CN220518585U - 一种可自主避障的超低空抵近侦察无人机设备 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种可自主避障的超低空抵近侦察无人机设备，该设备包括人机、无人机控制地面站；所述无人机，用于根据光照条件选择视觉里程计或激光雷达进行实时避障；将采集的目标侦察区域的航拍影像数据传送给所述无人机控制地面站。本申请可应用于对未知的复杂环境下的低空抵近侦察任务中，并针对不同的光照条件，提供了不同的避障方案。因此，无论环境光线是否充足，本申请的无人机设备都可以在复杂的林间、山谷中通过实时自主避障，实现复杂环境下的超低空飞行，解决了夜晚无人机视觉避障效果不良的问题，极大加强了无人机对未知环境和光照条件的适应性，提高了对目标区域抵近侦察的效率和安全性。

Description

一种可自主避障的超低空抵近侦察无人机设备

技术领域

本申请涉及一种无人机，属于无人机技术领域，尤其涉及一种可自主避障的超低空抵近侦察无人机设备。

背景技术

随着科技不断发展，出现了许多替代人工的设备。无人机作为一种不断发展、热度不断提升的工具，因其拥有速度快、行动灵巧、成本相对较低等优点，不断出现在各种场合中。对于一块未知的待探测区域，人工探测往往存在着危险性和不确定性，而使用无人机探测可以很好地弥补这一缺陷。例如，在林间、山谷环境中，受光照、植被生长情况等因素影响，无人机作业存在炸机的风险。因此，亟需一种可自主避障的作业无人机，以提高复杂环境下作业的安全性、高效性。

实用新型内容

根据本申请的一个方面，提供了一种可适应于不同光照条件的自主避障的超低空抵近侦察无人机设备，能够很大程度上提高在未知复杂环境中对目标区域抵近侦察的效率和安全性。

所述可自主避障的超低空抵近侦察无人机设备包括无人机、无人机控制地面站；

所述无人机，用于根据光照条件，选择视觉里程计或激光雷达进行实时避障；将采集的目标侦察区域的航拍影像数据传送给所述无人机控制地面站。

进一步地，所述无人机包括无人机组件、航拍组件、无人机定高组件、视觉SLAM避障组件、激光雷达避障组件、机载处理器；其中，所述无人机组件，用于维持无人机正常飞行；所述航拍组件搭载在所述无人机组件上，用于将采集的目标侦察区域的航拍影像数据传送给所述无人机控制地面站；所述无人机定高组件用于实时测量无人机的相对高度，将高度信息传输给无人机组件中的飞行控制器，所述飞行控制器控制无人机保持超低空飞行；所述视觉SLAM避障组件和所述激光雷达避障组件均接入所述机载处理器，所述机载处理器与所述飞行控制器连接。

优选地，所述无人机组件包括机臂、机架、起落架、飞行控制器、电调、电机、数传电台、GPS；所述机臂、机架、起落架构成无人机主体；所述机架上搭载有航拍组件、无人机定高组件、视觉SLAM避障组件、激光雷达避障组件、机载处理器，所述电机通过所述电调与所述飞行控制器连接；所述飞行控制器分别与所述数传电台、所述GPS连接，所述数传电台、所述GPS分别向所述无人机控制地面站实时发送姿态信息和位置信息。

优选地，所述飞行控制器采用Pixhawk飞控，用于协同其他组件的工作，并通过所述数传电台、所述GPS向所述无人机控制地面站发送姿态信息和位置信息。

优选地，所述无人机定高组件包括下视激光雷达，所述下视激光雷达安装在所述机架底部，其壳体高度小于所述起落架的高度。所述起落架的设置防止下视激光雷达与地面直接接触，并且在无人机下降过程中起到缓冲作用。

优选地，所述下视激光雷达采用TFMini Plus下视激光雷达。

优选地，所述视觉SLAM避障组件包括双目相机，所述双目相机用于获取无人机前进方向的视觉影像，并传输至所述机载处理器，所述机载处理器实时完成视觉SLAM和避障功能。

优选地，所述机载处理器进行视觉避障时采用JPS算法，采用Vins-Function作为无人机的视觉惯导里程计。当JPS算法生成的部分轨迹进入到障碍物内部时会采用梯度法进行优化，并保证优化后的点与障碍物边缘保持一定的安全距离。

