CN114237277A - 一种基于毫米波雷达和近电感应的无人机避障系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于毫米波雷达和近电感应的无人机避障系统，所述无人机避障系统包括信息检测部分、数据处理部分、飞行控制部分，所述信息检测部分、所述数据处理部分、所述飞行控制部分顺序连接；所述信息检测部分提供附近障碍物和电场信息，所述数据处理部分接收检测信息进行实时路径规划、输出控制指令，所述飞行控制部分基于数据处理中心的控制指令控制所述无人机避障飞行。本发明提供一种基于毫米波雷达和近电感应的无人机避障系统，能够优化避障飞行策略，避免无人机受到电磁干扰而失灵或碰撞高压线导致事故等情况，提高电力系统运行的安全程度。
Description
技术领域
本发明属于复杂环境下无人机避障技术领域，特别涉及一种基于毫米波雷达和近电感应的无人机避障系统。
背景技术
近年来，无人机领域的发展可谓是日新月异，便捷、小型、多功能的无人机在各种环境下得到了充足的发展和使用。无人机智能化，自主化的要求也越来越高，用于不同领域下的特种无人机种类也越来越多。目前，在影视航拍，农业植保，电力巡检，安防应急，航空测绘，交通执法等多个领域，无人机发挥着越来越大的作用，基于各个环境特征下的特种无人机需求也越来越明显。
在电力巡检领域，无人机巡检是未来的主要趋势，目前无人机巡检一般是通过无人机携带摄像，红外等多种类型的传感器来检查高压输电线是否有接触不良、漏电、过热或存在树障、大型机械施工等外力破坏隐患。在巡检过程中，无人机需要避开高压电线以及各种环境中的障碍物，避障方式一般有通过机载传感器获取环境位置信息进行局部避障和基于卫星地图进行路径规划两种。
在无人机避障领域，毫米波雷达是目前新兴的的高性能避障传感器选择，对比传统超声波，激光雷达等避障传感器，毫米波雷达具有体积小、功耗低、作用距离远、穿透雾、烟、灰尘能力强，能全天候工作等诸多优点，特别是目前兴起的77GHZ毫米波雷达，与传统24GHZ的雷达相比，基于其高达4GHZ的扫描带宽，可显著提高距离分辨率及测距精度，超高射频频率使得速度分辨率与进度远高于24GHZ的雷达，尺寸也大大缩小，加之其波束窄，有效探测距离长，可为快速移动无人机提供及时的障碍反馈。
无人机在当今的实际使用过程中，由于其电子器件易受天气，电磁环境等各种偶然因素的干扰，避障策略失灵使得碰撞事件屡有发生。而在电力监测领域，高压电线一旦被碰撞、刮损，容易导致漏电、短路等各种危险情况的发生，目前尚无人考虑这一情况。通过在无人机上耦合电力预警装置可有效避免这一状况。近电感应检测电场是目前较为可靠的电力预警检测方法，其体积小，电场识别能力强，信号处理方便，适合无人机平台上的使用。
发明内容
针对避障无人机在目前电力监测领域的缺陷，本发明提供一种基于毫米波雷达和近电感应的无人机避障系统，能够优化避障飞行策略，避免无人机受到电磁干扰而失灵或碰撞高压线导致事故等情况，提高电力系统运行的安全程度。
本发明具体为一种基于毫米波雷达和近电感应的无人机避障系统，所述无人机避障系统包括信息检测部分、数据处理部分、飞行控制部分，所述信息检测部分、所述数据处理部分、所述飞行控制部分顺序连接；所述信息检测部分提供附近障碍物和电场信息，所述数据处理部分接收检测信息进行实时路径规划、输出控制指令，所述飞行控制部分基于数据处理中心的控制指令控制所述无人机避障飞行。
所述信息检测部分包括毫米波雷达模块、近电感应模块和北斗定位模块。
所述毫米波雷达模块采用77GHZ毫米波雷达，型号采用TI公司的awr1642，应用稳定，探测精度高，探测距离远，分辨率高，能精确获取前方障碍信息。
