CN105549616B - 一种基于激光阵列的多轴无人机避障系统及其避障方法 - Google Patents

Abstract

本发明适用于航空科学技术领域，提供了基于激光阵列的多轴无人机避障方法与系统；系统包括：信息采集、姿态识别、姿态调整、信息处理和避障执行五个模块；方法包括：通过激光测距阵列实现对无人机前方立体场景信息采集及无人机的姿态识别、避障系统的姿态调整与信息加工处理，实现有效避障。其主要特征为：激光测距阵列包括一个居中的接收头及多个激光发射头，激光发射头装置柱形透镜，发射直线光斑；通过特殊布置激光发射头阵列，使其发出的直线光斑有效重叠在一定水平夹角内的扇形区域，实现对前方扇形区域的扫描，侦测有无障碍物及障碍物的大小和方位，结合无人机当前姿态实现精确报警并重新规划路径，实现三维环境下障碍物的有效侦测与避让。

Description

一种基于激光阵列的多轴无人机避障系统及其避障方法

技术领域

本发明涉及航空科学技术领域，尤其涉及一种基于激光阵列的多轴无人机避障系统及其避障方法。

背景技术

近年来，多轴无人机发展迅猛。无人机在飞行过程中，其飞行环境信息很难完全预知，经常会遇到突发威胁或障碍，这时预先规划的全局航迹路径已无法满足要求。为达到预期的目的，需要具备实时侦测并避开障碍物的功能，能够对路径及其周边环境与威胁进行分析评估，重新规划一条合理的航迹路径，协调无人机按此指定的航迹路径飞行以避开前方障碍，继续完成任务。本世纪70年代后，国内外研究者们陆续提出了许多无人机实时避障的解决方案，二维平面的无人机避障技术已经取得了丰硕的成果并广泛地应用，但是在三维环境中的障碍扫描及避开障碍物还鲜见文献。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种基于激光阵列的多轴无人机避障系统及其避障方法，旨在解决在三维环境中进行障碍物扫描和避开障碍物的问题。

本发明是这样实现的，一种基于激光阵列的多轴无人机避障系统，包括：信息处理模块、分别与所述信息处理模块相连接的姿态识别模块、姿态调整模块、信息采集模块及避障执行模块；

所述信息采集模块，用于采用激光测距阵列进行多轴无人机前进方向上立体场景的信息采集，然后将采集的信息传输至所述信息处理模块；

所述姿态识别模块，用于识别多轴无人机的飞行姿态信息，并将识别到的信息传输至所述信息处理模块；

所述信息处理模块，用于接收并处理从所述姿态识别模块获取的信息，然后向姿态调整模块发送调整避障系统姿态的指令；还用于接收并处理从信息采集模块获取的信息，向避障执行模块发送避障指令；

所述姿态调整模块，用于根据所述信息处理模块发送的姿态调整指令对避障系统进行姿态调整，以使多轴无人机的避障系统保持关注其飞行方向正前方的水平方向；

所述避障执行模块，用于接收并执行从信息处理模块发出的避障指令。

进一步地，所述信息采集模块包括多个激光发射头和一个接收头。

进一步地，在所述信息采集模块中，所述接收头置于正中位置；所述多个激光发射头布置成阵列，每个所述激光发射头安装有柱形透镜，可射出直线光斑以关注光路射出方向上一定夹角的扇区；所述多个激光发射头中包括若干水平激光束发射头和若干垂直激光束发射头，其中，水平激光束发射头的数量多于垂直激光束发射头的数量；

各个水平激光发射头的柱形透镜整体呈水平布置，所发出的水平激光光束用于关注前方水平面的扇区，且发出的水平激光光束相互之间有重叠，越靠中间越密集；

各个垂直激光发射头用于关注正前方水平线上下一定范围内的障碍物，各个激光发射头的柱形透镜整体呈垂直布置。

进一步地，所述飞行姿态信息包括多轴无人机的俯仰角、滚转角。

进一步地，所述多轴无人机避障系统与其他无人机机载模块协同作业。

本发明还提供了一种如上述所述的基于激光阵列的多轴无人机避障系统的避障方法，包括以下步骤：

步骤S1，根据所述姿态识别模块获得的信息，生成姿态调整指令，传送至所述姿态调整模块，预先调整多轴无人机避障系统的姿态，使其保持关注多轴无人机飞行方向正前方水平方向；