优选地，所述梯度法采用无需ESDF梯度。

优选地，所述双目相机采用D435双目深度相机。

优选地，所述激光雷达避障组件包括激光雷达，所述激光雷达用于测距，并将数据传输至所述机载处理器进行激光雷达实时避障。

优选地，所述激光雷达采用思岚的S1激光雷达。

优选地，所述机载处理器在进行激光雷达实时避障时采用VFH算法。

优选地，所述机载处理器采用Intel的Nuc处理器。

优选地，所述无人机控制地面站包括机箱，所述机箱包括主机、无人机飞行状态显示屏、无线接收模块，所述主机通过与所述无人机飞行状态显示屏连接；所述无人机飞行状态显示屏与所述无线接收模块电连接，所述无线接收模块与所述无人机无线连接；

所述主机上设置有电源接口、数传开关、图传开关、无人机遥控手柄、航拍录像按钮。

其中，所述电源接口，用于接入电源并给主机供电。

所述无人机遥控手柄，用于操作无人机在空中飞行的姿态与飞行路线。

所述数传开关，用于控制无人机与无人机地面控制站保持实时连接，当所述无人机控制地面站发布航点或者改变无人机飞行模式命令时，使无人机能够实时接收到指令并作出响应。

所述图传开关，用于控制所述无人机的航拍组件中的图传模块，将拍摄的航拍影像数据传输至所述无人机控制地面站。

所述航拍录像按钮，用于控制所述航拍组件中航拍相机的快门，当按下航拍录像按钮，可触发航拍相机的拍照或录像功能。

优选地，所述无线接收模块包括无线接收天线。

优选地，所述无线接收模块还包括外接无线天线接口，用于在需要加强无线信号接受效果与传输效率的情况下，增加外接无线接收天线。

优选地，所述主机内还设置有WAN接口和/或USB接口，用于将航拍影像数据传输到专用的服务器上进行影像分析。

本申请能产生的有益效果包括：

1）本申请所提供的超低空抵近侦察无人机设备，可根据光照条件状况（如白天和黑夜）选择视觉避障方式和激光雷达避障方式，能够克服因环境昏暗视觉避障效果不理想的缺陷，满足全天无人机作业的需要。

2）本申请所提供的超低空抵近侦察无人机设备，能够实现无人机的超低空飞行，可以更加隐秘地对目标区域进行探测，大大降低行动被发现的概率。

3）本申请所提供的超低空抵近侦察无人机设备中的机载处理器，采用JPS算法作为核心避障算法，在常见的路径规划A Star算法模型的基础之上，优化了搜索后继节点的操作，操作开放列表的次数很少。A Star算法每次都需要维护开放列表，如果地图很小的话，速度会很快，但是如果地图很大的话，搜索速度就会很慢。而JPS算法会先用一种更高效的方法来搜索需要加进开放列表的点，然后在开放列表中弹出最小值，因此在应对复杂环境时表现会优于A Star算法。

附图说明

图1为无人机设备结构图；

图2为无人机JPS算法避障仿真效果图；

图3为无人机控制地面站结构图；

图4为无人机设备工作流程图。

部件和附图标记列表：

A-机架，B-无人机控制地面站，1-下视激光雷达，2-起落架，3-双目相机，4-机载处理器，5-激光雷达，6-便携式机箱，701-一对已经安装的无线接收天线，702-一对可增加的外界无线天线接口，8-无人机飞行状态显示屏，9-无人机飞行状态显示屏的电源指示灯及屏幕调节按钮，10-12伏电源充电接口，1101、1102-一对WAN接口，12-电源开关，13-数传开关，14-图传开关，1501、1502-一对无人机遥控手柄，16-COM1接口，17-风扇，18-航拍录像按钮，19-USB接口，20-显示屏，21-主机与无人机飞行状态显示屏之间的数据线。

具体实施方式

下面结合实施例详述本申请，但本申请并不局限于这些实施例。

请参见图1，其示出了一种实施方式中可自主避障的超低空抵近侦察无人机设备的结构图。

所述可自主避障的超低空抵近侦察无人机设备包括无人机、无人机控制地面站；

所述无人机，用于根据光照条件，选择视觉里程计或激光雷达进行实时避障；将采集的目标侦察区域的航拍影像数据传送给所述无人机控制地面站。

在光线不足或者晚上执行任务时，由于环境昏暗导致采用视觉避障效果并不理想，而激光雷达由于是通过激光测距，在光线昏暗情况下效果更为显著。

在一种实施方式中，所述无人机包括无人机组件、航拍组件、无人机定高组件、视觉SLAM避障组件、激光雷达避障组件、机载处理器；其中，所述无人机组件，用于维持无人机正常飞行；所述航拍组件搭载在所述无人机组件上，用于将采集的目标侦察区域的航拍影像数据传送给所述无人机控制地面站；所述无人机定高组件用于实时测量无人机的相对高度，将高度信息传输给无人机组件中的飞行控制器，所述飞行控制器控制无人机保持超低空飞行；所述视觉SLAM避障组件和所述激光雷达避障组件均接入所述机载处理器，所述机载处理器与所述飞行控制器连接。

