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CN110658840A - 一种用于多旋翼无人机的自主导航避障方法及装置 - Google Patents

一种用于多旋翼无人机的自主导航避障方法及装置 Download PDF

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CN110658840A
CN110658840A CN201911033321.0A CN201911033321A CN110658840A CN 110658840 A CN110658840 A CN 110658840A CN 201911033321 A CN201911033321 A CN 201911033321A CN 110658840 A CN110658840 A CN 110658840A
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light
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秦玉鑫
刘兆瑜
陈宇
杨静静
赵静
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Zhengzhou University of Aeronautics
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Zhengzhou University of Aeronautics
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    • G05DSYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
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    • G05D1/08Control of attitude, i.e. control of roll, pitch, or yaw
    • G05D1/0808Control of attitude, i.e. control of roll, pitch, or yaw specially adapted for aircraft
    • GPHYSICS
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Abstract

本发明公开了一种用于多旋翼无人机的自主导航避障方法及装置,包括无人机,所述无人机的顶部的中央处固定有竖直支杆,竖直支杆上固定有摄像装置,所述无人机的机身上沿机身的周向设有环形的环形支撑体,环形支撑体的外表面为向外突出的曲面,环形支撑体的外表面上均匀的设有多个用于检测距离的测距装置。本发明通过摄像装置的距离测定装置实时的感知飞行路径中的障碍物,同时对障碍物的大小和远近有一个预估,最后通过调整飞行的姿态绕过该障碍物,摄像装置的拍摄先对障碍物的位置方向和大小有初步的判断,在使用测距装置将得到障碍物详细的位置方向和大小,根据障碍物的模型,得到调整无人机的飞行姿态,使得无人机在飞行的时候可以躲避障碍物。

Description

一种用于多旋翼无人机的自主导航避障方法及装置
技术领域
本发明涉及自主导航避障技术领域,特别涉及一种用于多旋翼无人机的自主导航避障方法及装置。
背景技术
多旋翼无人机,是一种具有三个及以上旋翼轴的特殊的无人驾驶直升机。其通过每个轴上的电动机转动,带动旋翼,从而产生升推力。旋翼的总距固定,而不像一般直升机那样可变。通过改变不同旋翼之间的相对转速,可以改变单轴推进力的大小,从而控制飞行器的运行轨迹。
多旋翼无人机在飞行的时候,都会在飞行路径的左右两侧遇到一些障碍物,这些障碍物会阻碍多旋翼无人机在飞行时候的轨迹,在遇到这些障碍物的时候,多旋翼无人机不得不进行飞行姿态的改变,从而绕过障碍物,在现有的技术中,都是通过摄像装置对多旋翼无人机周围的障碍物进行拍摄,判断具体的位置,进行飞行姿态的改变。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术中存在的问题,提供一种用于多旋翼无人机的自主导航避障方法及装置,通过摄像装置的距离测定装置实时的感知飞行路径中的障碍物,同时对障碍物的大小和远近有一个预估,最后通过调整飞行的姿态绕过该障碍物。
