一种基于激光雷达的无人机避障装置及避障方法
【专利摘要】一种基于激光雷达的无人机避障装置及避障方法，该装置包括固定于无人机电机下方的编码器；还包括激光驱动电路，与激光驱动电路连接的激光器，固定于激光器出光端的第一反射装置，激光器发出的激光束刚好穿过第一反射装置中心点处的通孔，固定于通孔直射光路上的且与电机的转轴底端固连的第二反射装置，第一反射装置同时反射第二反射装置反射回来的激光，固定于第一反射装置反射光路上的汇聚镜头，固定于汇聚镜头汇聚光路上的激光探测器；与激光探测器相连的激光测距装置；还包括与编码器、激光驱动电路和激光测距装置连接的系统处理器单元；本发明还公开了该装置的避障方法；本发明实现了360°探测并且成本低、体积小，可以极大的提高无人机在复杂环境下避障能力。
【专利说明】
一种基于激光雷达的无人机避障装置及避障方法
技术领域
[0001]本发明涉及航空科学领域，具体涉及一种基于激光雷达的无人机避障装置及避障方法。
【背景技术】
[0002]近几年多轴无人机实现了迅猛的发展，但是无人机在自动巡逻飞行过程中随时会遇到障碍物。目前主要才要采用超声波或者视觉技术实现避障。超声波是最简单的测距系统，在无人机避障系统中会有明显的干扰问题，其次若物体反射超声波的能力不足，避障的有效距离就会降低，安全隐患较高。视觉技术极易收到光线、粉尘、烟雾等因素的影响，不能满足全天候飞行需要。
[0003]无人机躲避障碍的传统方案中，雷达若要进行360°探测的一种方法是雷达自身实现360°扫描，另一种方法是采用相控阵雷达，这两种方案需要增加复杂的电机设备从而产生额外的负载，但是无人机由于续航等原因不宜负载过重。
[0004]因此，设计一种结构轻巧的应用于无人机避障的360°扫描雷达装置很有必要。
【发明内容】
[0005]为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种基于激光雷达的无人机避障装置及避障方法，本发明实现了 360°探测并且成本低、体积小，可以极大的提高无人机在复杂环境下避障能力。
[0006]为达到以上目的，本发明采用如下技术方案:
[0007]—种基于激光雷达的无人机避障装置，包括固定于无人机的电机I下方且与电机I同轴固连的测量电机转角的编码器7;还包括激光驱动电路8，与激光驱动电路8连接的激光器9，固定于激光器9出光端的第一反射装置13，激光器9发出的激光束刚好穿过第一反射装置13中心点处的通孔10，固定于通孔10直射光路上的且与电机I的转轴6底端固连的第二反射装置U，第一反射装置13同时反射第二反射装置11反射回来的激光，固定于第一反射装置13反射光路上的汇聚镜头14，固定于汇聚镜头14汇聚光路上的激光探测器15;与激光探测器15相连的激光测距装置16;还包括与所述编码器7、激光驱动电路8和激光测距装置16连接的系统处理器单元17。
[0008]所述第二反射装置11，固定于电机转轴底端与电机同时转动，所述的第二反射装置11与水平方向成45度夹角。
[0009]所述第一反射装置13与水平方向成45度夹角。
[0010]所述激光探测器15接收汇聚镜头14汇聚的激光，以便激光测距装置16后续处理。
[0011]所述激光驱动装置8、激光器9、第二反射装置11、第一反射装置13、汇聚镜头14、激光探测器15和激光测距装置16包装在激光雷达外壳18内部。
[0012]上述所述基于激光雷达的无人机避障装置的避障方法包括如下步骤:
[0013]步骤一，电机I转动时带动固定于其转轴6上的编码器7和第二反射装置11同时转动；
[0014]步骤二，激光驱动电路8驱动激光器9发射激光垂直穿过第一反射装置13中心点处的通孔10射到第二反射装置11，在第二反射装置11处反射成水平方向的激光；电机I转动时第二反射装置11也转动，产生360°的激光束，对该水平面进行探测扫描；
[0015]步骤三，障碍物12位于第二反射装置11的反射光路时，会反射激光，激光反射回来经过第二反射装置11和第一反射装置13的反射，经汇聚镜头14汇聚作用后，激光探测器15接收汇聚后的激光，以便激光测距装置16进行后续处理；