所述无人机组件包括机臂、机架、起落架2、飞行控制器、电调、电机、数传电台、GPS；所述机臂、机架、起落架构成无人机主体；所述机架上搭载有航拍组件、无人机定高组件、视觉SLAM避障组件、激光雷达避障组件、机载处理器，所述电机通过所述电调与所述飞行控制器连接；所述飞行控制器分别与所述数传电台、所述GPS连接，所述数传电台、所述GPS分别向所述无人机控制地面站实时发送姿态信息和位置信息，以使使用者知悉无人机的实时状态。

所述无人机组件部分，设置了起落架2，用于防止下视激光雷达与地面直接接触，并且在无人机下降过程中起到缓冲作用。

在一种实施方式中，所述飞行控制器采用Pixhawk飞控。无人机通过Pixhawk飞控来协同上述组件的工作，并通过数传电台和GPS向地面站实时发送姿态信息和位置信息。

在一种实施方式中，无人机定高组件使用的是TFMini Plus下视激光雷达1，通过下视激光雷达实时得到无人机的相对高度，从而实现相对定高飞行，使得无人机能够保持高度超低空飞行。

在一种实施方式中，视觉SLAM和避障的实现主要是通过一个双目相机3和机载处理器4，采用的是D435双目深度相机和Intel的Nuc处理器，搭载于机架A上。通过双目相机3获取无人机前进方向的视觉影像，在机载处理器4上实时完成视觉SLAM和避障功能。

在一种实施方式中，所述机载处理器进行视觉避障时采用JPS算法，采用Vins-Function作为无人机的视觉惯导里程计。

本申请采用的主体框架是浙大ego-planner的主体框架，不同的是将其中核心避障算法从A Star算法换成了JPS算法，剩下的图优化方法等基本没有变化，都是采用的无需ESDF梯度的局部路径规划，并且当JPS算法生成的部分轨迹进入到障碍物内部时会采用梯度法进行优化，并保证优化后的点与障碍物边缘保持一定的安全距离。我们在rviz软件中通过代码随机生成了一块栅格地图，通过2D Nav Goal在地图中选取目标点，通过对比可以看出JPS算法找到的路径更优于A Star算法。如图2所示，无人机通过JPS算法进行自主动态避障到达任务点，实心曲线为无人机飞行轨迹。

在一种实施方式中，激光雷达避障的实现是通过一个激光雷达5和机载处理器4，采用的是思岚的S1激光雷达和Intel的Nuc处理器。通过激光雷达进行测距，采用VFH算法实现实时避障。在gazebo软件中生成了一块带有障碍物的测试地图，通过无人机控制地面站选取目标点，无人机可以通过VFH激光雷达避障算法进行路径规划，规避障碍物，从而安全地到达目标点。

如图3所示，无人机控制地面站B集成了无线链路模块，主要功能件集成安装在便携式机箱6内，主要包括一对已经安装的无线接收天线701，一对可增加的外接无线天线接口702，1个无人机飞行状态显示屏8，无人机飞行状态显示屏的电源指示灯及屏幕调节按钮9，12伏电源充电接口10，电源开关12，数传开关13，图传开关14，一对无人机遥控手柄1501、1502，COM1接口16，风扇17，航拍录像按钮18，USB接口19，显示屏20，主机与无人机飞行状态显示屏之间的数据线21。

所述无线接收天线701，用于加强和数传电台通讯时的信号。所述外接无线天线接口702，用于在需要加强无线信号接受效果与传输效率的情况下，增加外接无线接收天线。

所述无人机飞行状态显示屏8，用于实时显示无人机飞行状态及无人机在地图中的位置。

所述电源指示灯及屏幕调节按钮9，用于查看所述无人机飞行状态显示屏8及所述显示屏20是否接通电源。

所述12伏电源充电接口10，用于接入电源并给所述便携式机箱6供电。

所述主机内还设置有一对WAN接口1101、1102和USB接口19，用于将航拍影像数据传输到专用的服务器上进行影像分析。

所述电源开关12，用于控制电源的通断。

所述数传开关13，用于控制无人机与无人机地面控制站保持实时连接。当所述无人机控制地面站发布航点或者改变无人机飞行模式命令时，使无人机能够实时接收到指令并作出响应，如飞往指定航点或改变为指定的飞行模式。