为此,本发明提供一种用于多旋翼无人机的自主导航避障方法,包括如下步骤:
S1:通过架设在无人机顶部的摄像装置对无人机前方的飞行轨道进行拍摄,得到飞行轨道的光感图像,同时实时检测飞行轨道的光感图像,判断其中是否存在障碍物的图像;
S2:当步骤S1中检测到飞行轨道的光感图像中存在障碍物的图像,通过提取障碍物的图像在所述飞行轨道的光感图像中的位置,开启架设于无人机机身上环形支撑体上该位置所在区域的多个测距装置,通过该区域的多个测距装置所测得的距离,模拟障碍物与无人机相对面的三维形状,同时得到障碍物最接近无人机的位置点的距离;
S3:根据障碍物与无人机相对面的三维形状、障碍物最接近无人机的位置点的距离以及无人机的飞行轨道,得到无人机的飞行姿态变换的方向,在根据无人机的飞行姿态变换的方向通过调节无人机的多旋翼进行飞行姿态的调整;
S4:当无人机通过障碍物后,通过调节无人机的多旋翼进行飞行姿态的调整,将飞行姿态调整为正常飞行姿态。
进一步,在步骤S2中,障碍物的图像在所述飞行轨道的光感图像中的位置为相对于所述飞行轨道的光感图像的中心偏离的区域,相对于无人机机身上的环形支撑体上,所述飞行轨道的光感图像的中心为摄像装置架设位置在所述环形支撑体与障碍物相对面的投影处,偏离的区域为光感图像中的位置在所述环形支撑体与障碍物相对面的投影处的区域,即障碍物的图像在所述飞行轨道的光感图像中的位置所对应的无人机机身上环形支撑体上的区域。
进一步,在步骤S2中,多个测距装置均匀的分布在所述环形支撑体的表面上。
更进一步,根据多个测距装置的位置,将各个测距装置所测得的距离进行空间建模,得到三维的面,即障碍物与无人机相对面的三维形状。
更进一步,在进行建模的时候,以所述环形支撑体为向量的起点,各个测距装置的发射线方向为每一个向量的方向,各个测距装置所测得的距离为每一个向量的终点,再将每一个向量的终点进行连接,得到向量终点的三维曲面网,最后从向量终点的三维曲面网中得到三维的面,即障碍物与无人机相对面的三维形状。
相对应与上述的一种用于多旋翼无人机的自主导航避障装置,包括无人机,所述无人机的顶部的中央处固定有竖直支杆,竖直支杆上固定有摄像装置,所述无人机的机身上沿机身的周向设有环形的环形支撑体,环形支撑体的外表面为向外突出的曲面,环形支撑体的外表面上均匀的设有多个用于检测距离的测距装置。
进一步,所述摄像装置为高清光感摄像头,所述测距装置为远距离红外测距仪。
进一步,所述无人机的机身为圆形的,所述环形支撑体贴合在所述无人机的机身上。
本发明提供的一种用于多旋翼无人机的自主导航避障方法及装置,具有如下有益效果:
1、通过摄像装置的距离测定装置实时的感知飞行路径中的障碍物,同时对障碍物的大小和远近有一个预估,最后通过调整飞行的姿态绕过该障碍物;
2、通过环形支撑体使得测距装置有不同的角度,从而构成同一起点的向量集,使得可以模拟书障碍物与无人机相对面的三维图像;
3、通过摄像装置和无人机的位置关系,可以判断出摄像装置所拍摄的光感图像中障碍物图像的位置,从而对应启动相对应位置的测距装置;
4、通过摄像装置的拍摄先对障碍物的位置方向和大小有初步的判断,在使用测距装置将得到障碍物详细的位置方向和大小;
5、根据障碍物的模型,得到调整无人机的飞行姿态,使得无人机在飞行的时候,可以躲避障碍物。
附图说明
图1为本发明提供的一种用于多旋翼无人机的自主导航避障方法的整体流程示意图;
图2为本发明提供的一种用于多旋翼无人机的自主导航避障装置的整体结构示意图。
附图标记说明:
1、摄像装置;2、竖直支杆;3、测距装置;4、环形支撑体;5、无人机。
具体实施方式
下面结合附图,对本发明的一个具体实施方式进行详细描述,但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
在本申请文件中,未经明确的部件型号以及结构,均为本领域技术人员所公知的现有技术,本领域技术人员均可根据实际情况的需要进行设定,在本申请文件的实施例中不做具体的限定。
具体的,如图1所示,本发明实施例提供了一种用于多旋翼无人机5的自主导航避障方法,包括如下步骤:
S1:通过架设在无人机5顶部的摄像装置1对无人机5前方的飞行轨道进行拍摄,得到飞行轨道的光感图像,同时实时检测飞行轨道的光感图像,判断其中是否存在障碍物的图像;