步骤S2，根据多轴无人机飞行状态计算安全停止距离，计算公式为：

其中，l为多轴无人机由运动到停止的理论飞行距离，v是多轴无人机的最大飞行速度，a是减速时旋翼推力提供的加速度；

根据多轴无人机的外型规格和所述安全停止距离计算多轴无人机的安全飞行半径，计算公式为R＝l+r；

其中R为多轴无人机的安全飞行半径，r为多轴无人机的外接圆半径；

步骤S3，根据所述安全飞行半径，构建障碍侦测范围；所述障碍侦测范围按与多轴无人机的机体距离由近及远分为急停区、减速区、警示区、安全区，在飞行方向前方水平面上划分一个长方形的障碍侦测区域；

步骤S4，根据所述信息采集模块获取的信息，进行障碍物识别和障碍物地理位置和深度信息提取；

步骤S5，根据多轴无人机运动状态以及飞行环境中障碍物与多轴无人机之间的几何关系，判断应对措施；所述应对措施包括：在安全区继续飞行、警示区继续飞行但发出警示信息、减速区减速且针对障碍物重新规划绕行路径、急停区紧急悬停原地待命或按新规划的路径饶过障碍物中的一种；

步骤S6，根据所述应对措施设计最优航迹路径；

步骤S7，避障执行模块接收所述最优航迹路径指令并执行避障计划。

本发明与现有技术相比，有益效果在于：本发明针对多轴无人机移动特点以及环境特征，只关注无人机飞行方向正前方水平面的90°扇区，且有一定水平夹角的空间区域，实现在三维环境下有效地侦测并避开障碍物，同时满足无人机机载设备轻量化的需求，结构简单，成本经济。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种基于激光阵列的多轴无人机避障系统的结构示意图。

图2是本发明实施例提供的信息收集模块结构示意图。

图3是本发明实施例提供的激光阵列覆盖范围示意图。

图4是本发明实施例提供的姿态调整模块结构示意图及激光射线侧面视图。

图5是本发明实施例提供的一种基于激光阵列的多轴无人机避障系统的工作原理图。

图6是本发明实施例提供的一种基于激光阵列的多轴无人机避障方法的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。另外，在以下说明中省略了对公知结构和技术的描述，以避免混淆对本发明的概念。

本发明是为满足无人机机载设备轻量化的要求，针对多旋翼无人机的飞行特点，提出一种基于激光阵列的多旋翼无人机避障方法与系统，能够在三维环境中沿飞行方向有效地为多轴无人机实现实时地侦测并避开障碍物，同时满足无人机机载设备轻量化的需求。

如图1所示，为本发明实施例提供的一种基于激光阵列的多轴无人机避障系统，包括信息处理模块4、分别与信息处理模块4相连接的姿态识别模块2、姿态调整模块3、信息采集模块1及避障执行模块5；

信息采集模块1，用于采用激光测距阵列进行多轴无人机前进方向上立体场景的信息采集，然后将采集的信息传输至信息处理模块4。

姿态识别模块2，可以共用多轴无人机自配的姿态识别模块，用于识别多轴无人机的飞行姿态信息，并将识别到的信息传输至信息处理模块4，具体的，可以识别多轴无人机俯仰角、滚转角等信息。

姿态调整模块3，用于根据信息处理模块4发送的姿态调整指令对避障系统进行姿态调整，以使多轴无人机避障系统保持关注其飞行方向正前方的水平方向，并侦测垂直方向上一定角度的空间区域，如图4所示。

信息处理模块4，用于接收并处理从多轴无人机姿态识别模块2获取的信息，向姿态调整模块3发送姿态调整指令，以使信息采集模块1保持关注多轴无人机飞行方向正前方的水平方向；还用于接收并处理从信息采集模块1获取的信息，对多轴无人机前方进行障碍物侦测和有效飞行路径的判断与提取，构建障碍区域和方位模型，并设计最优避障路径，然后向避障执行模块5发送避障指令，以使多轴无人机按照最优避障路径完成减速、急停或绕行等动作。避障执行模块5，用于接收并执行从信息处理模块4发出的避障指令，根据最优避障路径完成减速、急停、或绕行等动作。

