TW201720717A - 多旋翼飛行器多重避障系統 - Google Patents

Abstract

一種用於多旋翼飛行器之多重避障系統，多旋翼飛行器包含有複數個轉子總成，係設置於旋翼機體並以一臂部耦接轉子總成，各轉子總成分別以帶動一螺旋槳以控制旋翼機體之空中運動；多重避障系統包含複數個感測器，其具備有朝向監視區域投射物理波的輸出部，具備接收由前述監視區域所來到的物理波之波動量訊號的接收部；該控制器為檢測前述監視區域中有無物體，並將計測範圍由遠距離範圍、中距離範圍、近距離範圍之中選擇任一者而進行設定，設定的方式為移動旋翼機體至自由空間以閃避障礙物體，如此可大幅增進其實用與附加價值，並提高其經濟效益。

Description

多旋翼飛行器多重避障系統

本發明係關於一種飛行載具之避障技術領域，具體而言係指一種多重感測器避障系統及應用彼之飛行載具，藉以當飛行載具接近障礙物時，能夠使其自主閃避的一種多旋翼飛行器多重避障系統。

按，隨著航太科技、機電整合與微機電(Microelectromechanical Systems，MEMS)科技的蓬勃發展，人類對於飛行器之發展技術已日趨成熟，無人飛行載具(Unmanned Aerial Vehicle，UAV)的發展已成為趨勢，無人飛行載具可以應用在各種民用及軍事行動，如空中攝影、救援行動、空氣汙染監測和交通監視等，不但可以節省成本，也可以避免人員因空難損傷等風險，尤其是在狹窄空間的應用更是極具靈活性。

現有無人飛行載具，其係於一機身之外圍等距組設有四或六支撐桿，而各該支撐桿自由端組設有一旋翼組，各該旋翼組係由一傳動件與一旋翼所構成，機身上並設一具供電單元、無線傳輸單元、三軸可偵測角速度之感應器、二混控器及四或六速控器之控制單元，以接收一為無線發射器之遙控器所發射之訊 息來驅動旋翼組之作動而形成一控制迴路，藉此，令其無人飛行載具除可垂直升降亦可左右移動飛行及前後移動飛行，其具有滞空性佳、安全、噪音低及易於控制等效果，而達飛行動作上更為靈活而不受限制之效。

但由於無人飛行載具是全權由電腦控制，而現有的無人飛行載具均無配備避障系統，在進行操控時可能因為失誤而有所碰撞造成損壞，尤其是在做第一人稱飛行控制(First Person View，FPV)時，我們只能透過攝影機看到飛行器前方的狀況，並無法得知周圍的環境資訊，如招牌、電線桿、大樓…等，在此情況下很容易不小心發生碰撞進而造成墬機，造成載具或設備損壞，甚至也會因為飛行載具的碰撞，造成其他人員或設備之損傷。

換言之，由於現有無人飛行載具無避障之設計，造成其無法有效避開障礙物的問題，而如何能讓無人飛行載具在飛行時，可有效避免碰撞，係本發明之重要課題。

再，本發明人於2013年發表之論文，名稱為：多重感測器融合應用於六旋翼飛行機器人之研製，該內容為利用多重感測器融合理論(Multi-sensors fusion)，使飛行機器人在未知的環境下利用氣壓高度計與超音波(Ultrasonic)感測器完成定高飛行(Altitude hold)之功能。而紅外線與超音波達感測器可成自主避障功能(Obstacle avoidance)；光流感測器(Optical flow sensor)則可在GPS信號失聯或室內的環境下達 到定點停懸飛行之功用。此外，本論文也利用Matlab軟體寫入PID控制法作為飛行機器人閉迴路控制之模擬，以達到自主平衡與停懸(Hovering)驗證需求。本申請案係為該論文之再發明案。

有鑑於此，本發明人乃針對前述的需求深入探討，並藉由多年從事相關產業之研發與製造經驗，積極尋求解決之道，經不斷努力之研究與試作，終於成功的開發出一種多重避障系統及應用彼之飛行載具，藉以解決現有無人飛行載具因無適當避障設計所造成的不便與困擾。

