CN106094847A - 一种无人机自动避障控制技术及其装置 - Google Patents

Abstract

一种无人机自动避障控制技术及其装置，包括无人机本体，其特征在于，还包括：光流定位收发器、声波定位收发器、红外定位收发器、GPS导航定位装置以及惯性定位装置；所述无人机本体具备内置控制芯片；通过无人机本体内置控制芯片上的相应处理程序，在传统无人机的基础上，大大增强了现有无人机的技术含量和使用效果；通过所述光流定位收发器、声波定位收发器、红外定位收发器、GPS导航定位装置以及惯性定位装置的组合处理技术，大大提高了无人机的自主避障的精确度和及时性，降低了无人机的损坏频率。

Description

一种无人机自动避障控制技术及其装置

技术领域

本发明专利涉及一种无人机自动控制方法及其装置技术领域，尤其是一种无人机自动避障控制技术及其装置，该装置采用科学、优化的避障控制技术设计，能够很好的与现有无人机有机结合，在具备较高的自动避障精度外，还具备较高的安全性和制造成本，结构简单，制造容易。

背景技术

无人机，顾名思义，就是无人驾驶的飞机，该理念最初是为了降低飞机的体积，增加载弹量，同时完成危险的、困难的等不适合人员参与的特殊任务，早在上个世纪20年代初，第一次世界大战正进行得如火如荼，英国的卡德尔和皮切尔两位将军，向英国军事航空学会提出了一项建议：研制一种不用人驾驶，而用无线电操纵的小型飞机，使它能够飞到敌方某一目标区上空，将事先装在小飞机上的炸弹投下去，这种大胆的设想立即得到当时英国军事航空学会理事长戴·亨德森爵士赏识。无人机当时还被用作训练时的靶机使用的；

无人机控制技术的研究是目前国内外各无人机研发公司以及大学、研究机构的关注热点之一，例如零度智控无人机在2016年6月1日贵州科技博览会展示的口袋无人机，以及中央电视台五一联欢晚会的自主避让跳舞无人机的精彩展示，都使得无人机在小型化、智能化、自动控制精度化上迈向了一个很高的台阶，而且现有无人机也广泛深入到军事、民用等各个领域，例如自拍并同步发送朋友圈、航拍摄影、工厂高处设备运行状况巡查、电力巡检、环境监测、森林防火、灾情巡查、防恐救生、军事侦察、战场评估等领域，随着无人机的逐步深入，大大降低了过去航拍时的成本以及危险环境作业下对操作人员的伤害带来的无法估量的损失，其有效克服了有人驾驶飞机空中作业的不足，降低了购买与维护成本，提高了运载工具的安全性；

无人机在空中作业时，除了手操器的人为控制外，为了增加无人机的安全系数和良好的各类工作效果，现有无人机大都设置有自动避障系统，用于无人机间、以及无人机与障碍物间的自动避让控制，以此提高无人机的可控性、安全性以及工作上的完整性，例如：在面临着山脉、建筑物、树木、输电线路等有形障碍物的安全威胁，以及禁飞区、危险区等无形障碍物的约束，因此，提高研究障碍物自动避让的精度具有非常重要的实际意义，目前，国内外针对旋翼和固定翼的无人机避障系统还很少，例如：申请号为201110031250.8的“一种自动规避障碍物的飞行装置与方法”专利，主要通过超声波测距传感器对障碍物进行定位检测，探测距离因探测传感装置的设置而极为有限，而且超声波测距存在盲区，有效精度也不高，在检索现有技术中的无人机避障方法技术中，还没有发现精度高，造假低，结构简单，运行安全的优化设计方案。

发明内容

本发明的目的是，提供一种无人机自动避障控制技术及其装置，该装置通过多种避障技术的完美结合，大大增强了无人机自主避障的精度和反应速度，且结构简单，通过优化的算法方式，使得无人机整体技术的提升又迈上了一个新的阶梯；

