00—Control of position, course or altitude of land, water, air, or space vehicles, e.g. automatic pilot
- G05D1/08—Control of attitude, i.e. control of roll, pitch, or yaw
- G05D1/0808—Control of attitude, i.e. control of roll, pitch, or yaw specially adapted for aircraft
-
- G—PHYSICS
- G05—CONTROLLING; REGULATING
- G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
- G05D1/00—Control of position, course or altitude of land, water, air, or space vehicles, e.g. automatic pilot
- G05D1/10—Simultaneous control of position or course in three dimensions
- G05D1/101—Simultaneous control of position or course in three dimensions specially adapted for aircraft
- G05D1/106—Change initiated in response to external conditions, e.g. avoidance of elevated terrain or of no-fly zones
Abstract
一种频率可调的四旋翼无人机避障方法，包括频率可调的四旋翼无人机避障系统，超声波测距模块进行目标障碍物的精确测量；姿态识别模块获得无人机当前的姿态数据；飞行控制系统实时采集各传感器测量的飞行状态数据，经计算处理，向执行机构输出控制指令，实现对无人机中各种飞行模态的控制，使得无人机能够精准避障。本发明提供了一种频率可调的四旋翼无人机避障方法，以提高无人机避障系统的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及无人机避障技术领域，尤其是涉及一种频率可调的四旋翼无人机避障方法。
背景技术
无人机避障系统非常重要，它很大程度上决定了无人机的实用性，现有的无人机避障系统是利用超声波传感器读取无人机与障碍物之间的距离，然后通过飞行控制器调整无人机飞行姿态进而避开障碍物。这种避障系统基本上可以实现无人机的安全、可靠飞行，使得无人机能够适用于多种场合。
现有无人机的避障系统通常采用某一固定频率的超声波进行障碍物测距。研究表明，声波传播的方向性随声波频率的提高而增强，当声波频率极高时，声波传播具有很好的指向性，声波测量具有很高的精度。但另一方面，声波在空气中传播过程的衰减是极其严重的，表现为频率越高衰减越严重。显然，基于固定频率的超声波传感器的避障系统存在一定的缺陷，使得超声波避障系统的实用性以及可靠性大大降低。
发明内容
为了针对固定频率下的超声波避障系统自身存在的缺陷，本发明提供了一种频率可调的四旋翼无人机避障方法，以提高无人机避障系统的可靠性。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种频率可调的四旋翼无人机避障方法，包括频率可调的四旋翼无人机避障系统，该四旋翼无人机避障系统包括超声波测距模块、姿态识别模块和飞行控制系统，超声波测距模块、姿态识别模块分别与飞行控制系统连接，所述超声波测距模块包括四个超声波测距传感器和一个用于驱动发射不同频率超声波的频率可调的超声波驱动装置，四个超声波测距传感器位于无人机前、后、左、右四面的中心，并且用于读取无人机与障碍物之间的距离，同时与超声波驱动装置连接；
所述避障方法包括以下步骤：
(1)四旋翼无人机正常飞行时受飞行控制系统控制，沿预设航线飞行，根据飞行期间无人机与障碍物的距离大小，频率可调的超声波驱动装置调整发射对应频率的超声波，实现对障碍物距离的精准测量并将测得的数据传递给飞行控制系统；
(2)姿态识别模块获得无人机当前的姿态数据，这些信号数据经过处理后得到无人机的飞行状态，通过位移变化对时间的微分可得到无人机的速度，根据无人机与障碍物的实际距离和无人机自身的速度，将飞行空间划分为安全区、减速区、急停区；
(3)飞行控制系统将超声波测距模块获得的距离和安全距离对比，当小于安全区值时进行避障控制，否则正常飞行。
进一步，所述姿态识别模块包括加速度计、陀螺仪、磁力计和气压计，加速度计输出重力在机体坐标系三轴上的分量信号，陀螺仪输出飞行器绕三轴旋转的角速度信号，磁力计输出磁场强度在三轴的分量信号，气压计用于获取无人机的飞行高度。
再进一步，所述飞行控制系统为嵌入式单片机和地面站，用于处理传感器测量的飞行状态数据，判断、控制并监测无人机的飞行状况，输出控制指令给执行机构，实现对无人机中各种飞行模态的控制和对任务设备的管理。
再进一步，所述步骤(2)中还包括以下步骤：急停区距离为v2/2a1，减速区距离为v2/2a1+v2/2a2，其中a1为无人机的最大加速度值，a2为无人机在减速区的加速度值,设定a2＝v以使无人机在1秒内能稳定减速，大于减速区则为安全区。
