CN110597289A - 一种无人机避障系统及无人机避障方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种无人机避障系统及无人机避障方法，该系统包括：雷达装置以及无人机运动信息传输装置，雷达装置通过无人机中飞行控制系统与无人机运动信息传输装置连接，无人机运动信息传输装置实时获取无人机运行过程中的运动信息，经飞行控制系统发送给雷达装置，雷达装置实时根据接收到的运动信息调整目标检测跟踪策略，并将检测到的目标信息输出给飞行控制系统以控制无人机飞行。本发明具体结构简单紧凑、成本低、避障精度高以及安全可靠等优点。

Description

一种无人机避障系统及无人机避障方法

技术领域

本发明涉及无人机避障技术领域，尤其涉及一种无人机避障系统及无人机避障方法。

背景技术

随着农业、电力、工业等行业级无人机市场的迅速增长，无人机关键技术也在发生日新月异的进步，如实时图传、目标识别、地形跟随等技术，使得行业级无人机越来越趋向于智能化。在诸多技术趋势中，自动避障能力是实现无人机安全飞行的关键。精确的无人机自主避障系统能最大程度的减少因人为操作失误、视线问题造成的无人机损毁、人身事故和建筑事故等的发生。

传统无人机避障方案通常采用视觉避障方式，但受限于摄像头体积、重量、功耗等问题，无法长时间续航工作，且易受天气影响，传统方案效果有限。采用在无人机上安装雷达以实现无人机避障方案可以很好的解决上述问题，现有技术中无人机搭载雷达的避障系统如图1所示，系统中包含雷达信号处理模块和飞行控制模块，通过雷达发射电磁波和接收回波信号，并做一系列的信号处理，可以得到障碍物的距离、速度和角度信息，将检测的目标信息实时发送给飞控系统，飞控系统再根据目标信息对无人机运动装置的状态做出调整，对高危型障碍物提前做出预警或者紧急制动，以免引起无人机和障碍物的碰撞，保证无人机飞行的安全。

但是采用上述方案进行无人机避障时，由于雷达检测体制的限制和应用环境的复杂多样性，雷达的检测性能会受到极大的限制，如会存在以下问题：

1、由于无人机飞行环境十分复杂，在一般条件下，为了在一定程度上避免虚警（假目标）对无人机正常飞行的影响，雷达目标检测的阀值一般设定的较高。虽然如毫米波雷达等能够很好的检测到如铁杆、树丛等强反射体障碍物，但其对如电线、小树枝等弱反射体目标的检测能力仍然有限，而如果没有及时检测到飞行前方的弱反射体障碍物，一旦无人机与障碍物发生碰撞，将会导致严重的后果。

2、当无人机进行姿态切换的时候，安装在无人机上的雷达的波束指向方向会发生变化，这会导致不属于正常障碍物的目标被检测到，如可能检测到不在预警范围内的如地面、低于飞行高度的植被等目标，上传给飞控系统，这会引起误报，导致飞控系统采取紧急制动等不必要的措施，影响飞行效率。

3、在雷达检测中，由于检测体制和环境的复杂性，可能到会有虚警目标被检测到，降低了雷达检测准确度，此时无人机依据雷达的检测信息进行调整，也会导致无人机采集紧急制动等不必要的措施，影响飞行效率。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单紧凑、成本低、避障精度高以及安全可靠的无人机避障系统及无人机避障方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种无人机避障系统，包括：雷达装置以及无人机运动信息传输装置，所述雷达装置通过无人机中飞行控制系统与所述无人机运动信息传输装置连接，所述无人机运动信息传输装置实时获取无人机运行过程中的运动信息，经所述飞行控制系统发送给所述雷达装置，所述雷达装置实时根据接收到的所述运动信息调整目标检测跟踪策略，并将检测到的目标信息输出给所述飞行控制系统以控制无人机飞行。

进一步的，所述雷达装置包括用于发射电磁波信号、接收回波信号的收发模块、用于对回波信号进行处理的雷达信号处理模块，所述雷达信号处理模块包括依次连接的目标检测单元、跟踪滤波单元、用于识别检测到的目标的有效性以滤除虚警的虚警管理单元以及目标信息输出单元，所述目标检测单元、跟踪滤波单元以及虚警管理单元分别与所述无人机运动信息传输装置连接。