为解决上述技术问题，本发明提供一种无人机自动避障控制技术及其装置，其中：

一种无人机自动避障控制技术，包括以下技术步骤：

步骤一、在无人机内置控制芯片中嵌入光流定点控制程序；

作为一种举例说明，所述光流定点控制程序采用光流测速算法设计，简单理解，光流就是通过检测图像中光点和暗点的移动，来判断图像中像素点相对于飞行器的移动速度，如果地面是静止的，自然就可以得到飞行器相对于地面的移动速度，此处采用光流定点控制程序进行光流定位的分析运算，其实质就是利用光流测速再积分定位技术，该技术反应速度快，适合无人机在室内等空间较小的区域进行自动避障控制；从采集到的二维图像序列中检测物体的运动、提取运动参数并且分析物体运动的相关规律是运动图像序列分析的主要研究内容，光流法是进行运动图像分析的重要方法，在视觉运动研究中具有举足轻重的作用。光流(optical flow)表达了图像的变化，由于它包含了图像的运动信息，因此可被观察者用来确定目标的运动情况，光流是图像中亮度图案的表观运动，而运动场是三维物体的实际运动在图像平面上的投影，在理想情况下二者相互吻合；光流场可以简单的理解为物体的速度矢量场；

步骤二、在所述无人机内置控制芯片中嵌入声波定点控制程序；

作为一种举例说明，所述声波定点控制程序用于测定无人机的高度参数，通过对地面的声波定向发射以及后期的接收，定向测定无人机的高度参数；

在实验中，声波定点控制程序能够即快、又精确的读出高度参数值，但是在多次测定时总是发现偶尔存在一定的计算误差，对无人机马达发出的声音进行噪音测定，发现其噪音并不够成对声波定点控制程序使用声波起到干扰的效果，最后多次检测发现，无人机用电源在工作期间所产生的电磁信号能够干扰到声波定点控制程序用声波的工作效果，故对无人机用电源采取加装静电屏蔽层的方式进行处理；

作为一种应用举例说明，所述声波为超声波；

步骤三、在所述无人机内置控制芯片中嵌入红外定点控制程序；

作为一种举例说明，所述红外定点控制程序充分利用了红外光不能穿透墙体等技术缺陷，变缺点为优势，通过红外光测距技术，实时分析计算无人机在周围环境中的位置信息，避免了传统的穿透式测距技术带来的障碍物穿透排除的缺陷及不足；

步骤四、在所述无人机内置控制芯片中嵌入地理位置定点控制程序；

作为一种应用举例说明，所述地理位置定点控制程序采用北斗导航或GPS定位技术中的一种或者组合；通过位置信息实时的卫星数据传送及分析，进行相应地理位置的自动避让；

设置所述地理位置定点控制程序的目的是为了符合国家级实际操作时，定位飞行的要求，例如：军事管理区，北京市五环内以及一些因工作需要实际要求的无人机飞行轨迹，都需要进行一定的地理信息避让，尽管没有障碍物的阻挡，也要通过此设定尽量的复合国家法律、法规以及相关工作上的实际需要；

步骤五、在所述无人机内置控制芯片中惯性定点控制程序；

作为一种举例说明，采用IMU惯性辅助控制技术，协调无人机在自动规避障碍物时的精确度以及及时性；

一种无人机自动避障控制装置，包括：无人机本体，还包括光流定位收发器、声波定位收发器、红外定位收发器、GPS导航定位装置以及惯性定位装置；

作为一种举例说明，所述无人机本体为具备内置控制芯片的手操式无人机；

所述光流定位收发器、声波定位收发器和红外定位收发器安装在所述无人机本体外侧；

所述GPS导航定位装置以及惯性定位装置安装在所述无人机本体内；

所述无人机本体的内置控制芯片中预先安装有光流定点控制程序、声波定点控制程序、红外定点控制程序、地理位置定点控制程序以及惯性定点控制程序；

所述光流定点控制程序用于配合光流定位收发器，以此判断无人机本体周围的障碍物情况，及时反馈信号，控制无人机动力装置进行相应的规避动作；

所述声波定点控制程序用于配合声波定位收发器，通过超声波独特的测距优势，判断无人机本体的高度信息，及时反馈信号，控制无人机动力装置及时调整无人机本体姿态，避免硬着落带来的损坏；

