室内四旋翼无人机360°三维避障系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及无人机智能避障控制系统，具体设及一种应用于室内微小型四旋翼无 人机的360° Ξ维避障系统，属于控制科学与控制工程领域。
【背景技术】
[0002] 无人机化nmanned Aerial Vehicle，UAV)是一种由动力驱动，通过无线电远程遥 控或在机载程序控制下自动飞行的无人驾驶航空器。按照结构的不同，无人机可W分为固 定翼无人机和旋翼无人机两种。其中四旋翼无人机由于具有螺旋奖机械结构简单，回转效 应较小，耗能低，对飞行空间要求低，非常适合在狭小的空间（如室内，城区等）内执行任务 等特点应用于各领域深受各行业各部口各系统的青睐。近年来微小型四旋翼无人机在户外 领域的迫切要求，促进了能够在室外和室内进行无缝导航工作的微小型四旋翼无人机的快 速发展。四旋翼无人机如果想要在复杂多变的室内环境中实现安全的自主飞行，关键在于 如何让四旋翼无人机具备自动检测影响其飞行的障碍物，并且可W自行进行数据处理，做 出避开障碍物的决策的功能。如果四旋翼无人机不能够及时检测到障碍进行避障，在室内 环境下对人而言就是切肉机，对自身W及障碍安全构成很大威胁。由于室内GI^信号较差， 传统的户外避障路径规划方式很难应用于室内。如果单纯的靠人工操作来实现避开障碍的 飞行不仅要求操作者有熟练的驾驶技术而且人工规划难W考虑到多方面因素规划出精确 的轨迹并且工作量巨大、成本较高，同时过多的人工干预也不利于实现无人机过高的自动 化程度。如果在室内布置过多的外设如视觉相机等不仅增加了成本，对用户的隐私W及室 内的美观等设计也会影响；当用于突发性事件如火灾救援时，事发现场也不一定具备导航 避障的外设条件，所W用于障碍信息采集的装置最好安装在无人机本身上。
[0003] 目前无人机上用于信息采集的传感器主要包括超声波传感器，红外反射式传感 器，激光雷达W及视觉相机等。北京航空航天大学的张博翰等人2010年通过双目立体视觉 实现无人机的横向位置坐标定位，通过灰度匹配方法检测障碍物并生成避障导航点的方 法，实现了无人机在未知、动态的室内走廊环境中的自主定位与简单避障。但由于信息量 大，处理环境中距离算法复杂，影响了导航要求的实时性而且易受环境的光线影响。
【发明内容】
[0004] 本发明提供了一种室内四旋翼无人机360° Ξ维障碍检测W及避障决策装置，通过 配置测距传感器的数量和位置搭建采集周围环境信息的模型，实现Ξ维环境下的障碍物检 巧。。安装该避障决策系统的四旋翼无人机在执行航行任务时，避障决策系统上搭载的超声 波传感器实时检测周围环境的动态信息，将采集到的障碍距离值经过卡尔曼滤波处理后分 方向进行数据融合，将融合后的数据通过模糊逻辑算法进行避障决策，并将避障决策通过 串口发送给飞行控制器。之后由无人机上的飞行控制器来控制无人机的飞行姿态完成避障 任务。
[0005] 本发明提出的无人机避障系统硬件模块为:Ξ维障碍物检测模块;软件模块为:数 据处理模块和避障决策模块。Ξ维障碍物检测模块包括Ξ维障碍物检测系统架构W及经过 合理配置安装好的传感器。数据处理模块包括周围环境信息数据的采集、滤波处理W及分 方向数据融合的实现。避障决策模块包括基于模糊逻辑算法的避障决策的实现。
[0006] 本发明室内四旋翼无人机360° Ξ维避障系统其特征结构为：
[0007] STM32F103控制器01，水平圆环02,竖直前后圆环03、竖直左右圆环04,上方超声波 传感器05，下方超声波传感器06，前左方超声波传感器07、前右方超声波传感器08，后方超 声波传感器09，左侧超声波传感器10，右侧超声波传感器11，上前方超声波传感器12，下前 方超声波传感器13,近左侧超声波传感器14、左前方超声波传感器15,近右侧超声波传感器 16、右前方超声波传感器17,四旋翼无人机18,右后方连接杆19、右前方连接杆20、左前方连 接杆21、左后方连接杆22,串口23,飞行控制器24,右后方电机25、右前方电机26、左前方电 机27、左后方电机28，右后方螺旋奖29、右前方螺旋奖30、左前方螺旋奖31、左后方螺旋奖 32,裡电池33。
[0008] 如果只是实现简单的Ξ维避障至少需要八个传感器，且只需对传感器进行变动其 它部分无需改变，八个传感器的具体布置为:上方超声波传感器05，下方超声波传感器06， 后方超声波传感器09,左侧超声波传感器10,右侧超声波传感器11，运五个传感器位置不 变。左前方超声波传感器15,前左方超声波传感器07,右前方超声波传感器17与左侧超声波 传感器10,右侧超声波传感器11^45°间隔均匀分布在水平圆环02上。
[0009] 更进一步，传感器包括：