进一步的，所述目标检测单元包括CFAR检测子单元以及自适应调整子单元，所述自适应调整子单元接收所述无人机运动信息传输装置实时发送的运动信息，根据回波信号频谱以及接收到的所述运动信息调节所述CFAR检测子单元执行CFAR检测的检测门限。

进一步的，所述跟踪滤波单元包括跟踪滤波执行子单元以及参数调整子单元，所述参数调整子单元接收所述无人机运动信息传输装置实时发送的运动信息，根据接收到的所述运动信息调整滤波参数以及轨迹跟踪参数。

进一步的，所述虚警管理单元包括目标有效性识别子单元以及信息接收单元，所述信息接收单元接收所述无人机运动信息传输装置实时发送的运动信息，发送给所述目标有效性识别子单元，所述目标有效性识别子单元根据接收到的所述运动信息识别检测到的目标的有效性以滤除虚警。

进一步的，所述目标检测单元的输出端还设置有用于对所求解的速度进行解模糊的速度解模糊单元，和/或用于对目标的角度进行测量的角度测量单元。

进一步的，所述跟踪滤波单元的输出端还设置有用于根据滤波后的轨迹值进行目标分类的目标分类单元。

进一步的，所述雷达装置为毫米波雷达。

一种无人机避障方法，步骤包括：

S1.实时获取无人机运行过程中的运动信息，经无人机中飞行控制系统发送给雷达装置；

S2. 所述雷达装置实时根据接收到的所述运动信息调整目标检测跟踪策略，并将检测到的目标信息输出给所述飞行控制系统以控制无人机飞行。

进一步的，所述步骤S2中所述雷达装置实时根据接收到的所述运动信息调整目标检测跟踪策略包括：根据回波信号频谱以及接收到的所述运动信息调节执行CFAR检测的检测门限，以及根据接收到的所述运动信息调整跟踪滤波过程中的滤波参数以及轨迹跟踪参数，以及根据接收到的所述运动信息识别检测到的目标的有效性以滤除虚警中的任意一种或多种。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明无人机避障系统及无人机避障方法，通过无人机运动信息传输装置在无人机运行过程中，实时的将无人机飞行高度、飞行姿态和飞行速度等的运动信息通过飞行控制系统转发给雷达装置，雷达装置根据无人机的实时运动信息来对检测过程中的目标检测和跟踪策略进行实时的调整，可以极大的提高雷达的检测精度，提高雷达对弱小目标的检测能力，减少了误报的风险，实现精准避障，保证无人机的飞行安全。

2、本发明无人机避障系统及无人机避障方法，进一步通过实时将无人机运动信息反馈给雷达进行目标检测、跟踪滤波以及虚警管理，使得在目标检测、跟踪滤波以及虚警管理的雷达信号处理过程中做出相应调整，可以减少雷达误报，降低由于飞行姿态切换导致雷达检测到低于飞行高度的不在预警范围内等情况的影响。

3、本发明无人机避障系统及无人机避障方法，进一步在雷达目标检测过程中，根据无人机运动信息和回波频谱自适应调节检测门限，可以提高雷达对电线、小树枝等弱反射体目标的检测能力，同时减少由于无人机飞行姿态变换引起雷达倾向角朝下后雷达波束指向发生变化，而检测到低于飞行高度的不在预警范围内的目标所引起误报的影响。

4、本发明无人机避障系统及无人机避障方法，进一步通过在跟踪滤波中结合无人机运动信息自适应调整滤波参数和轨迹跟踪参数，不仅能防止无人机速度过快导致目标丢失、轨迹断裂等情况发生，还能减少由于无人机飞行姿态变换后，雷达波束指向发生变化而检测到低于飞行高度的不在预警范围内的目标所引起误报的影响。

5、本发明无人机避障系统及无人机避障方法，进一步通过实时将无人机运动信息反馈给雷达，在虚警管理中根据无人机运动信息自动识别检测到的目标的真实有效性，能够自动判断识别虚警，最大程度的剔除虚警目标对真实目标的干扰。

附图说明

图1是现有技术中无人机搭载雷达的避障系统的结构示意图。

图2是本实施例无人机避障系统的结构示意图。

图3是本实施例中雷达信号处理装置的结构示意图。

图4是本发明具体应用实施例中雷达信号处理的实现流程示意图。

图例说明：1、雷达装置；11、雷达信号处理模块；111、目标检测单元；112、跟踪滤波单元；113、虚警管理单元；114、目标信息输出单元；2、飞行控制系统；3、无人机运动信息传输装置。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