具体的，信息采集模块1，采用激光测距阵列实现前进方向上立体场景信息采集。所述激光测距阵列包括多个分布交错的激光发射头和一个居中的接收头。利用激光发射装置从发射激光到激光因传播途中碰到障碍物反射到接收头的时间差，推算出前方障碍物的大小和方位。信息采集模块1是由避障系统中的姿态调整系统控制，根据多轴无人机的飞行姿态调整避障系统的姿态，实现信息采集模块1始终对多轴无人机前进水平方向的探测及信息采集。

如图2所示，信息采集模块1包括多个激光发射头和一个接收头，所述激光测距阵列包括多个关注横向平面的激光发射头11、关注纵向平面的激光发射头12和一个接收头13。激光发射头按图2所示交错布置组成阵列，在水平方向上形成水平关注激光束，关注多轴无人机飞行前方90度扇面内的区域。垂直直方向上形成垂直关注激光束。激光发射头前端均装置柱形透镜，发射的光线经过折射后形成直线光斑，并关注一定夹角的扇区。接收头13置于正中，关注水平面的激光发射头11，发射光束呈水平方向交错布置，关注前方水平方向一定半径的扇面范围内，90°角的区域；关注垂直平面的激光发射头12布置于接收头13的上下，并调整直线光斑在垂直方向上，使其关注垂直方向上的扇区范围，如图3所示。

进一步，激光发射头11、12均装置柱形透镜，射出直线光斑。横向(水平)平面上布置多个激光发射头11，每个发射头关注前方30°扇形范围内区域，多个发射头射出的直线光斑有不同程度的重叠，越靠近中心越密集，共同组成前方水平面上一定半径内90°扇形侦察区域。纵向(垂直)平面上布置较少激光发射头12，每个发射头关注前方15°扇形范围内区域。详细的，水平关注激光束由较多的激光发射头的发射光汇合形成，每个激光发射头的柱形透镜水平布置，相互之间有重叠，越靠中间越密集。为在有限的几何空间内放置一定数量的激光发射头，水平关注激光束的多个激光发射头可以不在同一水平面内布置，只需将其投射点在最远端调校在同一水平面即可。垂直关注激光束由较少的激光发射头的发射光汇合形成，主要关注正前方水平线上下一定范围内的区域，每个激光发射头的柱形透镜垂直布置。

如图4所示，关注前方水平面上的激光发射头的柱形透镜水平布置，关注前方水平线上下一定范围的激光发射头的柱形透镜竖直布置。

如图5所示，所述的多轴无人机侦测其前进水平方向90度角的扇形区域，根据检测到的障碍物距离多轴无人机的远近，由近至远分别划分为：急停区，减速区，警示区以及安全区。

如图6所示，为本发明实施例提供的一种基于激光阵列的多轴无人机避障方法，步骤包括：

步骤S1，根据多轴无人机姿态识别模块获得的信息，生成姿态调整指令，传送至姿态调整模块，预先调整避障系统姿态，使其保持关注多轴无人机飞行方向正前方水平方向。在本步骤中，根据多轴无人机的姿态识别模块获得的信息，生成姿态调整指令，传送至姿态调整模块，预先调整避障系统姿态，使激光测距阵列产生的水平关注激光束保持关注多轴无人机飞行方向正前方水平方向。当检测到前方有障碍物后，信息处理系统调整避障系统姿态，使激光测距阵列进行上下扫射，对前方障碍物的大小和方位进行侦测。

步骤S2，根据多轴无人机飞行状态计算安全飞行距离，计算公式为：

其中，l为多轴无人机由运动到停止的理论飞行距离，v是多轴无人机的最大飞行速度，a是减速时旋翼推力提供的加速度。

根据多轴无人机的外型规格和安全飞行距离计算安全飞行半径：R＝l+r；其中R为多轴无人机安全飞行半径，r为多轴无人机的外接圆半径。

步骤S3，根据安全飞行半径，构建障碍侦测范围，按与多轴无人机机体距离由近及远可分为急停区、减速区、警示区、安全区，在飞行方向前方水平面上划分一个长方形的障碍侦测区域。

