WO2016197986A1 - 一种无人机高精度自主避障飞行方法 - Google Patents

Abstract

一种无人机高精度自主避障飞行方法，包括：根据无人机实时获取的姿态信息和坐标信息结合搭载激光扫描系统，建立高精度地图模型(S1)；根据所述高精度地图模型，规划所述无人机的飞行路径(S2)；获取所述无人机的当前坐标信息，并根据所述当前坐标信息和所述飞行路径，得到飞行控制信号(S3)；根据所述飞行控制信号改变所述无人机中飞行器伺服机构的舵机的位置或电子调速器控制电机转速改变，以控制所述无人机自主避障飞行(S4)。通过获取所在区域地形环境的坐标信息，建立高精度地图模型，根据建立高精度地图模型进行飞行路径的规划，并根据飞行控制信号控制舵机的位置，来保证无人机自主避障飞行。

Description

一种无人机高精度自主避障飞行方法

交叉引用

本申请引用于2015年6月12日提交的专利名称为“一种无人机高精度自主避障飞行方法”的第201510320701.8号中国专利申请，其通过引用被全部并入本申请。

技术领域

本发明涉及无人机导航领域，具体涉及一种无人机高精度自主避障飞行方法。

背景技术

无人驾驶飞机简称“无人机”，是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机。无人机广泛应用于警用、城市管理、农业、地质、气象、电力、抢险救灾、视频拍摄等行业。从助力现代乡村到给力智慧城市，凡是需要空中解决方案的地方，都将有无人机的一席之地。随着无人机应用范围越来越广，作业区域越来越复杂，如何能够使无人机工作自主能力更高更强，使用更加便捷，是无人机技术发展的方向。

目前无人机飞行分为手动控制飞行、半自动驾驶飞行以及自动驾驶飞行三种方式，对于手动控制飞行和半自动驾驶飞行需要飞行操控技术人员实时操作无人机，控制飞行航线。自动驾驶飞行则在飞行前规划航线，将数据导入无人机控制系统中保存，之后实现无人机根据卫星定位按预定航线自动驾驶飞行。

在低空、复杂地形飞行应用中，由于现有的卫星定位精度不够，无人机无法获知准确的位置信息，所以不能采用全自主的飞行方式，只能依靠地面操控人员手动操作无人机进行飞行作业。这样不仅受到通讯方式的限制无法实现远距离高精度飞行，而且需要经验丰富技术娴熟的地面操控人员，人工成本高、作业效率低，不足以满足无人机日益扩大的使用需求。

传统无人机无法实现高精度自主避障，因此只能实现在远离障碍物的高 空进行自驾飞行，而在靠近障碍物的复杂飞行区域内，只能通过经验丰富的操控人员进行手动辅助飞行。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中的不足，提供一种使无人机在复杂地形中具备高精度自主飞行能力的无人机高精度自主避障飞行方法。

为实现上述目的，本发明公开了如下技术方案：

本发明实施例提供一种无人机高精度自主避障飞行方法，包括如下步骤：

S1、根据无人机实时获取的姿态信息和坐标信息结合搭载激光扫描系统，建立高精度地图模型；

S2、根据所述高精度地图模型，规划所述无人机的飞行路径；

S3、获取所述无人机的当前坐标信息，并根据所述当前坐标信息和所述飞行路径，得到飞行控制信号；

S4、根据所述飞行控制信号改变所述无人机中飞行器伺服机构的舵机的位置或电子调速器控制电机转速改变，以控制所述无人机自主避障飞行。

优选地，S1进一步包括：

S11、当所述无人机搭载作业设备到达指定作业区域后，通过差分GPS系统获得所述无人机的空间精准坐标，并依据激光扫描系统与无人机的相对位置获得激光扫描系统的空间精准坐标；

S12、惯性导航装置实时获取无人机符合精度要求的姿态信息以及坐标信息；

S13、将差分GPS系统获得的所述无人机的空间精准坐标、所述激光扫描系统的空间精准坐标与惯性导航装置获取的所述姿态信息和所述坐标信息存储在计算控制模块中，进行解算修正和融合；

S14、将所述计算控制模块中存储的所述无人机的空间精准坐标、所述激光扫描系统的空间精准坐标、所述姿态信息和所述坐标信息传送到所述激光扫描系统中；

S15、所述激光扫描系统根据测距数据以及旋转角度计算出每个激光点的 空间坐标，并根据每个激光点的空间坐标确定所述激光扫描系统的姿态信息和坐标信息；

S16、根据所述激光扫描系统的姿态信息和坐标信息，建立高精度地图模型。

优选地，所述惯性导航装置由高精度的三轴陀螺仪以及三个坐标轴方向上的加速计组成。

优选地，所述差分GPS系统由微型差分GPS模块实现。

优选地，S4进一步包括：

S41、根据脉宽调制信号控制所述舵机或电子调速器；

S42、根据占空比的变化、由DSP产生的多路并行脉宽调制信号和信号隔离驱动的舵机控制电路，改变所述舵机的位置或控制改变电机转速。

优选地，所述高精度地图模型中包含所要飞行区域的所有空间坐标，所有空间坐标全部保存到三维飞行控制系统内，以3D地图界面方式出现，然后利用三维航路规划飞行控制算法计算飞行路径，所述飞行路径保存在无人机控制系统中，当无人机进行作业时，无人机在飞行过程中通过所述差分GPS系统获知所述无人机的空间精准坐标，并实时反馈给所述三维飞行控制系统。

优选地，所述三维飞行控制系统包括定位与导航模块。

优选地，所述定位与导航模块用于：

解码计算机与GPS数据之间的通讯，包括定位数据的接收，GPS控制命令的发送、定位数据的处理；

进行航迹控制系统控制量的计算，在导航控制量计算的同时，利用机载传感器进行航程推算；

对风场进行估计，并利用估计的风场进行航位修正，以减少风场干扰；

导航计算模块与飞行控制计算机数据通讯系统根据无人机当前回传数据与规划好的路径坐标进行高精度的对比运算，发出控制指令，及时修正无人机姿态及下一步飞行目标。

本发明公开的一种无人机高精度自主避障飞行方法，具有以下有益效果：

本发明借由微型差分GPS模块，解决了原有差分GPS体积大、重量重，无法装载在无人机等小型飞行器上的缺点，采用的微型差分GPS模块是原有设备体积和重量的几十分之一；无人机采用差分GPS技术，可以把无人机定位精度提升到厘米级，使无人机可以在飞行过程中实时获知自身准确的空间位置；采用激光扫描技术并结合差分GPS技术，可以获得所在区域地形环境的空间坐标，为自主避障规划航路提供支持；整个飞行过程位置控制误差在厘米级，确保了无人机能够沿事先规划的路径飞行，从而达到自动避开障碍物的效果，最后无人机飞到目的地实施作业等工作。

附图说明

图1是本发明一实施例提供的无人机高精度自主避障飞行方法的流程示意图；

图2是本发明另一实施例提供的简易流程图；

图3是本发明另一实施例提供的详细流程图。

具体实施方式

下面结合实施例并参照附图对本发明作进一步描述。

图1示出了本实施例提供的无人机高精度自主避障飞行方法，包括如下步骤：

S1、根据无人机实时获取的姿态信息和坐标信息结合搭载激光扫描系统，建立高精度地图模型；

S2、根据所述高精度地图模型，规划所述无人机的飞行路径；

S3、获取所述无人机的当前坐标信息，并根据所述当前坐标信息和所述飞行路径，得到飞行控制信号；

S4、根据所述飞行控制信号改变所述无人机中飞行器伺服机构的舵机的位置或者电子调速器控制电机转速改变，以控制所述无人机自主避障飞行。

发明通过获取所在区域地形环境的空间坐标信息，建立高精度空间地图模型，根据建立高精度空间地图模型进行飞行路径的规划，并根据飞行控制信号控制舵机的位置，来保证无人机自主避障飞行。

进一步地，在上述方法实施例的基础上，S1包括：

S11、当所述无人机搭载作业设备到达指定作业区域后，通过差分GPS系统获得所述无人机的空间精准坐标，并依据激光扫描系统与无人机的相对位置获得激光扫描系统的空间精准坐标；

S12、惯性导航装置实时获取无人机符合精度要求的姿态信息以及坐标信息；

S13、将差分GPS系统获得的所述无人机的空间精准坐标、所述激光扫描系统的空间精准坐标与惯性导航装置获取的所述姿态信息和所述坐标信息存储在计算控制模块中，进行解算修正和融合；

S14、将所述计算控制模块中存储的所述无人机的空间精准坐标、所述激光扫描系统的空间精准坐标、所述姿态信息和所述坐标信息传送到所述激光扫描系统中；

S15、所述激光扫描系统根据测距数据以及旋转角度计算出每个激光点的空间坐标，并根据每个激光点的空间坐标确定所述激光扫描系统的姿态信息和坐标信息；

S16、根据所述激光扫描系统的姿态信息和坐标信息，建立高精度地图模型。

具体地，所述惯性导航装置由高精度的三轴陀螺仪以及三个坐标轴方向上的加速计组成。

具体地，所述差分GPS系统由微型差分GPS模块实现。

进一步地，S4包括：

S41、根据脉宽调制信号控制所述舵机或电子调速器；

S42、根据占空比的变化、由DSP产生的多路并行脉宽调制信号和信号隔离驱动的舵机控制电路，改变所述舵机的位置或控制电机转速改变。

具体地，所述高精度地图模型中包含所要飞行区域的所有空间坐标，所有空间坐标全部保存到三维飞行控制系统内，以3D地图界面方式出现，然后利用三维航路规划飞行控制算法计算飞行路径，所述飞行路径保存在无人机控制系统中，当无人机进行作业时，无人机在飞行过程中通过所述差分GPS系统获知所述无人机的空间精准坐标，并实时反馈给所述三维飞行控制系统。

进一步地，所述三维飞行控制系统包括定位与导航模块。

更进一步地，所述定位与导航模块用于：

解码计算机与GPS数据之间的通讯，包括定位数据的接收，GPS控制命令的发送、定位数据的处理；

进行航迹控制系统控制量的计算，在导航控制量计算的同时，利用机载传感器进行航程推算；

对风场进行估计，并利用估计的风场进行航位修正，以减少风场干扰；

导航计算模块与飞行控制计算机数据通讯系统根据无人机当前回传数据与规划好的路径坐标进行高精度的对比运算，发出控制指令，及时修正无人机姿态及下一步飞行目标。

具体地，一种无人机高精度自主避障飞行方法，可以包括如下步骤：

(1)建立高精度地图模型：

1.1)当无人机负载作业设备到达指定作业区域后，通过差分GPS系统获得无人机的空间精准位置，并依据已知激光扫描系统与无人机的相对位置获得激光扫描系统的空间精准坐标，其中差分GPS系统由微型差分GPS模块实现；

1.2)惯性导航装置作为整个激光扫描系统的基准中心，实时获取无人机符合精度要求的姿态以及坐标位置；

1.3)将差分GPS的数据信息与惯性导航的数据信息汇集在存储计算控制模块中，进行解算修正和融合；

1.4)将步骤1.3中的数据信息传送到高速旋转的激光扫描头；

1.5)高速旋转的激光扫描头根据测距数据以及旋转角度快速计算出每个激光点的空间坐标；

1.6)向飞行控制系统和航路设计系统提供激光扫描系统的位置和姿态数据；

1.7)实现对高精度三维地图模型的建模；

(2)三维航路规划飞行控制：

2.1)根据步骤(1)中建立好的高精度三维地图模型，在人机交互界面 的高精度三维地图模型上准确的规划飞行路径；

2.2)将无人机精准位置信号和高精度三维地图模型结合，输出飞行控制信号；

(3)将步骤(2)中的飞行控制信号输送至无人机飞行器伺服机构的舵机或电子调速器，通过改变舵机的位置或电机转速从而达到控制的目的，改变舵机位置的具体步骤为：无人机伺服机构的舵机由脉宽调制信号控制，利用占空比的变化，由DSP产生的多路并行脉宽调制信号，加上信号隔离驱动的舵机控制电路，从而改变舵机的位置。

本发明中，惯性导航装置由高精度的三轴陀螺仪以及三个坐标轴方向上的加速计组成；步骤2.1中的飞行路径规划可以通过自动或人工手动的方式进行。

本发明中，三维地图模型中包含所要飞行区域的所有空间坐标，这些空间坐标全部保存到三维飞行控制系统内，以3D地图界面方式出现，然后利用三维航路规划飞行控制算法计算飞行路径，此飞行路径保存在无人机控制系统中，当无人机进行作业时，无人机在飞行过程中通过差分GPS技术准确获知的无人机位置，并实时反馈给三维飞行控制系统。

三维飞行控制系统内包括定位与导航模块，定位与导航模块用于完成以下功能：

1)解码计算机与GPS数据之间的通讯，包括定位数据的接收，GPS控制命令的发送、定位数据的处理；

2)进行行及控制系统控制量的计算，在导航控制量计算的同时，利用机载传感器进行航程推算；

3)同时对风场进行估计，并利用估计的风场进行航位修正，以减少风场干扰；

4)导航计算模块与飞行控制计算机数据通讯系统会根据飞机当前回传数据与规划好的路径坐标进行高精度的对比运算，发出控制指令，及时修正无人机姿态及下一步的飞行目标。

见图2。无人机起飞后，通过三维激光扫描和地形建模技术，获得飞行 区域厘米级地理信息，经过手动或者自动的飞行航线规划，利用飞行控制系统和差分GPS系统获得飞行中的准确信息位置，进行精准避障自主飞行。

见图3。无人机飞至目标所在区域，利用激光扫描设备进行地形建模，获得与目标物、障碍物相对位置，通过数据解算综合飞行动力学参数求得理想飞行航线，通过计算设备获得目标的飞行姿态，进而根据飞行姿态进行飞行控制，并利用惯性导航、差分GPS系统进行实时修正。其中，在进行地形建模时，由惯性导航(IMU)、GPS系统、地面基站组成的POS系统，与激光扫描设备进行同步，激光扫描设备将数据存入存储控制单元，存储控制单元提供扫描点数据进行地形建模。

本发明实现了无人机高精度自主避障飞行，主要依托高精度地形建模、无人机精准定位，以及三维航路规划飞行控制等技术。

下面分别就这三项主要技术进行阐述：

1.高精度地形建模

传统的地图是二维的，无法满足无人机三维空间飞行的需求，现在已有的三维地图通常采用模拟的方式编制而成，精度同样也无法满足无人机的实际飞行需求。本发明利用最新的激光三维扫描技术，可以快速对飞行区域进行激光三维扫描，建立精确到厘米级的三维地理信息模型，完全可以满足无人机飞行的精度需求。

通过差分GPS、IMU(惯性导航)以及姿态解算软件构成姿态定位系统(即POS系统)。通过差分GPS系统获得无人机的空间精准位置，并依据已知激光扫描系统与无人机的相对位置获得激光扫描系统的空间精准坐标。IMU由高精度三轴陀螺仪以及三个坐标轴方向上的加速度计组成，也是整个激光扫描系统的基准中心，它的优点是能够在没有外部参考的情况下能够实时获取姿态以及坐标位置。将差分GPS的数据信息与IMU的数据信息汇集在存储计算控制模块中，进行解算修正和融合，最后向飞行控制系统和航路设计系统提供激光扫描系统的位置和姿态数据。

即当无人机负载作业设备到达指定作业区域后，pos系统获取符合精度要求的位置和姿态并精准的传送到激光扫描头，高速旋转的激光扫描头根据测 距数据以及旋转角度快速计算出每个激光点的空间坐标。由此实现对复杂地形的建模。

2.无人机精准定位技术

传统的GPS卫星定位技术仅可以实现水平4-10米、垂直10-15米的定位精度，远远不能满足无人机低空、复杂地形自主飞行的需求。本发明中无人机采用差分GPS技术，可以把无人机定位精度提升到厘米级，使无人机可以在飞行过程中实时获知自身准确的空间位置。而且本发明解决了原有差分GPS体积大、重量重，无法装载在无人机等小型飞行器上的缺点，采用的微型差分GPS模块是原有设备体积和重量的几十分之一。

3.三维航路规划飞行控制技术

本发明的无人机飞行控制技术可以根据上述已经建立好的高精度三维地形模型。在人机交互界面，可以通过控制软件的手动或自动方式，在高精度三维地形模型上准确的规划飞行路径，避开所有的空间障碍物，同时依托于无人机上精准的飞行定位技术，它会给飞控软件提供无人机飞行时实时采集到的精准的三维坐标，飞控软件系统通过更精确智能化的算法将无人机精准位置信号和高精度三维地形模型结合起来，输出飞行控制信号。

无人飞行器伺服机构的舵机或电子调速器由PWM(脉宽调制)信号控制，利用占空比的变化，由DSP产生的多路并行PWM信号，加上信号隔离驱动的舵机或电子调速器控制电路，通过改变舵机或电子调速器的输出从而达到控制目的。让无人机严格的按照规划好的航路飞行，精度达到厘米级，从而达到自主避障飞行的效果。

下面阐述本发明在复杂地形中是如何实现无人机全自主飞行的。

首先通过对飞行区域的三维激光扫描技术建立高精度的地形模型，即当无人机负载作业设备到达指定作业区域后，pos系统获取符合精度要求的位置和姿态并精准的传送到激光扫描头，高速旋转的激光扫描头根据测距数据以及旋转角度快速计算出每个激光点的空间坐标。由此实现对复杂地形的建模。

模型中包含所要飞行区域的所有空间坐标，这些空间坐标会全部保存到三维飞控里，以3D地图界面方式出现，然后利用三维航路规划飞控算法计 算飞行路径，此飞行路径会保存在无人机控制系统中，当无人机进行作业时，无人机在飞行过程中通过差分GPS技术准确获知的飞机位置将会实时反馈给三维飞控系统。

系统中的定位与导航模块主要完成以下功能：

1)解码DSP计算机与GPS数据之间的通讯，包括定位数据的接收，GPS控制。命令的发送、定位数据的处理；

2)导航DSP计算机进行航迹控制系统控制量的计算；

3)在导航控制量计算的同时，需要利用机载传感器进行航程推算(DR)；

4)为了减少风场干扰，需要对风场进行估计(WE)，并利用估计的风场进行航位修正；

5)导航模式的调度，包括导航任务规划、多种导航模式相互间的切换；

6)导航DSP计算机与飞行控制DSP计算机数据通讯系统会根据飞机当前回传数据与规划好的路径坐标进行高精度的对比运算，发出控制指令，及时修正无人机姿态及下一步飞行目标。整个飞行过程位置控制误差在厘米级，确保了无人机能够沿事先规划的路径飞行，从而达到自动避开障碍物的效果，最后无人机飞到目的地实施作业等工作。

本发明公开了一种无人机高精度自主避障飞行方法，该方案具体包括：应用三维激光扫描对地形进行精确建模，采用差分GPS技术准确获知无人机在飞行过程中的实时位置，利用三维飞控系统自动规划航线以及控制无人机飞行位置，从而实现无人机在复杂地形中的自主飞行。

本发明中涉及的激光扫描设备参数如下：

陀螺仪测量范围：±400°/s

陀螺仪角速度：0.15°/√hr

陀螺仪零点漂移：0.5°/h

加速度计测量范围：±10g

加速度计测量偏差：0.05mg

加速度计角速度：0.06m/s/√hr

工作电压：10-30V VDC

功耗：6W

尺寸：152.0mmx141.5mmx50.5mm

重量：540g

工作温度：-40℃—+65℃

存储温度：-50℃—+80℃

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的前提下，还可以对本发明做出的若干改进和补充，这些改进和补充，也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1. 一种无人机高精度自主避障飞行方法，其特征在于，包括如下步骤：