所述图传开关14，用于控制所述无人机的航拍组件中的图传模块，将拍摄的航拍影像数据传输至所述无人机控制地面站。

所述无人机遥控手柄1501、1502，用于操作无人机在空中飞行的姿态与飞行路线。

所述COM1接口16，用于传输信息或连接通讯设备。

所述风扇17，用于给所述便携式机箱6降温，以保证正常运行。

所述航拍录像按钮18，用于控制所述航拍组件中航拍相机的快门，当按下航拍录像按钮，可触发航拍相机的拍照或录像功能。

所述显示屏20，用于实时显示无人机通过数传电台传输回来的mavlink消息（包括无人机的加速度、欧拉角等数据）。

进行无人机数据采集作业时，根据需要启动电源开关、数传开关、图传开关，设置好无线接收天线，如需要加强无线信号接收效果与传输速率，可以增加外接无线接收天线；应用无人机操作手柄可以操作无人机在空中飞行的姿态与飞行路线，并在无人机飞行状态显示屏上实时显示无人机飞行状态；可以通过数传与图传功能，将无人机航拍影像数据发送给无人机控制地面站主机；无人机控制地面站主机也可以在采集数据后，通过WAN接口或USB接口将航拍影像数据传输到专用的服务器进行影像分析。

如图4所示，为一种实施方式中本申请的无人机设备的工作流程图。所述无人机设备具体工作流程如下。

取出无人机设备，打开起落架，装上螺旋桨和电池，将无人机放置在平地上。

打开无人机控制地面站B，启动电源开关、数传开关、图传开关、机载处理器开关，图传接收机接入地面站，通过地面站连接无人机。这时可以通过地面站检查无人机的姿态、图片传输等状态是否正常，检查激光雷达显示高度是否正常。

当光照条件良好的情况下，采用视觉避障。通过ssh连接机载处理器，通过Mavros连接机载处理器与飞控，启动Vins-Function进行SLAM建图，左右摇晃飞机看Vins-Function显示是否正常，检查各个话题通讯是否正常。

在地面站设置飞行的轨迹航点，通过ROS输入指令使飞机进入offboard模式并起飞。此时无人机会向着初始航点飞去，并在途中通过JPS算法和Vins-Function视觉惯导里程计实时避障。

当光照条件不良的情况下，采用激光雷达避障。通过ssh连接机载处理器，通过Mavros连接机载处理器与飞控，在地面站设置飞行的轨迹航点，通过ROS输入指令使飞机进入offboard模式并起飞，在途中无人机通过VFH算法不断发布期望速度，从而控制无人机的前进方向，实现实时避障。

当无人机飞行到达侦察区域后，切换飞行模式为定点飞行模式，通过激光雷达辅助定高实现稳定悬停。等待无人机姿态平稳，调节云台角度，准备进行航拍影像采集。

通过云台和相机对目标区域进行航拍，完成所需侦察工作。

运动相机与无线通信链路电性连接，将获取的地物影像信息传送给无线通信链路；无线通信链路与无人机地面站无线连接，无线通讯链路采用基于无线通信视频传输模块TS832的数据传输功能，将摄像机获取的目标区域影像信息传送给无人机地面站。

无人机到达终点后，侦察任务结束，通过地面站或遥控器切换无人机为返航飞行模式，无人机将按最短路径安全返回，飞回至起点上空，同时打开无人机起落架，开始降落。

无人机安全落地后，关闭机载处理器、电源开关、数传开关、图传开关，卸下电池与螺旋桨，侦察工作结束。

以上所述，仅是本申请的几个实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。

Claims (18)

1.一种可自主避障的超低空抵近侦察无人机设备，其特征在于，该设备包括无人机、无人机控制地面站；

所述无人机，用于根据光照条件，选择视觉里程计或激光雷达进行实时避障；将采集的目标侦察区域的航拍影像数据传送给所述无人机控制地面站。

2.根据权利要求1所述的可自主避障的超低空抵近侦察无人机设备，其特征在于，所述无人机包括无人机组件、航拍组件、无人机定高组件、视觉SLAM避障组件、激光雷达避障组件、机载处理器；其中，所述无人机组件，用于维持无人机正常飞行；所述航拍组件搭载在所述无人机组件上，用于将采集的目标侦察区域的航拍影像数据传送给所述无人机控制地面站；所述无人机定高组件用于实时测量无人机的相对高度，将高度信息传输给无人机组件中的飞行控制器，所述飞行控制器控制无人机保持超低空飞行；所述视觉SLAM避障组件和所述激光雷达避障组件均接入所述机载处理器，所述机载处理器与所述飞行控制器连接。