[0016]步骤四，当激光探测器15接收到返回来的激光后，激光测距装置16通过测量发射激光脉冲时间和接收激光脉冲时间〖2之间的时间差或测量激光器驱动脉冲和接收激光脉冲之间的时间差计算障碍物距离无人机的距离s;因为编码器7与电机I同轴固定，系统处理器单元17通过编码器7计算出电机I任意时刻的转角Θ，同时再读取激光测距装置16计算的障碍物相距无人机的距离s，实现对无人机周围360°障碍物12的扫描探测，进行避障处理。
[0017]与现有技术相比，本发明有以下优点:
[0018]第一，本发明利用激光分辨率高、抗干扰能力强的特点，电机转动时带动反射装置转动，而不是雷达自身360°扫描探测，即在不增加电机的基础上，达到的探测效果与雷达自身360°扫描探测同样效果;从而简化避障系统结构；同时本装置的安装位置根据螺旋桨的位置可以选择不同的安装方式，满足不同类型的无人机的需求。在多轴无人机的每个轴上均可安装本发明装置，也可根据实际情况酌情考虑安装个数，同时每个扫描镜的安装高度不同，则可以实现对多个平面的探测，获得立体场景信息。根据螺旋桨的安装位置不同，本发明装置有多种安装方式。不同于目前已有的避障装置需要增加电机或者避障效果差。
[0019]第二，本发明简化了避障系统结构，把反射装置固连在电机转轴上，电机转动时带动反射装置转动，不用增加多余的电机设备即可实现360°扫描。
【附图说明】
[0020]图1为本发明基于激光雷达的无人机避障装置结构示意图。
[0021 ]图2为本发明装置应用于无人机上的示意图。
【具体实施方式】
[0022]以下结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
[0023]如图1所示，一种基于激光雷达的无人机避障装置，包括固定于无人机的电机I下方且与电机I同轴固连的编码器7;还包括激光驱动电路8，与激光驱动电路8连接的激光器9，固定于激光器9出光端的第一反射装置13，激光器9发出的激光束刚好穿过第一反射装置13中心点处的通孔10，固定于通孔10直射光路上的且与电机I的转轴6底端固连的第二反射装置U，位于第二反射装置11反射光路上的障碍物12，第一反射装置13同时反射第二反射装置11反射回来的激光，固定于第一反射装置13反射光路上的汇聚镜头14，固定于汇聚镜头14汇聚光路上的激光探测器15;与激光探测器15相连的激光测距装置16;还包括与所述装置编码器7、激光驱动电路8和激光测距装置16连接的系统处理器单元17。
[0024]所述第二反射装置11，固定于电机转轴底端与电机同时转动，作为优选方案，所述的第二反射装置11与水平方向成45度夹角时可以达到最佳反射效果。
[0025]所述第一反射装置13，其中心点处为通孔10，使激光器9发射的激光能够穿过第一反射装置13;同时反射第二反射装置11反射回来的激光。作为优选方案，所述的第一反射装置13与水平方向成45度夹角时可以达到最佳反射效果。
[0026]作为优选方案，激光雷达外壳18把激光驱动装置8，激光器9，第二反射装置11，第一反射装置13，汇聚镜头14，激光探测器15，激光测距装置16等包装起来形成如图2所示的激光雷达装置2，使本装置可安装调整位置不受限定。
[0027]如图2所示，为本发明装置应用于无人机上的示意图，电机I带动螺旋桨4转动为无人机提供飞行动力，其中电机I输出轴6，上端与螺旋桨4相固连，下端与第二反射装置11相固连，其中第二反射装置11的中心点处与电机转轴6中心线的夹角为a(作为优选方案，a =45°时达到最佳效果)，电机I和螺旋桨4的位置可以在机架3上面也可以安装在机架3下面，激光雷达装置2的安装个数也可由实际情况而定，利用多个激光雷达装置2可以实现对不同平面360°探测。