如图2所示，本实施例无人机避障系统包括：雷达装置1以及无人机运动信息传输装置3，雷达装置1通过无人机中飞行控制系统2与无人机运动信息传输装置3连接，无人机运动信息传输装置3实时获取无人机运行过程中的运动信息，经飞行控制系统2发送给雷达装置1，雷达装置1实时根据接收到的运动信息调整目标检测跟踪策略，并将检测到的目标信息输出给飞行控制系统2以控制无人机飞行。上述无人机的运行信息具体包括飞行高度、飞行姿态和飞行速度等信息。

本实施例通过由雷达装置1、无人机运动信息传输装置3与飞行控制系统2一起构成无人机避障系统，通过无人机运动信息传输装置3在无人机运行过程中，实时的将无人机飞行高度、飞行姿态和飞行速度等的运动信息通过飞行控制系统2转发给雷达装置1，雷达装置1根据无人机的实时运动信息来对在检测过程中的检测和跟踪滤波策略进行实时的调整，使得雷达可以适应于不同检测环境下的检测，极大的提高雷达的检测精度，实现精准避障，保证无人机的飞行安全。

本实施例上述无人机避障系统中，飞行控制系统2与雷达装置1之间进行双向交互，以将无人机飞行环境和运动状态实时反馈给雷达装置1相关信息，雷达装置1再根据相关无人机信息和实际回波信号进行综合分析，不仅可以保证雷达检测准确度，还可以提高雷达对弱小目标的检测能力，减少了误报的风险，极大的提高了雷达的工作性能，为无人机的安全、稳定和持续工作提供了可靠的保障。

本实施例雷达装置1具体采用毫米波雷达，毫米波雷达的鲁棒性强、测量精度高，能全天候工作，且具有体积小、功耗低、精度高、抗干扰强、安装简单等诸多优势。雷达通过发射电磁波信号和接收回波信号，并进行一系列的信号处理，可以得到目标的距离、速度和角度信息。毫米波雷达具体可以采用MIMO两发四收集成平面微带阵列天线，可以极大的保证角度测量的准确性。

如图3所示，雷达装置1包括用于发射电磁波信号、接收回波信号的收发模块、用于对回波信号进行处理的雷达信号处理模块11，雷达信号处理模块11包括依次连接的目标检测单元111、跟踪滤波单元112、用于识别检测到的目标的有效性以滤除虚警的虚警管理单元113以及目标信息输出单元114，目标检测单元111、跟踪滤波单元112以及虚警管理单元113分别与无人机运动信息传输装置3连接，目标检测单元111、跟踪滤波单元112以及虚警管理单元113分别接收无人机运动信息传输装置3发送的无人机的运动信息，以利用无人机的运行信息进行目标检测、跟踪滤波以及虚警管理。通过实时将无人机运动信息反馈给雷达的目标检测单元111、跟踪滤波单元112以及虚警管理单元113，使得在目标检测、跟踪滤波以及虚警管理的雷达信号处理过程中做出相应调整，可以减少雷达误报，降低由于飞行姿态切换导致雷达检测到低于飞行高度的不在预警范围内等情况的影响。

本实施例中，目标检测单元111具体包括CFAR检测子单元以及自适应调整子单元，自适应调整子单元接收无人机运动信息传输装置3实时发送的运动信息，根据回波信号频谱以及接收到的运动信息调节CFAR检测子单元执行CFAR检测的检测门限。当无人机启动时，无人机运动信息传输装置3将无人机运动信息通过飞行控制系统2传送给雷达装置1中目标检测单元111，雷达装置1根据无人机运动信息和回波频谱，自适应调节CFAR检测门限，提高雷达对电线、小树枝等弱反射体目标的检测能力，同时减少由于无人机飞行姿态变换引起雷达倾向角朝下后雷达波束指向发生变化，而检测到低于飞行高度的不在预警范围内的目标所引起误报的影响。上述目标检测当然还可以采用除CFAR检测方法外其他的目标检测算法实现。

本实施例中，跟踪滤波单元112包括跟踪滤波执行子单元以及参数调整子单元，参数调整子单元接收无人机运动信息传输装置3实时发送的运动信息，根据接收到的运动信息调整滤波参数以及轨迹跟踪参数。通过在跟踪滤波中结合无人机运动信息自适应调整滤波参数和轨迹跟踪参数，不仅能防止无人机速度过快导致目标丢失、轨迹断裂等情况发生，还能减少由于无人机飞行姿态变换后雷达波束指向发生变化，而检测到低于飞行高度的不在预警范围内的目标所引起误报的影响。