本發明之目的即在於提供一種應用多重避障系統之多旋翼飛行器，藉以能解決現有無人飛行載具可能發碰撞的狀況，且避免可能發生誤判或失效，以確保無人飛行載具之使用安全性與壽命。

本發明之次一目的係在於提供一種多旋翼飛行器多重避障系統及應用彼之飛行載具，可利用多重避障系統之各該避障器的多重偵測，減少偵測誤差，使無人飛行載具接近障礙物時能自主閃避，避免發生碰撞，且本發明之避障器係模組化方式呈現，可用於定翼機、直升機、多旋翼機等不同形式之無人飛行載具上，大幅增進其實用，進一步能大幅增加其附加價值，並提高其經濟效益。

可達成上述發明目的之多旋翼飛行器多重避障 系統，包括有：一旋翼機體，其內設的控制器會根據複數個感測器的感測結果對旋翼機體的移動方向，於行進間進行微調；複數個轉子總成，係設置於旋翼機體並以一臂部耦接轉子總成，各轉子總成分別以帶動一螺旋槳，藉由複數螺旋槳之旋轉，及藉由控制器調整每一螺旋槳之角速度以提供推力及轉矩調整而支撐旋翼機體之穩定飛行，並控制旋翼機體之空中運動；複數個感測器，其具備有朝向監視區域投射物理波的輸出部；具備接收由前述監視區域所來到的物理波之波動量訊號的接收部；一控制器，為判定各該接收部之輸出波動量訊號的準位，檢測前述監視區域中有無物體的檢測方式，並將測範圍由遠距離範圍、中距離範圍、近距離範圍之中選擇任一者而進行設定，設定方式為移動旋翼機體至自由空間(free space)。

1‧‧‧旋翼機體

2‧‧‧轉子總成

21‧‧‧臂部

22‧‧‧螺旋槳

3‧‧‧感測器

31‧‧‧輸出部

32‧‧‧接收部

33‧‧‧近距離範圍

34‧‧‧中距離範圍

35‧‧‧遠距離範圍

4‧‧‧控制器

41‧‧‧驅動電路

42‧‧‧開關驅動器

43‧‧‧波驅動周期控制開關

44‧‧‧第一驅動電壓

45‧‧‧第二驅動電壓

46‧‧‧第三驅動電壓

47‧‧‧A/D轉換器

48‧‧‧中央處理單元

5‧‧‧物體

A‧‧‧自由空間

圖1為本發明多旋翼飛行器之頂面立體示意圖；圖2為該多旋翼飛行器的計測範圍之示意圖；圖3為複數個感測器與控制器之示意圖；圖4為複數個感測器、複數個轉子總成與控制器之作 動示意圖；圖5為該控制器之作動與控制流程圖；圖6至圖10為該多旋翼飛行器多重避障系統之避障示意圖。

請參閱圖1與圖3，本發明所提供之多旋翼飛行器多重避障系統，主要包括有：一旋翼機體1、複數個轉子總成2、複數個感測器3以及一控制器4所構成。

該旋翼機體1為提供複數臂部21之結構支撐，藉以增加複數轉子總成2之剛性實施更穩定飛行；同時接收、耦接、或固定感測器3、控制器4、螺旋槳22其他組件至旋翼機體1；複數個轉子總成2係設置於旋翼機體1並以一臂部21耦接轉子總成2，各轉子總成2分別以帶動一螺旋槳22，藉由複數螺旋槳22之旋轉，及藉由控制器4調整每一螺旋槳22之旋轉速度以提供推力及轉矩調整而支撐旋翼機體1之穩定飛行，並控制旋翼機體1之空中運動；各該臂部21可針對源自旋翼機體1之操作期間加速之彎曲或扭轉的位移而於結構上支撐各轉子總成2。該臂部21耦接該旋翼機體1與與轉子總成2，以展現臂部21支撐轉子總成2之長度增加及剛性增加，並提供旋翼機體1更穩定飛行。