所述红外定点控制程序用于配合红外定位收发器，通过红外线测距技术，判断无人机周围的障碍物情况，及时反馈信号，控制无人机动力装置进行相应的规避动作；

所述地理位置定点控制程序用于配合GPS导航定位装置，实时判断行驶位置信息是否符合预设值的要求；

所述惯性定点控制程序用于配合惯性定位装置，通过惯性位置信息中的反馈值，进一步的辅助无人机本体对障碍物的规避精度和反应速度；

所述光流定位收发器、声波定位收发器、红外定位收发器、GPS导航定位装置以及惯性定位装置均与所述的无人机本体中的内置控制芯片电连接；

作为一种优选实施例，所述光流定位收发器及红外定位收发器数量为四个，均匀设置在无人机本体的四周；

作为一种优选实施例，所述声波定位收发器的数量为一个，设置在无人机本体的下方中心位置处；

作为一种优选实施例，所述GPS导航定位装置以及惯性定位装置的数量均为一个；

作为另一种实施技术设计，所述无人机本体上方或下方设置有一个突出的轴，可以按设定转速自动旋转，所述轴的上方两侧位置上，均匀的设置有光流定位收发器和红外定位收发器，数量均为一个，通过模仿雷达的宣传扫射的发射接收模式，可以在降低光流定位收发器和红外定位收发器使用数量的情况下，尽可能的达到满意的障碍物数值反馈的实时效果；

本发明的有益效果：

1.本发明采用科学、优化的结构设计，在传统无人机的基础上，大大增强了现有无人机的技术含量和使用效果；

2.通过所述光流定位收发器、声波定位收发器、红外定位收发器、GPS导航定位装置以及惯性定位装置的组合处理技术，大大提高了无人机的自主避障的精确度和及时性，降低了无人机的损坏频率；

附图说明

图1是本发明一种无人机自动避障控制装置的结构示意图

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细说明。

参照图1所示，一种无人机自动避障控制技术，包括以下技术步骤：

步骤一、在无人机内置控制芯片中嵌入光流定点控制程序；

作为一种举例说明，所述光流定点控制程序采用光流测速算法设计，简单理解，光流就是通过检测图像中光点和暗点的移动，来判断图像中像素点相对于飞行器的移动速度，如果地面是静止的，自然就可以得到飞行器相对于地面的移动速度，此处采用光流定点控制程序进行光流定位的分析运算，其实质就是利用光流测速再积分定位技术，该技术反应速度快，适合无人机在室内等空间较小的区域进行自动避障控制；从采集到的二维图像序列中检测物体的运动、提取运动参数并且分析物体运动的相关规律是运动图像序列分析的主要研究内容，光流法是进行运动图像分析的重要方法，在视觉运动研究中具有举足轻重的作用。光流(optical flow)表达了图像的变化，由于它包含了图像的运动信息，因此可被观察者用来确定目标的运动情况，光流是图像中亮度图案的表观运动，而运动场是三维物体的实际运动在图像平面上的投影，在理想情况下二者相互吻合；光流场可以简单的理解为物体的速度矢量场；

步骤二、在所述无人机内置控制芯片中嵌入声波定点控制程序；

作为一种举例说明，所述声波定点控制程序用于测定无人机的高度参数，通过对地面的声波定向发射以及后期的接收，定向测定无人机的高度参数；

在实验中，声波定点控制程序能够即快、又精确的读出高度参数值，但是在多次测定时总是发现偶尔存在一定的计算误差，对无人机马达发出的声音进行噪音测定，发现其噪音并不够成对声波定点控制程序使用声波起到干扰的效果，最后多次检测发现，无人机用电源在工作期间所产生的电磁信号能够干扰到声波定点控制程序用声波的工作效果，故对无人机用电源采取加装静电屏蔽层的方式进行处理；