该步骤通过拍摄无人机5前方的飞行轨道的光感图像,再对拍摄到的光感图像进行处理,判断其中是否有障碍物存在,从而得知无人机5前方的飞行轨道是否有障碍物存在。
S2:当步骤S1中检测到飞行轨道的光感图像中存在障碍物的图像,通过提取障碍物的图像在所述飞行轨道的光感图像中的位置,开启架设于无人机5机身上环形支撑体4上该位置所在区域的多个测距装置3,通过该区域的多个测距装置3所测得的距离,模拟障碍物与无人机5相对面的三维形状,同时得到障碍物最接近无人机5的位置点的距离;
在该步骤中,当无人机5前方的飞行轨道有障碍物存在时候,通过障碍物在光感图像中的方位,判断障碍物在无人机5前方的飞行轨道的方位,同时打开对应方位的多个测距装置3所测得的距离,得到障碍物与无人机5相对面的三维形状,同时得到障碍物最接近无人机5的位置点的距离。
S3:根据障碍物与无人机5相对面的三维形状、障碍物最接近无人机5的位置点的距离以及无人机5的飞行轨道,得到无人机5的飞行姿态变换的方向,在根据无人机5的飞行姿态变换的方向通过调节无人机5的多旋翼进行飞行姿态的调整;
在该步骤中,根据障碍物与无人机5相对面的三维形状、障碍物最接近无人机5的位置点的距离以及无人机5的飞行轨道,对无人机5的飞行姿态进行调整,使得无人机5不会与障碍物发生碰撞。
S4:当无人机5通过障碍物后,通过调节无人机5的多旋翼进行飞行姿态的调整,将飞行姿态调整为正常飞行姿态。
在该步骤中,当无人机5通过障碍物后,将无人机5的飞行姿态调整为正常飞行姿态。
具体的,在步骤S2中,障碍物的图像在所述飞行轨道的光感图像中的位置为相对于所述飞行轨道的光感图像的中心偏离的区域,相对于无人机5机身上的环形支撑体4上,所述飞行轨道的光感图像的中心为摄像装置1架设位置在所述环形支撑体4与障碍物相对面的投影处,偏离的区域为光感图像中的位置在所述环形支撑体4与障碍物相对面的投影处的区域,即障碍物的图像在所述飞行轨道的光感图像中的位置所对应的无人机5机身上环形支撑体4上的区域。在本发明中,光感图像障碍物的位置与支撑体4上的区域形成对应的关系,其中光感图像的中心,对应摄像装置1的摄像线在支撑体4上的投影处。感图像障碍物的位置的左右的位置关系与支撑体4上的区域的左右的位置关系一致。
具体的,在步骤S2中,多个测距装置3均匀的分布在所述环形支撑体4的表面上。其中,根据多个测距装置3的位置,将各个测距装置3所测得的距离进行空间建模,得到三维的面,即障碍物与无人机5相对面的三维形状。具体的,在进行建模的时候,以所述环形支撑体4为向量的起点,各个测距装置3的发射线方向为每一个向量的方向,各个测距装置3所测得的距离为每一个向量的终点,再将每一个向量的终点进行连接,得到向量终点的三维曲面网,最后从向量终点的三维曲面网中得到三维的面,即障碍物与无人机5相对面的三维形状。
相对应与上述的一种用于多旋翼无人机的自主导航避障装置,具体的,如图2所示,包括无人机5,所述无人机5的顶部的中央处固定有竖直支杆2,竖直支杆2上固定有摄像装置1,所述无人机5的机身上沿机身的周向设有环形的环形支撑体4,环形支撑体4的外表面为向外突出的曲面,环形支撑体4的外表面上均匀的设有多个用于检测距离的测距装置3。其中,摄像装置1和测距装置3所产生的数据由处理器进行数据的处理。其中,还有电源装置为本发明提供供电服务。
该用于多旋翼无人机的自主导航避障装置的工作原理是:摄像装置1对无人机5前方的飞行轨道进行拍摄,得到飞行轨道的光感图像,同时实时检测飞行轨道的光感图像,判断其中是否存在障碍物的图像,当检测到飞行轨道的光感图像中存在障碍物的图像,通过提取障碍物的图像在所述飞行轨道的光感图像中的位置,开启架设于无人机5机身上环形支撑体4上该位置所在区域的多个测距装置3,通过该区域的多个测距装置3所测得的距离,模拟障碍物与无人机5相对面的三维形状,同时得到障碍物最接近无人机5的位置点的距离,根据障碍物与无人机5相对面的三维形状、障碍物最接近无人机5的位置点的距离以及无人机5的飞行轨道,得到无人机5的飞行姿态变换的方向,在根据无人机5的飞行姿态变换的方向通过调节无人机5的多旋翼进行飞行姿态的调整,当无人机5通过障碍物后,通过调节无人机5的多旋翼进行飞行姿态的调整,将飞行姿态调整为正常飞行姿态。
在本实施例中,所述摄像装置1为高清光感摄像头,所述测距装置3为远距离红外测距仪。所述无人机5的机身为圆形的,所述环形支撑体4贴合在所述无人机5的机身上。