複數個感測器3，其具備有朝向監視區域投射物 理波的輸出部31；具備接收由前述監視區域所來到的物理波之波動量訊號(在自由空間A裏，因物理波接觸物體所造成的物理波偏振)的接收部32；此外前述監視區域的計測範圍係用以設定作為物體檢測對象的計測範圍者，被設定為例如遠距離範圍35、中距離範圍34、近距離範圍33之三階段。具體而言如圖2所示，例如遠距離範圍35係以物體距離旋翼機體1之行動空間(action space)的距離為10公尺至3公尺的計測範圍，此外中距離範圍34係以1公尺至3公尺的計測範圍，接著近距離範圍33係以0公尺至1公尺的計測範圍分別作為檢測對象加以設定。

如圖4與圖5所示，該控制器4為判定各該接收部32之輸入波動量訊號的準位，檢測前述監視區域中有無物體的檢測方式，並將計測範圍由遠距離範圍35、中距離範圍34、近距離範圍33之中選擇任一者而進行設定，設定方式為移動旋翼機體1至自由空間A(free space)；以及按照所被選擇監視區域的計測範圍中的高速進行移動的物體、或當物體的移動速度慢速接近旋翼機體1時，將自動控制轉子總成2調整每一螺旋槳22之旋轉速度以提供迴避方向的推力及轉矩而飛離物體至自由空間A(free space)。該控制器4進一步於內部配置一地理資訊系統(cartographic document)，當旋翼機體1在飛行移動時，旋翼機體1的控制器4會記錄旋翼機體1的移動路徑，並在旋翼機體1的一地圖上標示該移 動路徑，並畫出該計測範圍。

其中，若為反射形的感測器3，即構成為以接收部32接收由輸出部31所投射的物理波接觸物體所造成的物理波偏振而判定有無物體存在。此外，若該感測器為有量測障礙物體的感測器3，輸出部31會朝向監視區域投射物理波，當有障礙物體出現於監視區域時，障礙物體會反射物理波，造成接收部32之輸出訊號的改變，因此物體檢測的判定邏輯在反射形體(有障礙物)的情形下與透過形體(無障礙物)的情形下係呈相反。

具體而言如圖5所示，前述感測器3(例如紅外線感測器、超音波感測器或雷射感測器)之前述輸出部31係連接控制器4內之驅動電壓，將上述感測器3之驅動電流進行控制，藉此對前述感測器3進行投射物理波驅動的驅動電路41。順帶一提，對該驅動電路41係經由藉由開關驅動器42而受到導通(ON)、關斷(OFF)控制的波驅動周期控制開關43而施加有驅動電壓。此外，以上述驅動電壓而言，比用以使前述感測器3以高強度投射物理波的第一驅動電壓44、或使前述感測器3以中強度投射物理波的前述第一驅動電壓44較低的第二驅動電壓45、或使前述感測器3以低強度投射物理波的前述第二驅動電壓45較低的第三驅動電壓46以經由波驅動周期控制開關43而被選擇性地供予。藉由該感測器3之驅動電壓的控制，將前述輸出部31的物理波投射強度選 擇設定為高、中、低。

接著由該接收部32所被輸出的訊號(電壓訊號)係在經由A/D轉換器47而被數位轉換之後，被取入於控制器4的中央處理單元48，而判定其波動量訊號的準位。該波動量訊號的準位的判定係藉由判定該波動量訊號的準位是否大於相當於預先設定的物體檢測距離的臨限值而進行。接著，當例如波動量訊號的準位超過上述臨限值時，係判定因物體所造成的物理波的波動速度量較大，且物體接近其檢測距離以上。

其中，被連接於控制器4分別設定使用前述感測器3的物體檢測的波動速度、及計測範圍。上述物體檢測的波動速度係用以選擇：響應性佳且確實地檢測以高速進行移動位移的物體、或當物體的移動速度是緩慢但快接近旋翼機體1時，即在未增加控制器4的處理負擔的情形下進行物體檢測的控制參數。

如圖6至圖10所示，當旋翼機體1在飛行移動時，前方感測器3的輸出部31以物理波偵測到障礙物體時，而造成的物理波偏振，使感測器3的接收部32的輸出準位改變，該控制器4必須要校正旋翼機體1的行進方向，此時便可以其他方位感測器3透過輸出與接收的物理波與波動量訊號來決定旋翼機體1要以順時針方向旋轉或以逆時針方向旋轉來校正旋翼機體1的行進方向至自由空間A。