作为一种应用举例说明，所述声波为超声波；

步骤三、在所述无人机内置控制芯片中嵌入红外定点控制程序；

作为一种举例说明，所述红外定点控制程序充分利用了红外光不能穿透墙体等技术缺陷，变缺点为优势，通过红外光测距技术，实时分析计算无人机在周围环境中的位置信息，避免了传统的穿透式测距技术带来的障碍物穿透排除的缺陷及不足；

步骤四、在所述无人机内置控制芯片中嵌入地理位置定点控制程序；

作为一种应用举例说明，所述地理位置定点控制程序采用北斗导航或GPS定位技术中的一种或者组合；通过位置信息实时的卫星数据传送及分析，进行相应地理位置的自动避让；

设置所述地理位置定点控制程序的目的是为了符合国家级实际操作时，定位飞行的要求，例如：军事管理区，北京市五环内以及一些因工作需要实际要求的无人机飞行轨迹，都需要进行一定的地理信息避让，尽管没有障碍物的阻挡，也要通过此设定尽量的复合国家法律、法规以及相关工作上的实际需要；

步骤五、在所述无人机内置控制芯片中惯性定点控制程序；

作为一种举例说明，采用IMU惯性辅助控制技术，协调无人机在自动规避障碍物时的精确度以及及时性；

一种无人机自动避障控制装置，包括：无人机本体，还包括光流定位收发器、声波定位收发器、红外定位收发器、GPS导航定位装置以及惯性定位装置；

作为一种举例说明，所述无人机本体为具备内置控制芯片的手操式无人机；

所述光流定位收发器、声波定位收发器和红外定位收发器安装在所述无人机本体外侧；

所述GPS导航定位装置以及惯性定位装置安装在所述无人机本体内；

所述无人机本体的内置控制芯片中预先安装有光流定点控制程序、声波定点控制程序、红外定点控制程序、地理位置定点控制程序以及惯性定点控制程序；

所述光流定点控制程序用于配合光流定位收发器，以此判断无人机本体周围的障碍物情况，及时反馈信号，控制无人机动力装置进行相应的规避动作；

所述声波定点控制程序用于配合声波定位收发器，通过超声波独特的测距优势，判断无人机本体的高度信息，及时反馈信号，控制无人机动力装置及时调整无人机本体姿态，避免硬着落带来的损坏；

所述红外定点控制程序用于配合红外定位收发器，通过红外线测距技术，判断无人机周围的障碍物情况，及时反馈信号，控制无人机动力装置进行相应的规避动作；

所述地理位置定点控制程序用于配合GPS导航定位装置，实时判断行驶位置信息是否符合预设值的要求；

所述惯性定点控制程序用于配合惯性定位装置，通过惯性位置信息中的反馈值，进一步的辅助无人机本体对障碍物的规避精度和反应速度；

所述光流定位收发器、声波定位收发器、红外定位收发器、GPS导航定位装置以及惯性定位装置均与所述的无人机本体中的内置控制芯片电连接；

作为一种优选实施例，所述光流定位收发器及红外定位收发器数量为四个，均匀设置在无人机本体的四周；

作为一种优选实施例，所述声波定位收发器的数量为一个，设置在无人机本体的下方中心位置处；

作为一种优选实施例，所述GPS导航定位装置以及惯性定位装置的数量均为一个；

作为另一种实施技术设计，所述无人机本体上方或下方设置有一个突出的轴，可以按设定转速自动旋转，所述轴的上方两侧位置上，均匀的设置有光流定位收发器和红外定位收发器，数量均为一个，通过模仿雷达的宣传扫射的发射接收模式，可以在降低光流定位收发器和红外定位收发器使用数量的情况下，尽可能的达到满意的障碍物数值反馈的实时效果；

本发明采用科学、优化的结构设计，在传统无人机的基础上，大大增强了现有无人机的技术含量和使用效果；通过所述光流定位收发器、声波定位收发器、红外定位收发器、GPS导航定位装置以及惯性定位装置的组合处理技术，大大提高了无人机的自主避障的精确度和及时性，降低了无人机的损坏频率；