所述近电感应模块包括球形电场传感器部分、信号调理电路部分和单片机部分；
所述球形电场传感器为电容性传感器，基于感应电荷产生内空间电场，而两侧电压与场强成正比的原理，通过测量电压能够获得电场信息；
所述信号调理电路包括前置放大电路，工频信号滤波电路，AC-DC转换电路和直流放大电路；
所述单片机部分采用PIC18F87K22型单片机，其稳定性好，主要完成电场信号的判断，转换和传输。
所述北斗定位模块采用小型北斗定位模块SIM68M，能够实时定位无人机地理位置，结合设定路径目标信息进行无人机到达目标位置的确定。
所述数据处理部分主要由stm32F745核心板完成，负责完成雷达信息与近电感应信息的综合提取与数据处理，并与所述飞行控制部分进行数据传递。
各模块通讯方式包括：所述毫米波雷达模块与板载的所述数据处理部分通过串口通信，所述近电感应模块与板载的所述数据处理部分采用串口通信，板载所述数据处理部分与所述飞行控制部分采用无线4G通信。
所述数据处理部分的硬件电路包括串口数据接收、stm32处理芯片、无线通讯4G模块。
所述数据处理部分的软件部分包括数据前处理以及控制指令生成部分，
所述数据前处理根据毫米波雷达返回的障碍物距离、角度信息进行三角转换获得障碍物前方距离、侧方距离及宽度、高度信息；接收所述近电感应模块输出的电平信息判断是否靠近高压线安全距离内，将所述障碍物信息进行控制算法处理后产生控制指令，发送给4G通信模块；
所述控制指令生成部分依靠动态窗口局部避障算法，根据所述数据前处理部分生成的障碍物信息产生前方地图矩阵，在考虑自身速度的情况下选择最优行进路线实现避障，在接收到所述近电感应模块的预警信息时，产生低速飞行指令，根据地图障碍物形状信息匹配可能的电线目标，进行障碍物警戒程度分级，在分权重的障碍物地图矩阵上规划最优实时航线，并结合实时近电预警反馈信息最优航线进行调整，确保无人机飞行的安全性。
所述飞行控制部分包括机载飞行控制器与地面站控制台，所述飞行控制器接收地面控制台和所述数据处理部分给出的控制指令，控制所述无人机进行各方向的移动。所述地面站控制台需要完成的任务有：获取北斗定位信息、实时显示所述无人机当前位置、设定飞行目标、判断是否到达目的地、可随时发送控制命令改变所述无人机飞行状态、控制返航或改变目标等。
本发明所述的无人机避障系统，通过信息检测部分、数据处理部分、飞行控制部分的配合工作，可实现无人机在复杂自然环境下的避障，并且在靠近高压电器设备时，及时提供预警信息，使无人机与电气设备保持安全距离。其显著优点在于：1、在保留普通无人机平台基本功能的基础上，实现了无人机自主智能飞行，可提高一次作业时电力巡检的范围。2、避障策略综合了智能算法和近电感应的信息，使得无人机与电气装置保持安全距离，有效降低电力巡检过程中意外事故的发生。
附图说明
图1为本发明一种基于毫米波雷达和近电感应的无人机避障系统的原理框图。
图2为近电感应模块的原理框图。
图3为近电感应模块的工作流程图。
图4为球形电场传感器结构示意图。
图5为数据处理部分的原理框图。
图6为数据处理算法流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明一种基于毫米波雷达和近电感应的无人机避障系统的具体实施方式做详细阐述。
如图1所示，本发明的无人机避障系统包括信息检测部分、数据处理部分、飞行控制部分，所述信息检测部分、所述数据处理部分、所述飞行控制部分顺序连接；所述信息检测部分提供附近障碍物和电场信息，所述数据处理部分接收检测信息进行实时路径规划、输出控制指令，所述飞行控制部分基于数据处理中心的控制指令控制所述无人机避障飞行。