综上所述,本发明公开了一种用于多旋翼无人机的自主导航避障方法及装置,包括无人机,所述无人机的顶部的中央处固定有竖直支杆,竖直支杆上固定有摄像装置,所述无人机的机身上沿机身的周向设有环形的环形支撑体,环形支撑体的外表面为向外突出的曲面,环形支撑体的外表面上均匀的设有多个用于检测距离的测距装置。本发明通过摄像装置的距离测定装置实时的感知飞行路径中的障碍物,同时对障碍物的大小和远近有一个预估,最后通过调整飞行的姿态绕过该障碍物;通过环形支撑体使得测距装置有不同的角度,从而构成同一起点的向量集,使得可以模拟书障碍物与无人机相对面的三维图像;通过摄像装置和无人机的位置关系,可以判断出摄像装置所拍摄的光感图像中障碍物图像的位置,从而对应启动相对应位置的测距装置;通过摄像装置的拍摄先对障碍物的位置方向和大小有初步的判断,在使用测距装置将得到障碍物详细的位置方向和大小;根据障碍物的模型,得到调整无人机的飞行姿态,使得无人机在飞行的时候,可以躲避障碍物。
以上公开的仅为本发明的几个具体实施例,但是,本发明实施例并非局限于此,任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种用于多旋翼无人机的自主导航避障方法,其特征在于,包括如下步骤:
S1:通过架设在无人机(5)顶部的摄像装置(1)对无人机(5)前方的飞行轨道进行拍摄,得到飞行轨道的光感图像,同时实时检测飞行轨道的光感图像,判断其中是否存在障碍物的图像;
S2:当步骤S1中检测到飞行轨道的光感图像中存在障碍物的图像,通过提取障碍物的图像在所述飞行轨道的光感图像中的位置,开启架设于无人机(5)机身上环形支撑体(4)上该位置所在区域的多个测距装置(3),通过该区域的多个测距装置(3)所测得的距离,模拟障碍物与无人机(5)相对面的三维形状,同时得到障碍物最接近无人机(5)的位置点的距离;
S3:根据障碍物与无人机(5)相对面的三维形状、障碍物最接近无人机(5)的位置点的距离以及无人机(5)的飞行轨道,得到无人机(5)的飞行姿态变换的方向,在根据无人机(5)的飞行姿态变换的方向通过调节无人机(5)的多旋翼进行飞行姿态的调整;
S4:当无人机(5)通过障碍物后,通过调节无人机(5)的多旋翼进行飞行姿态的调整,将飞行姿态调整为正常飞行姿态。
2.如权利要求1所述的一种用于多旋翼无人机的自主导航避障方法,其特征在于,在步骤S2中,障碍物的图像在所述飞行轨道的光感图像中的位置为相对于所述飞行轨道的光感图像的中心偏离的区域,相对于无人机(5)机身上的环形支撑体(4)上,所述飞行轨道的光感图像的中心为摄像装置(1)架设位置在所述环形支撑体(4)与障碍物相对面的投影处,偏离的区域为光感图像中的位置在所述环形支撑体(4)与障碍物相对面的投影处的区域,即障碍物的图像在所述飞行轨道的光感图像中的位置所对应的无人机(5)机身上环形支撑体(4)上的区域。
3.如权利要求1所述的一种用于多旋翼无人机的自主导航避障方法,其特征在于,在步骤S2中,多个测距装置(3)均匀的分布在所述环形支撑体(4)的表面上。
4.如权利要求3所述的一种用于多旋翼无人机的自主导航避障方法,其特征在于,根据多个测距装置(3)的位置,将各个测距装置(3)所测得的距离进行空间建模,得到三维的面,即障碍物与无人机(5)相对面的三维形状。
5.如权利要求4所述的一种用于多旋翼无人机的自主导航避障方法,其特征在于,在进行建模的时候,以所述环形支撑体(4)为向量的起点,各个测距装置(3)的发射线方向为每一个向量的方向,各个测距装置(3)所测得的距离为每一个向量的终点,再将每一个向量的终点进行连接,得到向量终点的三维曲面网,最后从向量终点的三维曲面网中得到三维的面,即障碍物与无人机(5)相对面的三维形状。
6.一种用于多旋翼无人机的自主导航避障装置,包括无人机(5),其特征在于,所述无人机(5)的顶部的中央处固定有竖直支杆(2),竖直支杆(2)上固定有摄像装置(1),所述无人机(5)的机身上沿机身的周向设有环形的环形支撑体(4),环形支撑体(4)的外表面为向外突出的曲面,环形支撑体(4)的外表面上均匀的设有多个用于检测距离的测距装置(3)。
7.如权利要求6所述的一种用于多旋翼无人机的自主导航避障装置,其特征在于,所述摄像装置(1)为高清光感摄像头,所述测距装置(3)为远距离红外测距仪。
8.如权利要求6所述的一种用于多旋翼无人机的自主导航避障装置,其特征在于,所述无人机(5)的机身为圆形的,所述环形支撑体(4)贴合在所述无人机(5)的机身上。
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