步骤S4，根据多轴无人机信息采集模块获取的信息，进行障碍物识别和障碍物地理位置和深度信息提取。

步骤S5，根据多轴无人机运动状态以及飞行环境中与多轴无人机之间的几何关系，判断应对措施，所述应对措施包括：在安全区继续飞行，警示区时继续飞行但发出警示信息，减速区减速且针对障碍物重新规划绕行路径，急停区紧急悬停原地待命或按新规划的路径饶过障碍物中的一种。

步骤S6，根据所述应对措施设计最优航迹路径。

步骤S7，避障执行模块接受最优航迹路径指令并执行避障计划。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于激光阵列的多轴无人机避障系统，其特征在于，所述多轴无人机避障系统包括：信息处理模块、分别与所述信息处理模块相连接的姿态识别模块、姿态调整模块、信息采集模块及避障执行模块；

所述信息采集模块，用于采用激光测距阵列进行多轴无人机前进方向上立体场景的信息采集，然后将采集的信息传输至所述信息处理模块；

所述姿态识别模块，用于识别多轴无人机的飞行姿态信息，并将识别到的信息传输至所述信息处理模块；

所述信息处理模块，用于接收并处理从所述姿态识别模块获取的信息，然后向姿态调整模块发送调整避障系统姿态的指令；还用于接收并处理从信息采集模块获取的信息，向避障执行模块发送避障指令；

所述姿态调整模块，用于根据所述信息处理模块发送的姿态调整指令对避障系统进行姿态调整，以使多轴无人机避障系统保持关注其飞行方向正前方的水平方向；

所述避障执行模块，用于接收并执行从信息处理模块发出的避障指令；

其中，所述信息采集模块包括多个激光发射头和一个接收头，所述接收头置于正中位置；所述多个激光发射头布置成阵列，每个所述激光发射头安装有柱形透镜，可射出直线光斑以关注光路射出方向上一定夹角的扇区；所述多个激光发射头中包括若干水平激光束发射头和若干垂直激光束发射头，其中，水平激光束发射头的数量多于垂直激光束发射头的数量；

各个水平激光发射头的柱形透镜整体呈水平布置，所发出的水平激光光束用于关注前方水平面的扇区，且发出的水平激光光束相互之间有重叠，越靠中间越密集；

各个垂直激光发射头用于关注正前方水平线上下一定范围内的障碍物，各个垂直激光发射头的柱形透镜整体呈垂直布置。

2.如权利要求1所述的多轴无人机避障系统，其特征在于，所述飞行姿态信息包括多轴无人机的俯仰角、滚转角。

3.如权利要求1或2任意一项所述的多轴无人机避障系统，其特征在于，所述多轴无人机避障系统与其他多轴无人机机载模块协同作业。

4.一种如权利要求1至3任一项所述的基于激光阵列的多轴无人机避障系统的避障方法，其特征在于，所述避障方法包括以下步骤：

步骤S1，根据所述姿态识别模块获得的信息，生成姿态调整指令，传送至所述姿态调整模块，预先调整多轴无人机避障系统的姿态，使其保持关注多轴无人机飞行方向正前方水平方向；

步骤S2，根据多轴无人机飞行状态计算安全停止距离，计算公式为：

其中，l为多轴无人机由运动到停止的理论飞行距离，v是多轴无人机的最大飞行速度，a是减速时旋翼推力提供的加速度；

根据多轴无人机的外型规格和所述安全停止距离计算多轴无人机的安全飞行半径，计算公式为R＝l+r；

其中R为多轴无人机的安全飞行半径，r为多轴无人机的外接圆半径；

步骤S3，根据所述安全飞行半径，构建障碍侦测范围；所述障碍侦测范围按与多轴无人机的机体距离由近及远分为急停区、减速区、警示区、安全区，在飞行方向前方水平面上划分一个长方形的障碍侦测区域；

步骤S4，根据所述信息采集模块获取的信息，进行障碍物识别和障碍物地理位置和深度信息提取；

步骤S5，根据多轴无人机运动状态以及飞行环境中障碍物与多轴无人机之间的几何关系，判断应对措施；所述应对措施包括在安全区继续飞行、警示区继续飞行但发出警示信息、减速区减速且针对障碍物重新规划绕行路径、急停区紧急悬停原地待命或按新规划的路径饶过障碍物中的一种；

步骤S6，根据所述应对措施设计最优航迹路径；

步骤S7，避障执行模块接收所述最优航迹路径指令并执行避障计划。