所述信息检测部分包括毫米波雷达模块、近电感应模块和北斗定位模块。
所述数据处理部分通过所述无线通信4G模块完成所述北斗定位模块、stm32处理芯片和地面控制台的远程通信。
所述飞行控制部分包括机载飞行控制器与地面站控制台。
所述毫米波雷达模块采用77GHZ毫米波雷达，型号采用TI公司的awr1642，应用稳定，探测精度高，探测距离远，分辨率高，能实时精确获取前方障碍信息。
如图2所示，所述近电感应模块负责感应附近电场信息给出所述无人机靠近高压电器设备时的预警，包括球形电场传感器部分、信号调理电路部分和单片机部分，采用锂电池供电，并固定在所述无人机上；所述球形电场传感器部分与所述信号处理电路部分通过空心绝缘柱相连接，所述信号处理电路部分与所述单片机部分相连接。
如图3所示，所述球形电场传感器为电容性传感器，感应环境中的电场信息，基于感应电荷产生内空间电场，而两侧电压与场强成正比的原理，通过测量电压能够获得电场信息；不同强度的电场产生不同的程度的模拟电压信号，通过焊接在铜片电极上的6根导线将模拟信号传输给信号调理电路；
所述信号调理电路部分包括前置放大电路，工频信号滤波电路，AC-DC转换电路和直流放大电路；所述前置放大电路将采集到的微小的电场信号通过两级差分方式进行前置放大；所述工频信号滤波电路将放大后的信号进行有源滤波，消除噪声干扰；所述AC-DC转换电路将模拟信号转化成数字信号；所述直流放大电路利用放大器进行直流放大，将放大后的数字信号传输给所述单片机；
所述单片机部分采用PIC18F87K22型单片机，其稳定性好，主要完成电场信号的判断，转换和传输：接收调理后的数字信号，通过对信号强度信息进行区间划分，计算均值并判断是否超过设定的危险电场阈值，未超过阈值的数据段产生默认输出，超出阈值的数据段进行分级，分级大小表征着周围电场的大小，最后将电场强度信息转化为对应的电平信号通过内置串口发送到数据处理部分。
如图4所示，所述球形电场传感器的结构为6个曲率金属圆形铜片安装在塑料球上构成一个球形传感器，6个圆片均匀放置，一一对应，每个铜片采用铜箔做电极，导线焊接在铜箔的边缘，该球形传感器在电场环境下产生电压信号，通过6根导线将信号传输给信号调理电路。
所述北斗定位模块采用小型北斗定位模块SIM68M，通过实时接收北斗定位信息，能够实时定位无人机地理位置，结合设定路径目标信息进行无人机到达目标位置的确定，通过4G模块将位置信息传输到地面控制平台。
如图5所示，所述数据处理部分的硬件组成分为信号接收、控制算法处理、无线通信4G模块；所述控制算法处理采用stm32处理芯片，具体采用stm32F745高速大容量芯片，负责完成雷达信息与近电感应信息的综合提取与数据处理，并与所述飞行控制部分进行数据传递；所述数据处理部分通过双串口分别接收来自毫米波雷达和近电感应模块的信号，将其以串口电平方式发送给stm32F745高速大容量芯片，写入数据处理算法程序，在芯片内部进行数据处理后，将障碍物信息和控制指令实时传输给所述无线通信4G模块，与地面控制平台实现远程通信。
所述数据处理部分通过所述无线通信4G模块完成所述北斗定位模块、stm32处理芯片和地面控制台的远程通信。
所述飞行控制部分采用现有的开源飞控进行二次开发；所述飞行控制器接收地面控制台和所述数据处理部分给出的控制指令，控制所述无人机进行各方向的移动。所述地面站控制台需要完成的任务有：获取北斗定位信息、实时显示所述无人机当前位置、设定飞行目标、判断是否到达目的地、可随时发送控制命令改变所述无人机飞行状态、控制返航或改变目标。