以上所述的仅为本发明的优选实施例，所应理解的是，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的思想和原则之内所做的任何修改、等同替换等等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种无人机自动避障控制技术，其特征碍于，包括以下技术步骤：

步骤一、在无人机内置控制芯片中嵌入光流定点控制程序；

所述光流定点控制程序采用光流测速算法设计；

步骤二、在所述无人机内置控制芯片中嵌入声波定点控制程序；

所述声波定点控制程序用于测定无人机的高度参数，通过对地面的声波定向发射以及后期的接收，定向测定无人机的高度参数；

步骤三、在所述无人机内置控制芯片中嵌入红外定点控制程序；

步骤四、在所述无人机内置控制芯片中嵌入地理位置定点控制程序；

步骤五、在所述无人机内置控制芯片中惯性定点控制程序；

采用IMU惯性辅助控制技术，协调无人机在自动规避障碍物时的精确度以及及时性。

2.根据权利要求1所述的一种无人机自动避障控制技术，其特征碍于，所述声波为超声波。

3.根据权利要求1所述的一种无人机自动避障控制技术，其特征碍于，所述地理位置定点控制程序采用北斗导航或GPS定位技术中的一种或者组合。

4.一种无人机自动避障控制装置，包括无人机本体，其特征在于，还包括：光流定位收发器、声波定位收发器、红外定位收发器、GPS导航定位装置以及惯性定位装置；所述无人机本体具备内置控制芯片；

所述光流定位收发器、声波定位收发器和红外定位收发器安装在所述无人机本体外侧；

所述GPS导航定位装置以及惯性定位装置安装在所述无人机本体内；

所述光流定位收发器、声波定位收发器、红外定位收发器、GPS导航定位装置以及惯性定位装置均与所述的无人机本体中的内置控制芯片电连接；

所述光流定位收发器及红外定位收发器数量为四个，均匀设置在无人机本体的四周；所述声波定位收发器的数量为一个，设置在无人机本体的下方中心位置处；所述GPS导航定位装置以及惯性定位装置的数量均为一个。

5.根据权利要求4所述的一种无人机自动避障控制装置，其特征在于，所述无人机本体上方或下方设置有一个突出的轴，可以按设定转速自动旋转。

6.根据权利要求4所述的一种无人机自动避障控制装置，其特征在于，所述轴的上方两侧位置上，均匀的设置有光流定位收发器和红外定位收发器，数量均为一个。

7.根据权利要求4所述的一种无人机自动避障控制装置，其特征在于，所述无人机本体上的电源采取加装静电屏蔽层的方式进行金属处理。

8.根据权利要求4所述的一种无人机自动避障控制装置，其特征在于，所述无人机本体为具备内置控制芯片的手操式无人机。

9.根据权利要求4所述的一种无人机自动避障控制装置，其特征在于，所述无人机本体的内置控制芯片中预先安装有光流定点控制程序、声波定点控制程序、红外定点控制程序、地理位置定点控制程序以及惯性定点控制程序。

10.根据权利要求9所述的一种无人机自动避障控制装置，其特征在于，所述光流定点控制程序用于配合光流定位收发器，以此判断无人机本体周围的障碍物情况，及时反馈信号，控制无人机动力装置进行相应的规避动作；

所述声波定点控制程序用于配合声波定位收发器，通过超声波独特的测距优势，判断无人机本体的高度信息，及时反馈信号，控制无人机动力装置及时调整无人机本体姿态，避免硬着落带来的损坏；

所述红外定点控制程序用于配合红外定位收发器，通过红外线测距技术，判断无人机周围的障碍物情况，及时反馈信号，控制无人机动力装置进行相应的规避动作；

所述地理位置定点控制程序用于配合GPS导航定位装置，实时判断行驶位置信息是否符合预设值的要求；

所述惯性定点控制程序用于配合惯性定位装置，通过惯性位置信息中的反馈值，进一步的辅助无人机本体对障碍物的规避精度和反应速度。