更进一步，所述步骤(2)中还包括以下步骤：
当无人机与障碍物的距离大于10m时，频率可调的超声波驱动装置调整发射的声波频率恒为30kHz；
当无人机与障碍物的距离在1～10m范围时，频率可调的超声波驱动装置发射的超声波频率大小为f＝-10L+130，L为所测障碍物的距离；
当无人机与障碍物的距离在0.5～1m范围时，频率可调的超声波驱动装置发射的声波频率为130kHz。
本发明的有益效果主要表现在：
(1)系统是根据无人机与障碍物距离大小调整发射最佳频率的探测声波，因此可以对目标属性做出精准有效的检测，使得超声波避障系统的可靠性大大提高；
(2)通过调整发射声波的频率使得系统的测距范围可大可小，有效延伸了超声波避障系统的应用范围；
(3)将不同频率下所获得的信息进行融合可以对空间飞行环境以及障碍物的特征做出更加全面的认识。
附图说明
图1为四旋翼无人机避障过程流程图。
图2为频率可调的四旋翼无人机避障系统原理框图。
图3为不同频率的超声波声场分布以及所能检测的空间范围示意图。
图4为超声波频率f与所测障碍物距离L之间的关系图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1～图4，一种超声波频率可调的四旋翼无人机避障方法，包括频率可调的四旋翼无人机避障系统，该四旋翼无人机避障系统包括超声波测距模块、姿态识别模块和飞行控制系统，超声波测距模块、姿态识别模块分别与飞行控制系统连接，所述超声波测距模块包括四个超声波测距传感器和一个用于驱动发射不同频率超声波的频率可调的超声波驱动装置，四个超声波测距传感器位于无人机前、后、左、右四面的中心，并且用于读取无人机与障碍物之间的距离，同时与超声波驱动装置连接；
所测障碍物距离L与时间t以及环境温度T的关系为L＝t×(331.5+0.607T)/2。
所述避障方法包括以下步骤：
超声波测距模块进行目标障碍物的精确测量；姿态识别模块获得无人机当前的姿态数据；飞行控制系统实时采集各传感器测量的飞行状态数据，经计算处理，向执行机构输出控制指令，实现对无人机中各种飞行模态的控制，使得无人机能够精准避障。
如图1所示，无人机避障过程流程如下：
(1)四旋翼无人机正常飞行时受飞行控制系统控制，沿预设航线飞行，根据飞行期间无人机与障碍物的距离大小，频率可调的超声波驱动装置调整发射对应频率的超声波，实现对障碍物距离的精准测量并将测得的数据传递给飞行控制系统；
(2)姿态识别模块获得无人机当前的姿态数据，这些信号数据通过滤波、融合等处理获得无人机无人机的飞行状态，通过位移变化对时间的微分可得到无人机的速度，根据无人机与障碍物的实际距离和无人机自身的速度v，将飞行空间划分为安全区、减速区、急停区；
急停区距离为v2/2a1，减速区距离为v2/2a1+v2/2a2，其中a1为无人机的最大加速度值，a2为无人机在减速区的加速度值,设定a2＝v以使无人机在1秒内能稳定减速，大于减速区则为安全区。
(3)飞行控制系统将超声波测距模块获得的距离和安全距离对比，当小于安全区值时进行避障控制，否则正常飞行。
如图2所示，频率可调的超声波驱动装置与四个超声波测距传感器相连，用于驱动超声波传感器发射不同频率的超声波；发射的超声波频率大小由无人机与障碍物的距离大小确定。四个超声波测距传感器分别为左超声波传感器、右超声波传感器、前超声波传感器和后超声波传感器。
所述姿态识别模块用于获取无人机的飞行姿态和飞行高度并传递给飞行控制系统并为无人机的稳定飞行提供增稳效果，包括加速度计、陀螺仪、磁力计和气压计，加速度计输出重力在机体坐标系三轴上的分量信号，陀螺仪输出飞行器绕三轴旋转的角速度信号，磁力计输出磁场强度在三轴的分量信号，气压计用于获取无人机的飞行高度。
所述飞行控制系统为嵌入式单片机和地面站，用于处理传感器测量的飞行状态数据，判断、控制并监测无人机的飞行状况，输出控制指令给执行机构，实现对无人机中各种飞行模态的控制和对任务设备的管理。
如图3所示，为不同频率超声波的声场分布及其所能检测的空间范围示意图。
a所示为无人机与障碍物相距较远的情况下，超声波测距模块发射低频超声波，其所能检测的范围较广，因此能够获得飞行方向上较为全面的环境信息；
b所示为无人机与障碍物一般距离的情况下，超声波测距模块调整发射中频超声波，其声场分布与低频超声波的相比收窄，声波传播的指向性相对较好，能够获取飞行方向较为准确的障碍物信息，超声波避障系统的可靠性进一步提高；
c所示为无人机与障碍物距离较近的情况下，此时超声波测距模块调整发射的为高频超声波，声场分布呈狭窄的圆柱状，能够对近距离物体属性做出正确判断，避障系统的可靠性大大提高，能够实现精准避障。
如图4所示，超声波测距模块调整发射的超声波频率f由所测障碍物距离L确定：
当无人机与障碍物的距离大于10m时，频率可调的超声波驱动装置调整发射的声波频率恒为30kHz，以便进行远距离障碍物的测量；
当无人机与障碍物的距离在1～10m范围时，频率可调的超声波驱动装置调整发射的超声波频率随测距L而变化，具体超声波频率大小为f＝-10L+130，单位为kHz。
当无人机与障碍物的距离在0.5～1m范围时，频率可调的超声波驱动装置发射的声波频率为130kHz，实现近距离目标属性的精确测量，使得无人机能够精准避障。