所述地面控制台架设在电脑上，与所述数据处理部分和所述北斗定位模块通过所述无线通信4G模块进行远距离通讯，实时显示所述无人机位置以及前方障碍物信息。
如图6所示，数据处理部分软件流程分为信号解算、控制方式计算、控制指令生成等部分；信号解算基于获得的障碍物数据以及电场信息：首先根据距离与角度的三角转换获得障碍物前方距离，侧方距离，宽度通过信号窗口截取上下极值计算获取；近电感应信号解算后获得电力障碍物距离信息；然后匹配雷达信号获取的障碍物的信息，根据障碍物是否带电，前方距离，侧方距离，宽度等因素分配权重，进行障碍物避障优先程度分级，接着生成带优先级的前方障碍物实时动态地图；避障算法采用动态窗口法，考虑无人机当前速度，角速度，制动能力和前方地图矩阵，进行多方向路线规划，计算获取最优路线，生成实时控制指令指导无人机飞行。
所述数据处理部分的软件部分包括数据前处理以及控制指令生成部分，
所述数据前处理根据毫米波雷达返回的障碍物距离、角度信息进行三角转换获得障碍物前方距离、侧方距离及宽度、高度信息；接收所述近电感应模块输出的电平信息判断是否靠近高压线安全距离内，将所述障碍物信息进行控制算法处理后产生控制指令，发送给所述无线通信4G模块；
所述控制指令生成部分依靠动态窗口局部避障算法，根据所述数据前处理部分生成的障碍物信息产生前方地图矩阵，在考虑自身速度的情况下选择最优行进路线实现避障，在接收到所述近电感应模块的预警信息时，产生低速飞行指令，根据地图障碍物形状信息匹配可能的电线目标，进行障碍物警戒程度分级，在分权重的障碍物地图矩阵上规划最优实时航线，并结合实时近电预警反馈信息最优航线进行调整，确保无人机飞行的安全性。
各模块通讯方式包括：所述毫米波雷达模块与所述数据处理部分通过串口通信，所述近电感应模块与所述数据处理部分采用串口通信，所述数据处理部分与所述飞行控制部分采用无线4G通信。
最后应该说明的是，结合上述实施例仅说明本发明的技术方案而非对其限制。所属领域的普通技术人员应当理解到，本领域技术人员可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，但这些修改或变更均在申请待批的权利要求保护范围之中。
Claims (10)
1.一种基于毫米波雷达和近电感应的无人机避障系统，其特征在于，所述无人机避障系统包括信息检测部分、数据处理部分、飞行控制部分，所述信息检测部分、所述数据处理部分、所述飞行控制部分顺序连接；所述信息检测部分提供附近障碍物和电场信息，所述数据处理部分接收检测信息进行实时路径规划、输出控制指令，所述飞行控制部分基于数据处理中心的控制指令控制所述无人机避障飞行。
2.根据权利要求1所述的一种基于毫米波雷达和近电感应的无人机避障系统，其特征在于，所述信息检测部分包括毫米波雷达模块、近电感应模块和北斗定位模块。
3.根据权利要求2所述的一种基于毫米波雷达和近电感应的无人机避障系统，其特征在于，所述毫米波雷达模块采用77GHZ毫米波雷达，实时获取前方障碍信息。
4.根据权利要求3所述的一种基于毫米波雷达和近电感应的无人机避障系统，其特征在于，所述近电感应模块负责感应附近电场信息给出所述无人机靠近高压电器设备时的预警，包括球形电场传感器部分、信号调理电路部分和单片机部分；
所述球形电场传感器为电容性传感器，基于感应电荷产生内空间电场，而两侧电压与场强成正比的原理，通过测量电压能够获得电场信息；所述球形电场传感器的结构为6个曲率金属圆形铜片安装在塑料球上构成一个球形传感器，6个圆片均匀放置，一一对应，每个铜片采用铜箔做电极，导线焊接在铜箔的边缘，该球形传感器在电场环境下产生电压信号，通过6根导线将信号传输给所述信号调理电路；