本实施例中，虚警管理单元113包括目标有效性识别子单元以及信息接收单元，信息接收单元接收无人机运动信息传输装置3实时发送的运动信息，发送给目标有效性识别子单元，目标有效性识别子单元根据接收到的运动信息识别检测到的目标的有效性以滤除虚警。通过实时将无人机运动信息反馈给雷达，在虚警管理中，雷达根据无人机运动信息自动识别检测到的目标的真实有效性，能够自动判断识别虚警，可以最大程度的剔除虚警目标对真实目标的干扰。

本实施例中，目标检测单元111的输出端还设置有用于对所求解的速度进行解模糊的速度解模糊单元，通过对所求解的速度进行解模糊，可以扩大测量速度范围和提高速度检测精度，避免盲速对检测的影响，从而得到目标的真实速度。目标检测单元111的输出端进一步还设置有用于对目标的角度进行测量的角度测量单元，可以检测得到目标的角度信息。

本实施例中，跟踪滤波单元112的输出端还设置有用于根据滤波后的轨迹值进行目标分类的目标分类单元。目标分类单元具体针对滤波后的轨迹值，依照相应的数据特征进行目标分类，以判断目标的类别，可以方便飞控系统对障碍物危险等级做出判断。

如图4所示，本实施例雷达信号处理模块11实现雷达信号处理具体包括：射频前段接收到回波信号，首先对信号进行模数（AD）采样，通过对采样信号分别进行距离维和速度维快速傅里叶变换（FFT），得到一个二维数据矩阵；对二维数据矩阵做恒虚警检测（CFAR），得到目标的距离和速度信息；对所求解的速度进行解模糊，从而得到目标的真实速度；然后根据CFAR检测到的目标点，分别对所有目标点进行角度测量，得到精确的目标角度信息；进一步对检测后的目标进行过滤，以剔除检测过程中存在虚假目标等的影响；由于一个目标可能存在多个反射点，特别是反射面较大的目标，进一步对对所有检测点进行数据融合，将同一个反射体的检测点按照一定的规则融合在一起；然后采用扩展卡尔曼滤波（EKF），对融合过后的目标点进行跟踪滤波，可得到更加稳定的非线性运动目标的准确信息；然后针对滤波后的轨迹值，依照相应的数据特征进行目标分类，判断目标的类别，输出给飞行控制系统2以对障碍物危险等级做出判断；然后进行虚警管理，以识别出检测到目标的有效性，降低由于虚警对雷达正常检测的干扰；最后进行目标信息输出，将目标信息整合后发送给飞行控制系统2，飞行控制系统2对障碍物信息进行二次判断，依照危险等级相应地对无人机做出紧急制动等措施。

本实施例无人机避障方法的步骤包括：

S1.实时获取无人机运行过程中的运动信息，经无人机中飞行控制系统2发送给雷达装置1；

S2. 雷达装置1实时根据接收到的运动信息调整目标检测跟踪策略，并将检测到的目标信息输出给飞行控制系统2以控制无人机飞行。

本实施例上述方法，通过将无人机的实时运行信息反馈给雷达装置1，雷达装置1再根据无人机运行信息调整目标检测跟踪策略，不仅可以保证雷达检测准确度，还可以提高雷达对弱小目标的检测能力，减少了误报的风险，极大的提高了雷达的工作性能，为无人机的安全、稳定和持续工作提供了可靠的保障。

本实施例步骤S2中雷达装置1实时根据接收到的运动信息调整目标检测跟踪策略包括：根据回波信号频谱以及接收到的运动信息调节执行CFAR检测的检测门限，以及根据接收到的运动信息调整跟踪滤波过程中的滤波参数以及轨迹跟踪参数，以及根据接收到的运动信息识别检测到的目标的有效性以滤除虚警。