3.根据权利要求2所述的可自主避障的超低空抵近侦察无人机设备，其特征在于，所述无人机组件包括机臂、机架、起落架、飞行控制器、电调、电机、数传电台、GPS；所述机臂、机架、起落架构成无人机主体；所述机架上搭载有航拍组件、无人机定高组件、视觉SLAM避障组件、激光雷达避障组件、机载处理器，所述电机通过所述电调与所述飞行控制器连接；所述飞行控制器分别与所述数传电台、所述GPS连接，所述数传电台、所述GPS分别向所述无人机控制地面站实时发送姿态信息和位置信息。

4.根据权利要求3所述的可自主避障的超低空抵近侦察无人机设备，其特征在于，所述无人机定高组件包括下视激光雷达，所述下视激光雷达安装在所述机架底部，其壳体高度小于所述起落架的高度。

5.根据权利要求3所述的可自主避障的超低空抵近侦察无人机设备，其特征在于，所述飞行控制器采用Pixhawk飞控，用于协同其他组件的工作，并通过数传电台、GPS向所述无人机控制地面站发送姿态信息和位置信息。

6.根据权利要求4所述的可自主避障的超低空抵近侦察无人机设备，其特征在于，所述下视激光雷达采用TFMini Plus下视激光雷达。

7.根据权利要求3所述的可自主避障的超低空抵近侦察无人机设备，其特征在于，所述视觉SLAM避障组件包括双目相机，所述双目相机用于获取无人机前进方向的视觉影像，并传输至所述机载处理器，所述机载处理器实时完成视觉SLAM和避障功能。

8.根据权利要求7所述的可自主避障的超低空抵近侦察无人机设备，其特征在于，所述双目相机采用D435双目深度相机。

9.根据权利要求7所述的可自主避障的超低空抵近侦察无人机设备，其特征在于，所述机载处理器进行视觉避障时采用JPS算法，采用Vins-Function作为无人机的视觉惯导里程计。

10.根据权利要求2所述的可自主避障的超低空抵近侦察无人机设备，其特征在于，所述激光雷达避障组件包括激光雷达，所述激光雷达用于测距，并将数据传输至所述机载处理器进行激光雷达实时避障。

11.根据权利要求10所述的可自主避障的超低空抵近侦察无人机设备，其特征在于，所述激光雷达采用思岚的S1激光雷达。

12.根据权利要求10所述的可自主避障的超低空抵近侦察无人机设备，其特征在于，所述机载处理器采用Intel的Nuc处理器。

13.根据权利要求10所述的可自主避障的超低空抵近侦察无人机设备，其特征在于，所述机载处理器在进行激光雷达实时避障时采用VFH算法。

14.根据权利要求1所述的可自主避障的超低空抵近侦察无人机设备，其特征在于，所述无人机控制地面站还用于实时获取无人机位置，对无人机的期望航点进行设置。

15.根据权利要求1所述的可自主避障的超低空抵近侦察无人机设备，其特征在于，所述无人机控制地面站包括机箱，所述机箱包括主机、无人机飞行状态显示屏、无线接收模块，所述主机通过与所述无人机飞行状态显示屏连接；所述无人机飞行状态显示屏与所述无线接收模块电连接，用于实时显示无人机飞行状态；所述无线接收模块与所述无人机无线连接；

所述主机上设置有电源接口、数传开关、图传开关、无人机遥控手柄、航拍录像按钮；

其中，所述电源接口，用于接入电源并给主机供电；

所述无人机遥控手柄，用于操作无人机在空中飞行的姿态与飞行路线；

所述数传开关，用于控制无人机与无人机地面控制站保持实时连接；

所述图传开关，用于控制所述无人机的航拍组件中的图传模块，将拍摄的航拍影像数据传输至所述无人机控制地面站；

所述航拍录像按钮，用于控制所述航拍组件的拍照或录像功能的开启。

16.根据权利要求15所述的可自主避障的超低空抵近侦察无人机设备，其特征在于，所述无线接收模块包括无线接收天线。

17.根据权利要求16所述的可自主避障的超低空抵近侦察无人机设备，其特征在于，所述无线接收模块还包括外接无线天线接口，用于在需要加强无线信号接受效果与传输效率的情况下，增加外接无线接收天线。

18.根据权利要求15所述的可自主避障的超低空抵近侦察无人机设备，其特征在于，所述主机内还设置有WAN接口和/或USB接口，用于将航拍影像数据传输到专用的服务器上进行影像分析。