所述信号调理电路包括前置放大电路、工频信号滤波电路、AC-DC转换电路和直流放大电路；
所述单片机部分采用PIC18F87K22型单片机，主要完成电场信号的判断、转换和传输。
5.根据权利要求4所述的一种基于毫米波雷达和近电感应的无人机避障系统，其特征在于，所述北斗定位模块采用小型北斗定位模块SIM68M，能够实时定位所述无人机地理位置，结合设定路径目标信息进行所述无人机到达目标位置的确定。
6.根据权利要求5所述的一种基于毫米波雷达和近电感应的无人机避障系统，其特征在于，所述数据处理部分主要由stm32F745核心板完成，负责完成雷达信息与近电感应信息的综合提取与数据处理，并与所述飞行控制部分进行数据传递。
7.根据权利要求6所述的一种基于毫米波雷达和近电感应的无人机避障系统，其特征在于，述数据处理部分的硬件电路包括串口数据接收、stm32处理芯片、无线通讯4G模块。
8.根据权利要求7所述的一种基于毫米波雷达和近电感应的无人机避障系统，其特征在于，所述数据处理部分的软件部分包括数据前处理以及控制指令生成部分，通过多信号综合处理算法完成信号处理和指令生成：
所述数据前处理根据毫米波雷达返回的障碍物距离、角度信息进行三角转换获得障碍物前方距离、侧方距离及宽度、高度信息；接收所述近电感应模块输出的电平信息判断是否靠近高压线安全距离内，将所述障碍物信息进行控制算法处理后产生控制指令，发送给所述无线通讯4G模块；
所述控制指令生成部分依靠动态窗口局部避障算法，根据所述数据前处理部分生成的障碍物信息产生前方地图矩阵，在考虑自身速度的情况下选择最优行进路线实现避障，在接收到所述近电感应模块的预警信息时，产生低速飞行指令，根据地图障碍物形状信息匹配可能的电线目标，进行障碍物警戒程度分级，在分权重的障碍物地图矩阵上规划最优实时航线，并结合实时近电预警反馈信息最优航线进行调整，确保所述无人机飞行的安全性。
9.根据权利要求8所述的一种基于毫米波雷达和近电感应的无人机避障系统，其特征在于，所述飞行控制部分包括机载飞行控制器与地面站控制台，所述飞行控制器接收所述地面站控制台和所述数据处理部分给出的控制指令，控制所述无人机进行各方向的移动；
所述地面站控制台需要完成的任务有：获取北斗定位信息、实时显示所述无人机当前位置、设定飞行目标、判断是否到达目的地、可随时发送控制命令改变所述无人机飞行状态、控制返航或改变目标。
10.根据权利要求9所述的一种基于毫米波雷达和近电感应的无人机避障系统，其特征在于，所述毫米波雷达模块与所述数据处理部分通过串口通信，所述近电感应模块与所述数据处理部分采用串口通信，所述数据处理部分与所述飞行控制部分采用无线4G通信。
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| CN114610078A (zh) * | 2022-05-12 | 2022-06-10 | 四川腾盾科技有限公司 | 一种无人机空中航路冲突预警方法及系统 |
| CN114610078B (zh) * | 2022-05-12 | 2022-08-12 | 四川腾盾科技有限公司 | 一种无人机空中航路冲突预警方法及系统 |
| CN114964269A (zh) * | 2022-08-01 | 2022-08-30 | 成都航空职业技术学院 | 一种无人机路径规划方法 |
| CN114964269B (zh) * | 2022-08-01 | 2022-11-08 | 成都航空职业技术学院 | 一种无人机路径规划方法 |
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