如上述，在目标滤波过程中，通过根据无人机的实时运行信息调整目标检测的检测门限，可以提高雷达对电线、小树枝等弱反射体目标的检测能力，同时减少由于无人机飞行姿态变换引起雷达倾向角朝下后，雷达波束指向发生变化，从而检测到低于飞行高度的不在预警范围内的目标，引起误报的影响；在跟踪滤波中，结合无人机运动信息自适应调整滤波参数和轨迹跟踪参数，不仅能防止无人机速度过快导致目标丢失、轨迹断裂等情况发生，还能减少由于无人机飞行姿态变换后，雷达波束指向发生变化，从而检测到低于飞行高度的不在预警范围内的目标，引起误报的影响；在虚警管理处理中，可根据无人机运行信息自动识别检测到的目标的真实有效性，最大程度的减少由于雷达虚警对检测及无人机正常飞行的影响。

本实施例无人机避障方法与上述无人机避障装置原理相同，在此不再一一赘述。

上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种无人机避障系统，其特征在于，包括：雷达装置（1）以及无人机运动信息传输装置（3），所述雷达装置（1）通过无人机中飞行控制系统（2）与所述无人机运动信息传输装置（3）连接，所述无人机运动信息传输装置（3）实时获取无人机运行过程中的运动信息，经所述飞行控制系统（2）发送给所述雷达装置（1），所述雷达装置（1）实时根据接收到的所述运动信息调整目标检测跟踪策略，并将检测到的目标信息输出给所述飞行控制系统（2）以控制无人机飞行。

2.根据权利要求1所述的无人机避障系统，其特征在于，所述雷达装置（1）包括用于发射电磁波信号、接收回波信号的收发模块、用于对回波信号进行处理的雷达信号处理模块（11），所述雷达信号处理模块（11）包括依次连接的目标检测单元（111）、跟踪滤波单元（112）、用于识别检测到的目标的有效性以滤除虚警的虚警管理单元（113）以及目标信息输出单元（114），所述目标检测单元（111）、跟踪滤波单元（112）以及虚警管理单元（113）分别与所述无人机运动信息传输装置（3）连接。

3.根据权利要求2所述的无人机避障系统，其特征在于，所述目标检测单元（111）包括CFAR检测子单元以及自适应调整子单元，所述自适应调整子单元接收所述无人机运动信息传输装置（3）实时发送的运动信息，根据回波信号频谱以及接收到的所述运动信息调节所述CFAR检测子单元执行CFAR检测的检测门限。

4.根据权利要求2所述的无人机避障系统，其特征在于，所述跟踪滤波单元（112）包括跟踪滤波执行子单元以及参数调整子单元，所述参数调整子单元接收所述无人机运动信息传输装置（3）实时发送的运动信息，根据接收到的所述运动信息调整滤波参数以及轨迹跟踪参数。

5.根据权利要求2所述的无人机避障系统，其特征在于，所述虚警管理单元（113）包括目标有效性识别子单元以及信息接收单元，所述信息接收单元接收所述无人机运动信息传输装置（3）实时发送的运动信息，发送给所述目标有效性识别子单元，所述目标有效性识别子单元根据接收到的所述运动信息识别检测到的目标的有效性以滤除虚警。

6.根据权利要求2～5中任意一项所述的无人机避障系统，其特征在于，所述目标检测单元（111）的输出端还设置有用于对所求解的速度进行解模糊的速度解模糊单元，和/或用于对目标的角度进行测量的角度测量单元。

7.根据权利要求2～5中任意一项所述的无人机避障系统，其特征在于，所述跟踪滤波单元（112）的输出端还设置有用于根据滤波后的轨迹值进行目标分类的目标分类单元。

8.根据权利要求1～5中任意一项所述的无人机避障系统，其特征在于，所述雷达装置（1）为毫米波雷达。

9.一种无人机避障方法，其特征在于，步骤包括：

S1.实时获取无人机运行过程中的运动信息，经无人机中飞行控制系统（2）发送给雷达装置（1）；

S2. 所述雷达装置（1）实时根据接收到的所述运动信息调整目标检测跟踪策略，并将检测到的目标信息输出给所述飞行控制系统（2）以控制无人机飞行。

10.根据权利要求9所述的无人机避障方法，其特征在于，所述步骤S2中所述雷达装置（1）实时根据接收到的所述运动信息调整目标检测跟踪策略包括：根据回波信号频谱以及接收到的所述运动信息调节执行CFAR检测的检测门限，以及根据接收到的所述运动信息调整跟踪滤波过程中的滤波参数以及轨迹跟踪参数，以及根据接收到的所述运动信息识别检测到的目标的有效性以滤除虚警中的任意一种或多种。