上述仅为本发明的较佳实施例及所运用的技术原理，不构成对本发明的限制，对于所属领域的技术人员来说，可在上述说明的基础上进行其他不同形式的改动，但所做的改动均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种频率可调的四旋翼无人机避障方法，其特征在于：包括频率可调的四旋翼无人机避障系统，该四旋翼无人机避障系统包括超声波测距模块、姿态识别模块和飞行控制系统，超声波测距模块、姿态识别模块分别与飞行控制系统连接，所述超声波测距模块包括四个超声波测距传感器和一个用于驱动发射不同频率超声波的频率可调的超声波驱动装置，四个超声波测距传感器位于无人机前、后、左、右四面的中心，并且用于读取无人机与障碍物之间的距离，同时与超声波驱动装置连接；
所述避障方法包括以下步骤：
(1)四旋翼无人机正常飞行时受飞行控制系统控制，沿预设航线飞行，根据飞行期间无人机与障碍物的距离大小，频率可调的超声波驱动装置调整发射对应频率的超声波，实现对障碍物距离的精准测量并将测得的数据传递给飞行控制系统；
(2)姿态识别模块获得无人机当前的姿态数据，这些信号数据经过处理后得到无人机的飞行状态，通过位移变化对时间的微分可得到无人机的速度，根据无人机与障碍物的实际距离和无人机自身的速度，分为安全区、减速区、急停区；
(3)飞行控制系统将超声波测距模块获得的距离和安全距离对比，当小于安全区值时进行避障控制，否则正常飞行。
2.如权利要求1所述的一种频率可调的四旋翼无人机避障方法，其特征在于：所述姿态识别模块包括加速度计、陀螺仪、磁力计和气压计，加速度计输出重力在机体坐标系三轴上的分量信号，陀螺仪输出飞行器绕三轴旋转的角速度信号，磁力计输出磁场强度在三轴的分量信号，气压计用于获取无人机的飞行高度。
3.如权利要求1或2所述的一种频率可调的四旋翼无人机避障方法，其特征在于：所述飞行控制系统为嵌入式单片机和地面站，用于处理传感器测量的飞行状态数据，判断、控制并监测无人机的飞行状况，输出控制指令给执行机构，实现对无人机中各种飞行模态的控制和对任务设备的管理。
4.如权利要求1或2所述的一种频率可调的四旋翼无人机避障方法，其特征在于：所述步骤(2)中还包括以下步骤：
急停区距离为v2/2a1，减速区距离为v2/2a1+v2/2a2，其中a1为无人机的最大加速度值，a2为无人机在减速区的加速度值,设定a2＝v以使无人机在1秒内能稳定减速，大于减速区则为安全区。
5.如权利要求1或2所述的一种频率可调的四旋翼无人机避障方法，其特征在于：所述步骤(2)中还包括以下步骤：
当无人机与障碍物的距离大于10m时，频率可调的超声波驱动装置调整发射的声波频率恒为30kHz；
当无人机与障碍物的距离在1～10m范围时，频率可调的超声波驱动装置发射的超声波频率大小为f＝-10L+130，L为所测障碍物的距离；
当无人机与障碍物的距离在0.5～1m范围时，频率可调的超声波驱动装置发射的声波频率为130kHz。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110792792.0A CN113703466A (zh) | 2021-07-14 | 2021-07-14 | 一种频率可调的四旋翼无人机避障方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110792792.0A CN113703466A (zh) | 2021-07-14 | 2021-07-14 | 一种频率可调的四旋翼无人机避障方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN113703466A true CN113703466A (zh) | 2021-11-26 |
Family
ID=78648556
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202110792792.0A Pending CN113703466A (zh) | 2021-07-14 | 2021-07-14 | 一种频率可调的四旋翼无人机避障方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN113703466A (zh) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102988155A (zh) * | 2012-09-21 | 2013-03-27 | 华南理工大学 | 基于多调频的编码振动及语音提示的导盲方法与装置 |
| CN105629985A (zh) * | 2016-03-20 | 2016-06-01 | 北京工业大学 | 室内四旋翼无人机360°三维避障系统 |
| CN106774396A (zh) * | 2016-12-16 | 2017-05-31 | 北京中科浩电科技有限公司 | 一种多旋翼超声波自动避障无人机 |
| CN107065932A (zh) * | 2017-06-15 | 2017-08-18 | 西安电子科技大学 | 一种灾情探测四旋翼无人机的控制方法 |
| CN107783547A (zh) * | 2016-08-25 | 2018-03-09 | 大连楼兰科技股份有限公司 | 灾后救援旋翼无人机避障系统及方法 |
-
2021
- 2021-07-14 CN CN202110792792.0A patent/CN113703466A/zh active Pending