[0028]本发明激光驱动电路8驱动激光器9产生一个激光脉冲。电机I转动时带动固定于其转轴6上的编码器7和第二反射装置11转动。通过编码器7可以测量出任意时刻电机I的转角。激光垂直穿过第一反射装置13中心点处的通孔10后垂直射到第二反射装置11，经第二反射装置11反射成水平方向激光。电机I转动时带动第二反射装置11转动，则可以实现对无人机周围360°扫描探测。障碍物12位于第二反射装置11的反射光路时激光被反射回去，经第二反射装置11和第一反射装置13的反射后，激光穿过汇聚镜头14，达到汇聚激光的作用。激光探测器15接收汇聚的激光，以便后续激光测距装置16处理。当激光探测器15接收到返回来的激光后，激光测距装置16通过测量发射激光脉冲时间t和接收激光脉冲时间t2之间的时间差(或测量激光器驱动脉冲和接收激光脉冲之间的时间差)计算障碍物距离无人机的距离S，计算公式如下:s = (t2_ti)*v(v为激光的速度)；系统处理器单元17通过编码器7测量电机I的转角Θ，获得该转角位置，同时再读取激光测距装置16计算的障碍物相距无人机的距离S，则实现了对无人机周围360°障碍物的扫描探测。
【主权项】
1.一种基于激光雷达的无人机避障装置，其特征在于:包括固定于无人机的电机(I)下方且与电机(I)同轴固连的测量电机转角的编码器(7);还包括激光驱动电路(8)，与激光驱动电路(8)连接的激光器(9)，固定于激光器(9)出光端的第一反射装置(13)，激光器(9)发出的激光束刚好穿过第一反射装置(13)中心点处的通孔(10)，固定于通孔(10)直射光路上的且与电机(I)的转轴(6)底端固连的第二反射装置(11)，第一反射装置(13)同时反射第二反射装置(11)反射回来的激光，固定于第一反射装置(13)反射光路上的汇聚镜头(14)，固定于汇聚镜头(14)汇聚光路上的激光探测器(15);与激光探测器(15)相连的激光测距装置(16);还包括与所述编码器(7)、激光驱动电路(8)和激光测距装置(16)连接的系统处理器单元(17)。2.根据权利要求1所述的一种基于激光雷达的无人机避障装置，其特征在于:所述第二反射装置(11)固定于电机转轴底端与电机同时转动，所述的第二反射装置(11)与水平方向成45度夹角。3.根据权利要求1所述的一种基于激光雷达的无人机避障装置，其特征在于:所述第一反射装置(13)与水平方向成45度夹角。4.根据权利要求1所述的一种基于激光雷达的无人机避障装置，其特征在于:所述激光探测器(15)接收汇聚镜头(14)汇聚的激光，以便激光测距装置(16)后续处理。5.根据权利要求1所述的一种基于激光雷达的无人机避障装置，其特征在于:所述激光驱动装置(8)、激光器(9)、第二反射装置(11)、第一反射装置(13)、汇聚镜头(14)、激光探测器(15)和激光测距装置(16)包装在激光雷达外壳(18)内部，形成基于激光雷达的避障装置，使本装置可安装调整位置不受限定。6.权利要求1所述基于激光雷达的无人机避障装置的避障方法，其特征在于:包括如下步骤: 步骤一，电机(I)转动时带动固定于其转轴(6)上的编码器(7)和第二反射装置(11)同时转动； 步骤二，激光驱动电路(8)驱动激光器(9)发射激光垂直穿过第一反射装置(13)中心点处的通孔(10)射到第二反射装置(11)，在第二反射装置(11)处反射成水平方向的激光；电机(I)转动时第二反射装置(11)也转动，产生360°的激光束，对该水平面进行探测扫描； 步骤三，障碍物(12)位于第二反射装置(11)的反射光路时，会反射激光，激光反射回来经过第二反射装置(11)和第一反射装置(13)的反射，经汇聚镜头(14)汇聚作用后，激光探测器(15)接收汇聚后的激光，以便激光测距装置(16)进行后续处理； 步骤四，当激光探测器(15)接收到返回来的激光后，激光测距装置(16)通过测量发射激光脉冲时间和接收激光脉冲时间〖2之间的时间差或测量激光器驱动脉冲和接收激光脉冲之间的时间差计算障碍物距离无人机的距离s，因为编码器(7)与电机(I)同轴固定，系统处理器单元(17)通过编码器(7)计算出电机(I)任意时刻的转角Θ，同时再读取激光测距装置(16)计算的障碍物相距无人机的距离S，实现对无人机周围360°障碍物(12)的扫描探测，进行避障处理。
【文档编号】G01S17/93GK105911561SQ201610505862
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年6月30日
【发明人】孙剑, 郭鹏斌, 徐飞, 陈伟
【申请人】西安交通大学