當旋翼機體1接近物體，且旋翼機體1與物體的距離小於一計測範圍預定值時，旋翼機體1碰撞端的一感測器3會發出一停止信號給旋翼機體1的控制器4。碰撞端的感測器3設置在旋翼機體1的前端、後端、左端、右端或其他自由端(free end)，用以偵測旋翼機體1的移動路徑是否有物體或障礙物。如果碰撞端的感測器3偵測到一障礙物，旋翼機體1會先判斷該障礙物的大小。如果障礙物較大時，完全擋住前進飛行之路線，旋翼機體1則會停止前進，並且會轉以另一個方向的自由空間A繼續移動。如果旋翼機體1判斷該障礙物較小時，旋翼機體1則會先避開該小型障礙物，接著再回到原先移動的路徑上。

在另一個實施方式中，旋翼機體1的控制器4會根據旋翼機體1的每一螺旋槳22之旋轉速度以及感測器3的尺寸，估計一延遲時間。直到該感測器3偵測到物體同時能接收物理波時，此時旋翼機體1不會馬上移動至自由空間A，而是在經過該延遲時間後才會移動至自由空間A。透過該延遲時間，可以使得感測器3發射出的物理波對準物體的中央。在延遲時間內，旋翼機體1並不會移動也不會轉動，此時只有複數個感測器3持續發射出物理波對準物體的中央而待在原地飛行。隨後，旋翼機體1的控制器4會取得複數個感測器3在旋翼機體1停止移動時物體的移動角度與方向，並根據該物體的移動角度與方向估計旋翼機體1的下一旋轉 角度，以校正旋翼機體1的行進方向。

綜上所述，本案不但在空間型態上確屬創新，並能較習用物品增進上述多項功效，應已充分符合新穎性及進步性之法定發明專利要件，爰依法提出申請，懇請 貴局核准本件發明專利申請案，以勵發明，至感德便。

1‧‧‧旋翼機體

2‧‧‧轉子總成

21‧‧‧臂部

22‧‧‧螺旋槳

3‧‧‧感測器

4‧‧‧控制器

Claims (4)

1. 一種多旋翼飛行器多重避障系統，包括：一旋翼機體；複數個轉子總成，係設置於該旋翼機體並以一臂部耦接轉子總成，各轉子總成分別以帶動一螺旋槳，藉由複數螺旋槳之旋轉，及藉由控制器調整每一螺旋槳之角速度以提供推力及轉矩調整而支撐旋翼機體之穩定飛行，並控制旋翼機體之空中運動；複數個感測器，其具備有朝向監視區域投射物理波的輸出部；具備接收由前述監視區域所來到的物理波之波動量訊號的接收部；一控制器，為判定各該接收部之輸出波動量訊號的準位，檢測前述監視區域中有無物體的檢測方式，並將計測範圍由遠距離範圍、中距離範圍、近距離範圍之中選擇任一者而進行設定，設定方式為移動旋翼機體至自由空間。
2. 如申請專利範圍第1項所述之多旋翼飛行器多重避障系統，其中該感測器為有量測障礙物體的感測器，輸出部會朝向監視區域投射物理波，當有障礙物體出現於監視區域時，障礙物體會反射物理波，造成接收部之輸出訊號的改變。
3. 如申請專利範圍第1項所述之多旋翼飛行器多重避障系統，其中該旋翼機體在飛行移動時，前方感測器的輸出部 以物理波偵測到物體，而造成的物理波偏振，使感測器的接收部的輸出準位改變，該控制器必須要校正旋翼機體的行進方向，此時便可以其他方位感測器透過輸出與接收的物理波來決定旋翼機體要以順時針方向旋轉或以逆時針方向旋轉來校正旋翼機體的行進方向至自由空間。
4. 如申請專利範圍第1項所述之多旋翼飛行器多重避障系統，其中該旋翼機體的控制器會根據旋翼機體的每一螺旋槳之角速度以及感測器的尺寸，估計一延遲時間。直到該感測器偵測到物體同時能接收物理波時，此時旋翼機體不會馬上移動至自由空間，而是在經過該延遲時間後才會移動至自由空間。