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102988155A (zh) * | 2012-09-21 | 2013-03-27 | 华南理工大学 | 基于多调频的编码振动及语音提示的导盲方法与装置 |
| CN105629985A (zh) * | 2016-03-20 | 2016-06-01 | 北京工业大学 | 室内四旋翼无人机360°三维避障系统 |
| CN107783547A (zh) * | 2016-08-25 | 2018-03-09 | 大连楼兰科技股份有限公司 | 灾后救援旋翼无人机避障系统及方法 |
| CN106774396A (zh) * | 2016-12-16 | 2017-05-31 | 北京中科浩电科技有限公司 | 一种多旋翼超声波自动避障无人机 |
| CN107065932A (zh) * | 2017-06-15 | 2017-08-18 | 西安电子科技大学 | 一种灾情探测四旋翼无人机的控制方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP3508940B1 (en) | Collision avoidance system and method for unmanned aircraft | |
| WO2018058442A1 (zh) | 路径规划的方法、装置、飞行控制系统、全方位避障系统与无人机 | |
| US10392125B2 (en) | System and method for onboard wake and clear air turbulence avoidance | |
| US20190051196A1 (en) | Dynamic Collision-Avoidance System and Method | |
| CN206057974U (zh) | 一种应用在旋翼无人机上的避障系统 | |
| US20180350086A1 (en) | System And Method Of Dynamically Filtering Depth Estimates To Generate A Volumetric Map Of A Three-Dimensional Environment Having An Adjustable Maximum Depth | |
| CN104851323B (zh) | 基于北斗的飞机安全起降实时监控系统 | |
| CN106774384A (zh) | 一种桥梁检测智能避障机器人 | |
| RU2724937C2 (ru) | Летательный аппарат и способ стабилизации летательного аппарата | |
| Ishiki et al. | Design model of microphone arrays for multirotor helicopters | |
| CA3063271A1 (en) | Air data system architectures including laser air data and acoustic air data sensors | |
| CN110764531A (zh) | 基于激光雷达与人工势场法的无人机编队飞行避障方法 | |
| US20210375147A1 (en) | Method and system for detecting and avoiding obstacles with several detection spaces for aircraft | |
| EP3645390B1 (en) | Obstacle detection | |
| CN110673627A (zh) | 一种森林无人机搜寻方法 | |
| CN113820709B (zh) | 基于无人机的穿墙雷达探测系统及探测方法 | |
| Tijs et al. | Hear-and-avoid for micro air vehicles | |
| CN207274661U (zh) | 无人车环境感知系统 | |
| US10908277B1 (en) | Maintaining position relative to an air anomaly | |
| CN113703466A (zh) | 一种频率可调的四旋翼无人机避障方法 | |
| EP3430487B1 (en) | Systems, methods, and apparatus for airflow sensing and close formation flight | |
| EP3683780A1 (en) | Obstacle detection using camera mounted on protrusion of vehicle | |
| CN107390707A (zh) | 无人机控制系统 | |
| WO2022095210A1 (zh) | 惯性测量模组和无人飞行器 | |
| CN204695575U (zh) | 基于北斗的飞机安全起降实时监控系统 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |