一種無(wú)人機(jī)避障方法及系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及航空科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種無(wú)人機(jī)避障方法及系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來(lái)，多軸無(wú)人機(jī)發(fā)展迅猛。無(wú)人機(jī)在飛行過(guò)程中，其飛行環(huán)境信息很難完全預(yù) 知，經(jīng)常會(huì)遇到突發(fā)威脅或障礙，此時(shí)，預(yù)先規(guī)劃的全局航跡路徑已無(wú)法滿足要求。為達(dá)到 預(yù)期的目的，需要有實(shí)時(shí)偵測(cè)并避開(kāi)障礙物的功能，對(duì)路徑及其周邊環(huán)境及威脅進(jìn)行分析 評(píng)估，規(guī)劃一條合理的航跡路徑，然后讓無(wú)人機(jī)按此重新規(guī)劃的航跡路徑飛行以避開(kāi)前方 障礙，繼續(xù)完成任務(wù)。
[0003]目前，國(guó)內(nèi)外研究者們陸續(xù)提出了許多無(wú)人機(jī)實(shí)時(shí)避障解決方案，然而避障解決 方案都是基于二維平面的無(wú)人機(jī)避障技術(shù)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)高精度的自主避障。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種無(wú)人機(jī)避障方法及系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú) 人機(jī)的高精度自主避障。
[0005] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的：
[0006] -種無(wú)人機(jī)避障方法，所述方法包括：
[0007] 采用激光測(cè)距陣列在所述無(wú)人機(jī)的前進(jìn)方向上進(jìn)行立體場(chǎng)景信息采集；
[0008] 根據(jù)采集到的立體場(chǎng)景信息，對(duì)所述無(wú)人機(jī)的前方進(jìn)行障礙點(diǎn)偵測(cè)，確定避障路 徑；
[0009] 按照所述避障路徑進(jìn)行飛行。
[0010] 所述激光測(cè)距陣列由多個(gè)激光發(fā)射頭和一個(gè)感光元件產(chǎn)生。
[0011] 可選的，所述感光元件位于正中，多個(gè)激光發(fā)射頭交錯(cuò)布置于所述感光元件四 周；
[0012] 所述方法還包括：
[0013] 所述激光發(fā)射頭裝有柱形透鏡，所述柱形透鏡使得所述激光發(fā)射頭產(chǎn)生直線光 斑；每個(gè)激光發(fā)射頭的安裝位置和角度使其直線光斑在前方豎直平面上投影形成預(yù)設(shè)形狀 的包絡(luò)線區(qū)域，并在所述包絡(luò)線區(qū)域內(nèi)形成激光網(wǎng)格。
[0014] 可選的，所述激光測(cè)距陣列在所述無(wú)人機(jī)的前進(jìn)方向上進(jìn)行立體場(chǎng)景信息采集， 包括：
[0015] 根據(jù)所述無(wú)人機(jī)的飛行狀態(tài)，按照/ = ^確定安全停止距離；其中，1為安全停止 2a 距離，v為所述無(wú)人機(jī)的最大飛行速度，a為所述無(wú)人機(jī)減速時(shí)旋翼推力提供的加速度；
[0016] 根據(jù)所述無(wú)人機(jī)的外型規(guī)格和安全停止距離，按照R=Ι+r確定安全飛行半徑；其 中，R為安全飛行半徑，r為所述無(wú)人機(jī)旋翼外接圓半徑；
[0017] 根據(jù)所述安全飛行半徑，構(gòu)建障礙偵測(cè)范圍，在前進(jìn)方向水平面上形成一長(zhǎng)方形 障礙偵測(cè)區(qū)域，按與無(wú)人機(jī)機(jī)體距離由近及遠(yuǎn)分為急停區(qū)、減速區(qū)、警示區(qū)及安全區(qū)；
[0018] 激光發(fā)射頭射出的直線光斑在前方豎直平面投影，形成預(yù)設(shè)形狀的包絡(luò)線區(qū)域， 包絡(luò)線區(qū)域內(nèi)形成激光網(wǎng)格，根據(jù)所述包絡(luò)線區(qū)域，構(gòu)成具有預(yù)設(shè)厚度和角度的餅狀三維 監(jiān)察區(qū)域，并在所述豎直平面建立直角坐標(biāo)系Χ0Υ;
[0019] 激光發(fā)射頭按照預(yù)定順序及時(shí)間間隔，對(duì)三維監(jiān)察區(qū)域進(jìn)行掃描，收集三維監(jiān)察 區(qū)域內(nèi)障礙物信息。
[0020] 可選的，所述根據(jù)采集到的立體場(chǎng)景信息，對(duì)所述無(wú)人機(jī)的前方進(jìn)行障礙點(diǎn)偵測(cè)， 確定避障路徑，包括：
[0021] 根據(jù)采集到的三維監(jiān)察區(qū)域內(nèi)障礙物信息，計(jì)算障礙物所在區(qū)域，確定障礙物的 大小、方向及位置；
[0022] 根據(jù)所述無(wú)人機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及障礙物所在區(qū)域與無(wú)人機(jī)的幾何關(guān)系，判斷應(yīng)對(duì) 措施，確定避障路徑。
[0023] -種無(wú)人機(jī)避障系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括：信息采集模塊、信息處理模塊以及避障執(zhí)行 模塊；其中，
[0024] 所述信息采集模塊，用于采用激光測(cè)距陣列在所述無(wú)人機(jī)的前進(jìn)方向上進(jìn)行立體 場(chǎng)景?目息米集；
[0025] 所述信息處理模塊，用于根據(jù)采集到的立體場(chǎng)景信息，對(duì)所述無(wú)人機(jī)的前方進(jìn)行 障礙點(diǎn)偵測(cè)，確定避障路徑；
[0026] 所述避障執(zhí)行模塊，用于按照所述避障路徑進(jìn)行飛行。
[0027] 可選的，所述信息采集模塊，包括多個(gè)激光發(fā)射頭和一個(gè)感光元件，用于產(chǎn)生激光 測(cè)距陣列。
[0028] 可選的，所述感光元件位于正中，多個(gè)激光發(fā)射頭交錯(cuò)布置于所述感光元件四 周；
[0029] 所述激光發(fā)射頭全部裝有同型號(hào)的柱形透鏡，所述柱形透鏡使得所述激光發(fā)射頭 產(chǎn)生扇面角度一致的直線光斑；通過(guò)調(diào)整每個(gè)激光發(fā)射頭的安裝位置和角度使其直線光 斑在前方豎直平面上投影形成預(yù)設(shè)形狀的包絡(luò)線區(qū)域，并在所述包絡(luò)線區(qū)域內(nèi)形成激光網(wǎng) 格。
[0030] 可選的，所述信息采集模塊，具體用于根據(jù)所述無(wú)人機(jī)的飛行狀態(tài)，按照/ = ^確 2α 定安全停止距離；其中，1為安全停止距離，ν為所述無(wú)人機(jī)的最大飛行速度，a為所述無(wú)人 機(jī)減速時(shí)旋翼推力提供的加速度；根據(jù)所述無(wú)人機(jī)的外型規(guī)格和安全飛行距離，按照R= Ι+r確定安全飛行半徑；其中，R為安全飛行半徑，r為所述無(wú)人機(jī)旋翼外接圓半徑；
[0031] 根據(jù)所述安全飛行半徑，構(gòu)建障礙偵測(cè)范圍，在前進(jìn)方向水平面上形成一長(zhǎng)方形 障礙偵測(cè)區(qū)域，按與無(wú)人機(jī)機(jī)體距離由近及遠(yuǎn)分為急停區(qū)、減速區(qū)、警示區(qū)及安全區(qū)；激光 發(fā)射頭發(fā)出的直線光斑在前方豎直平面投影，形成預(yù)設(shè)形狀的包絡(luò)線區(qū)域，包絡(luò)線區(qū)域內(nèi) 形成激光網(wǎng)格，根據(jù)所述包絡(luò)線區(qū)域，構(gòu)成具有預(yù)設(shè)厚度和角度的餅狀三維監(jiān)察區(qū)域，并在 所述豎直平面建立直角坐標(biāo)系Χ0Υ;按照預(yù)定順序及時(shí)間間隔，對(duì)三維監(jiān)察區(qū)域進(jìn)行掃描， 收集三維監(jiān)察區(qū)域內(nèi)障礙物信息。
[0032] 可選的，所述信息處理模塊，具體用于根據(jù)采集到的三維監(jiān)察區(qū)域內(nèi)障礙物信息， 計(jì)算障礙物所在區(qū)域，確定障礙物的大小、方向及位置；根據(jù)所述無(wú)人機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及障 礙物所在區(qū)域與無(wú)人機(jī)的幾何關(guān)系，判斷應(yīng)對(duì)措施，確定避障路徑。
[0033] 本發(fā)明提供的無(wú)人機(jī)避障方法及系統(tǒng)，在滿足無(wú)人機(jī)機(jī)載設(shè)備輕量化的要求下， 針對(duì)多軸無(wú)人機(jī)的飛行特點(diǎn)，基于激光測(cè)距陣列進(jìn)行障礙物探測(cè)，能夠在三維環(huán)境中沿飛 行方向有效地為多軸無(wú)人機(jī)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)地偵測(cè)并避開(kāi)障礙物，實(shí)現(xiàn)高精度的自主避障。
【附圖說(shuō)明】
[0034]圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的無(wú)人機(jī)避障方法的實(shí)現(xiàn)流程圖；
[0035]圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的無(wú)人機(jī)避障方法具體實(shí)施例的實(shí)現(xiàn)流程圖；
[0036] 圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的無(wú)人機(jī)避障方法中包絡(luò)線區(qū)域示意圖；
[0037]圖4為本發(fā)明實(shí)施例提供的無(wú)人機(jī)避障方法中三維監(jiān)察區(qū)域的示意圖；
[0038]圖5為本發(fā)明實(shí)施例提供的無(wú)人機(jī)避障系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0039]圖6為本發(fā)明實(shí)施例提供的信息收集模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0040] 為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下舉實(shí)施例并參照附圖，對(duì) 本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0041] 圖1示出了本發(fā)明實(shí)施例提供的無(wú)人機(jī)避障方法，如圖1所示，所述方法包括下述 步驟：
[0042] 步驟101，采用激光測(cè)距陣列在所述無(wú)人機(jī)的前進(jìn)方向上進(jìn)行立體場(chǎng)景信息采 集；
[0043] 這里，所述激光測(cè)距陣列由多個(gè)激光發(fā)射頭和一個(gè)感光元件產(chǎn)生，所述感光元件 位于正中，多個(gè)激光發(fā)射頭交錯(cuò)布置于所述感光元件四周；
[0044] 相應(yīng)地，該方法還包括：所述激光發(fā)射頭裝有柱形透鏡，使其產(chǎn)生扇面角度一致的 直線光斑；所述直線光斑的的角度根據(jù)所述無(wú)人機(jī)實(shí)際飛行環(huán)境以及障礙物特征進(jìn)行調(diào)整 以使所有直線光斑在前方豎直平面上投影形成預(yù)設(shè)形狀的包絡(luò)線區(qū)域并在包絡(luò)線區(qū)域內(nèi) 形成激光網(wǎng)格，具體可參考圖3,如圖3所示，在所述豎直平面建立之交坐標(biāo)系Χ0Υ;對(duì)每束 直線光斑進(jìn)行編號(hào)：A-K、1-11，A-K中任何一個(gè)可與1-11中任何一個(gè)相交，反之亦然，其交 點(diǎn)可用兩位字符表示，如B2;所述激光網(wǎng)格，在包絡(luò)線內(nèi)越靠近中心的區(qū)域，激光網(wǎng)格密度 越大，以保證在無(wú)人機(jī)前進(jìn)方向上的正前方保持有較高的障礙物識(shí)別精度。 2
[0045] 具體地，根據(jù)所述無(wú)人機(jī)的飛行狀態(tài)，按照/=^確定安全停止距離；其中，1為安 2a 全停止距離，v為所述無(wú)人機(jī)的最大飛行速度，a為所述無(wú)人機(jī)減速時(shí)旋翼推力提供的加速 度；
[0046] 根據(jù)所述無(wú)人機(jī)的外型規(guī)格和安全飛行距離，按照R=Ι+r確定安全飛行半徑；其 中，R為安全飛行半徑，r為所述無(wú)人機(jī)旋翼外接圓半徑；
[0047] 根據(jù)所述安全飛行半徑，構(gòu)建障礙偵測(cè)范圍，在前進(jìn)方向水平面上形成一長(zhǎng)方形 障礙偵測(cè)區(qū)域，按與無(wú)人機(jī)機(jī)體距離由近及遠(yuǎn)分為急停區(qū)、減速區(qū)、警示區(qū)及安全區(qū)，具體 可參考圖4;
[0048] 激光發(fā)射頭發(fā)出的直線光斑在前方豎直平面投影，形成預(yù)設(shè)形狀的包絡(luò)線區(qū)域， 包絡(luò)線區(qū)域內(nèi)形成激光網(wǎng)格，根據(jù)所述包絡(luò)線區(qū)域，構(gòu)成具有預(yù)設(shè)厚度和角度的餅狀三維 監(jiān)察區(qū)域，具體可參考圖4,該三維監(jiān)察區(qū)域以無(wú)人機(jī)飛行方向所在的水平面為界，其在水 平面以下部分較水平面以上部分窄，以減少地面干擾，以使無(wú)人機(jī)能夠容忍一定的俯仰角， 并保持較遠(yuǎn)的障礙監(jiān)察距離；
[0049] 激光發(fā)射頭按照預(yù)定順序及時(shí)間間隔，對(duì)三維監(jiān)察區(qū)域進(jìn)行掃描，收集三維監(jiān)察 區(qū)域內(nèi)障礙物信息。如圖4所示，對(duì)于障礙物Z，激光發(fā)射頭能夠接收到編號(hào)為C、D、E、3、4、 5的光線的反饋信息；
[0050] 步驟102,根據(jù)采集到的立體場(chǎng)景信息，對(duì)所述無(wú)人機(jī)的前方進(jìn)行障礙點(diǎn)偵測(cè)，確 定避障路徑；
[0051] 具體地，根據(jù)采集到的三維監(jiān)察區(qū)域內(nèi)障礙物信息，計(jì)算障礙物所在區(qū)域，確定障 礙物的大小、方向及位置；根據(jù)所述無(wú)人機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及障礙物所在區(qū)域與無(wú)人機(jī)的幾 何關(guān)系，判斷應(yīng)對(duì)措施，確定避障路徑。例如，如圖4所示，對(duì)于障礙物Z，采集到的三維監(jiān)察 區(qū)域內(nèi)障礙物信息包括編號(hào)為C、D、E、3、4、5的光線的反饋信息；則根據(jù)該些障礙物信息， 確定由激光束B(niǎo)、F、2、6形成的四邊形B6B2F2F6內(nèi)部即為障礙物所在區(qū)域。
[0052] 步驟103,按照所述避障路徑進(jìn)行飛行。
[0053] 具體地，所述無(wú)人機(jī)按照所述避障路徑，完成減速、急停或繞行等動(dòng)作。
[0054]圖2示出了本發(fā)明實(shí)施例提供的無(wú)人機(jī)避障方法具體實(shí)施例的實(shí)現(xiàn)流程圖，如圖 2所示，所述實(shí)施例為無(wú)人機(jī)應(yīng)用本發(fā)明避障方法的完成飛