[0010] 上方超声波传感器05,下方超声波传感器06,前左方超声波传感器07,前右方超声 波传感器08，后方超声波传感器09，左侧超声波传感器10，右侧超声波传感器11，上前方超 声波传感器12,下前方超声波传感器13,近左侧超声波传感器14,左前方超声波传感器15， 近右侧超声波传感器16，右前方超声波传感器17。
[0011] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0012] 右后方连接杆19、右前方连接杆20、左前方连接杆21、左后方连接杆22用于连接四 旋翼无人机18 W及水平圆环02和竖直前后圆环03、竖直左右圆环04,超声波传感器05、06、 07、08、09、10、11、12、13、14、15、16、17用于四旋翼无人机18周围^维环境下障碍物距离值 的检测。其中上方超声波传感器05、下方超声波传感器06分别安装在竖直前后圆环03与竖 直左右圆环04的交汇处用于检测无人机上方W及下方的障碍信息。上前方超声波传感器 12、下前方超声波传感器13分别安装在竖直前后圆环03的上前方与下前方，用于检测无人 机上前方W及下前方的障碍信息，并与上方超声波传感器05、下方超声波传感器06W及水 平圆环02与竖直前后圆环03的交点W45°的间隔均匀排列在竖直前后圆环03上。左侧超声 波传感器10,右侧超声波传感器11分别安装在水平圆环02与竖直左右圆环04的交汇处，用 于检测无人机左侧W及右侧的障碍信息，并与前左方超声波传感器07、前右方超声波传感 器08、近左侧超声波传感器14、左前方超声波传感器15,近右侧超声波传感器16、右前方超 声波传感器17W180V7的角度均匀排列在水平圆环02上，其中前左方超声波传感器07、前 右方超声波传感器08、近左侧超声波传感器14、左前方超声波传感器15,近右侧超声波传感 器16、右前方超声波传感器17分别用于检测前方、左前方、右前方的障碍信息。
[0013] 对每个超声波采集到的距离值进行滤波，将滤波后的有效数据分前、后、左、右、 上、下、左前、右前8个方向进行数据融合，将融合后的数据在STM32F103控制器01中进行避 障决策，并通过串口 23将避障决策发送给飞行控制器24，飞行控制器24通过调节右后方电 机25、右前方电机26、左前方电机27、左后方电机28的转速来改变右后方螺旋奖29、右前方 螺旋奖30、左前方螺旋奖31、左后方螺旋奖32的转动速度完成避障飞行任务。
[0014] 室内四旋翼无人机360°Ξ维避障系统，其特征在于，采用近、中、远的避障方式，即 当前方、左前方、右前方、上前方、下前方任意一个方向距离d，其数值范围为50cm<d< 150cm，发现障碍物时先减速飞行；当距离前方、左前方、右前方、上前方、下前方任意一个方 向障碍物距离d，其数值范围为0cm<cK 50cm时进行避障决策；当左侧、右侧、上方、下方任 意一个方向距离d，其数值范围为50cm<d< 100cm发现障碍物时进行减速飞行，当距离左 侦U、右侧、上方、下方任意一个方向障碍物d，其数值范围为0cm<cK 50cm时进行避障决策； 当距离后方100cm发现障碍物时进行报警。
[0015] 所述的室内四旋翼无人机360° Ξ维避障系统，其特征在于，采用一个水平二维平 面和一个垂直二维平面来实现Ξ维空间的避障，具体为：
[0016] (1)定义模糊逻辑控制器在每个平面上的输入输出变量；
[0017] ①水平二维平面上输入变量定义为：
[0018] 11 =化、1。少、3。、1?}，其中^1。^、1?。、1?分别为经数据融合后获得的四旋翼无人机 的左方、左前方、前方、右前方、右方的障碍物距离，取值范围为0-200cm;根据超声波传感器 的波束角对测距精度的限制，定义输入变量1^。、。、3。、1?的模糊语言变量化1，11} = {近， 中};
[0019] 水平二维平面上输出变量定义为：
[0020] 01 = {V、Anglel};其中，V表示四旋翼无人机的移动速度，输出的速度范围为(0~ 3m/s); Angle 1表示四旋翼无人机的转向角度，取值为(-90°，0°，90°);定义V的模糊语言变 量为{SV，MV，FV} = {:慢，中，快}，定义angle 1的模糊语言变量为{TL，TZ，TR} = {：左转，不变， 右转}，当四旋翼无人机向左转动时，anglel为负；当四旋翼无人机向右转动时，anglel为 正；
[0021 ]②垂直二维平面上输入变量定义为：
[0022] 12=化、F、D}，其中U、F、D分别为经数据融合后获得的四旋翼无人机的上方、前方、 下方的障碍物距离，取值范围为0-200cm;根据超声波传感器的波束角对测距精度的限制， 定义输入变量U、F、D的模糊语言变量阳2，M2} = {:近，中};
[0023] 垂直二维平面上输出变量定义为：
[0024] 02={V、Angle2};其中，V表示四旋翼无人机的移动速度，输出的速度范围为(0~ 3m/