   S1、根据无人机实时获取的姿态信息和坐标信息，结合搭载激光扫描系统，建立高精度地图模型；

   S2、根据所述高精度地图模型，规划所述无人机的飞行路径；

   S3、获取所述无人机的当前坐标信息，并根据所述当前坐标信息和所述飞行路径，得到飞行控制信号；

   S4、根据所述飞行控制信号改变所述无人机中飞行器伺服机构的舵机的位置或电子调速器控制电机转速改变，以控制所述无人机自主避障飞行。
2. 根据权利要求1所述的一种无人机高精度自主避障飞行方法，其特征在于，S1进一步包括：

   S11、当所述无人机搭载作业设备到达指定作业区域后，通过差分GPS系统获得所述无人机的空间精准坐标，并依据激光扫描系统与无人机的相对位置获得激光扫描系统的空间精准坐标；

   S12、惯性导航装置实时获取无人机符合精度要求的姿态信息以及坐标信息；

   S13、将差分GPS系统获得的所述无人机的空间精准坐标、所述激光扫描系统的空间精准坐标与惯性导航装置获取的所述姿态信息和所述坐标信息存储在计算控制模块中，进行解算修正和融合；

   S14、将所述计算控制模块中存储的所述无人机的空间精准坐标、所述激光扫描系统的空间精准坐标、所述姿态信息和所述坐标信息传送到所述激光扫描系统中；

   S15、所述激光扫描系统根据测距数据以及旋转角度计算出每个激光点的空间坐标，并根据每个激光点的空间坐标确定所述激光扫描系统的姿态信息和坐标信息；

   S16、根据所述激光扫描系统的姿态信息和坐标信息，建立高精度地图模型。
3. 根据权利要求2所述的一种无人机高精度自主避障飞行方法，其特征在于，所述惯性导航装置由高精度的三轴陀螺仪以及三个坐标轴方向上的加速计组成。
4. 根据权利要求2所述的一种无人机高精度自主避障飞行方法，其特征在于，所述差分GPS系统由微型差分GPS模块实现。
5. 根据权利要求1所述的一种无人机高精度自主避障飞行方法，其特征在于，S4进一步包括：

   S41、根据脉宽调制信号控制所述舵机；

   S42、根据占空比的变化、由DSP产生的多路并行脉宽调制信号和信号隔离驱动的舵机控制电路，改变所述舵机的位置或控制改变电机转速。
6. 根据权利要求2所述的一种无人机高精度自主避障飞行方法，其特征在于，所述高精度地图模型中包含所要飞行区域的所有空间坐标，所有空间坐标全部保存到三维飞行控制系统内，以3D地图界面方式出现，然后利用三维航路规划飞行控制算法计算飞行路径，所述飞行路径保存在无人机控制系统中，当无人机进行作业时，无人机在飞行过程中通过所述差分GPS系统获知所述无人机的空间精准坐标，并实时反馈给所述三维飞行控制系统。
7. 根据权利要求6所述的一种无人机高精度自主避障飞行方法，其特征在于，所述三维飞行控制系统包括定位与导航模块。
8. 根据权利要求7所述的一种无人机高精度自主避障飞行方法，其特征在于，所述定位与导航模块用于：

   解码计算机与GPS数据之间的通讯，包括定位数据的接收，GPS控制命令的发送、定位数据的处理；

   进行航迹控制系统控制量的计算，在导航控制量计算的同时，利用机载传感器进行航程推算；

   对风场进行估计，并利用估计的风场进行航位修正，以减少风场干扰；

   导航计算模块与飞行控制计算机数据通讯系统根据无人机当前回传数据与规划好的路径坐标进行高精度的对比运算，发出控制指令，及时修正无人机姿态及下一步飞行目标。

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