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^。、。、1?。、1?的模糊语言变量化1，11}= 他，中}。
[0119] 水平二维平面上输出变量定义为：
[0120] 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)DAnglel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(右)转动时，angle 1为负（正）。
[0121 ]②垂直二维平面上输入变量定义为：
[0122] 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 审IJ，定义输入变量U、F、D的模糊语言变量阳2，M2} = {:近，中}。
[0123] 垂直二维平面上输出变量定义为：
[0124] 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/s)DAngle2表示四旋翼无人机的转向角度，取值为(-90°，90°)。定义V的模糊语言变量为 {SV，MV，FV} = {慢，中，快}，定义angle2的模糊语言变量为{TU，TD} = {上飞，下飞}，当四旋 翼无人机向上(下）飞行时，angle2为正(负）。
[0125] (2)建立隶属度函数
[0126] 隶属度函数的确定包括确定隶属度函数的形状W及隶属度函数的阔值。取各个语 言变量的隶属度函数形状为对称的Ξ角形隶属函数曲线且模糊分割也是对称的如图12所 /J、- 〇
[0127] (3)建立模糊控制规则
[0128] 无人机避障系统的基本思想是当发现障碍威胁时自动进行避障决策来躲避障碍 物。因此，建立其仿生的行为方式是当障碍物位于无人机的左（右）侧时，则无人机右（左） 转。定义如下If-Then规则。
[0129] ①水平二维平面
[0130] If(L is Nl)and(LF is Nl)and(F is Nl)and(RF is Ml)and(R is Ml)
[0131] Then(V is SV and anglel is TR)
[0132] ②垂直二维平面
[0133] If(U is M2)and(F is N2)and(D is N2)
[0134] Then(V is SV and angle2 is TU)
[0135] 根据输入输出变量W及模糊语言变量，利用MATLAB的模糊工具箱为该模糊推理系 统建立如上I f-Then控制规则。
[0136] (4)生成避障决策
[0137] 将(3)中决策结果进行解模糊化计算，运里采用重屯、法对模糊集进行解模糊。
[0138] 步骤4:将解模糊化后的避障决策通过串口发送给飞行控制器。
[0139] 效果: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Ξ维环境的动态信息，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。之后由四旋翼无人机上的飞行控制器来控制无人 机的飞行姿态避开飞行任务中出现的静止或动态障碍物，保证人等障碍物安全的同时也保 证了无人机自身的安全，从而保证飞行任务的顺利完成。
【主权项】
1. 室内四旋翼无人机360°三维避障系统，包括:三维障碍物检测模块;STM32F103控制 器，水平圆环，竖直前后圆环，竖直左右圆环，右后方连接杆，右前方连接杆，左前方连接杆， 左后方连接杆，串口，飞行控制器，右后方电机，右前方电机，左前方电机，左后方电机，右后 方螺旋桨，右前方螺旋桨，左前方螺旋桨，左后方螺旋桨，锂电池； 其特征在于，至少需要八个传感器，八个传感器的具体布置为：上方超声波传感器，下 方超声波传感器，后方超声波传感器，左侧超声波传感器，右侧超声波传感器;左前方超声 波传感器，前左方超声波传感器，右前方超声波传感器与左侧超声波传感器，右侧超声波传 感器以45°间隔均匀分布在水平圆环上。2. 根据权利要1所述的室内四旋翼无人机360°三维避障系统，其特征在于，传感器还包 括:前右方超声波传感器，上前方超声波传感器，下前方超声波传感器，近左侧超声波传感 器，左前方超声波传感器，近右侧超声波传感器，右前方超声波传感器。3. 根据权利要1或2所述的室内四旋翼无人机360°三维避障系统，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<cK 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<d < 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<cK 100cm发现障碍物时进行减 速飞行，当距离左侧、右侧、上方、下方任意一个方向障碍物d，其数值范围为0cm<d < 50cm 时进行避障决策;当距离后方100cm发现障碍物时进行报警。4. 根据权利要求1或2所述的室内四旋翼无人机360°三维避障系统，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三维空间的避障，具体为： (1)定义模糊逻辑控制器在每个平面上的输入输出变量； ① 水平二维平面上输入变量定义为： 11 = {L、LF、F、RF、R}，其中L、LF、F、RF、R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L、LF、F、RF、R的模糊语言变量{Nl，Ml} = {:近，中}; 水平二维平面上输出变量定义为： 01={￥^1^161};其中，￥表示四旋翼无人机的移动速度，输出的速度范围为（0~3111/ s) ;Anglel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anglel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； ② 垂直二维平面上输入变量定义为： I2={U、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{N2，M2} = {:近，中}; 垂直二维平面上输出变量定义为： 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/ s);Angle2表示四旋翼无人机的转向角度，取值为（-90°，90°);定义V的模糊语言变量为 {5￥，^} = {慢，中，快}，定义&即162的模糊语言变量为{1'1]，了0} = {上飞，下飞}，当四旋 翼无人机向上飞行时，angle2为正；当四旋翼无人机向下飞行时，angle2为负； (2) 建立隶属度函数 隶属度函数的确定包括确定隶属度函数的形状以及隶属度函数的阈值;取各个语言变 量的隶属度函数形状为对称的三角形隶属函数曲线且模糊分割也是对称的如图12所示； (3) 建立模糊控制规则 当障碍物位于无人机的左侧时，则无人机右转；当障碍物位于无人机的右侧时，则无人 机左转;定义如下If-Then规则； ① 水平二维平面 If(L is Nl)and(LF is Nl)and(F is Nl)and(RF is Ml)and(R is Ml) Then(V is SV and anglelis TR) ② 垂直二维平面 If(U is M2)and(F is N2)and(D is N2) Then(V is SV and angle2is TU) 根据输入输出变量以及模糊语言变量，利用MATLAB的模糊工具箱为该模糊推理系统建 立如上If-Then控制规则； (4) 生成避障决策 将(3)中决策结果进行解模糊化计算，采用重心法对模糊集进行解模糊； 将解模糊化后的避障决策通过串口发送给飞行控制器。
【专利摘要】室内四旋翼无人机360°三维避障系统，属于控制科学与控制工程领域。针对四旋翼无人机在进行室内巡航，抢险救灾等任务下由于室内环境相对复杂、GPS信号较弱且不易部署外设给四旋翼无人机带来的飞行问题，设计四旋翼无人机360°三维障碍物检测及避障决策装置。以STM32f103为核心处理器，通过合理配置超声波传感器的数量和位置搭建采集周围环境信息的模型实现三维障碍检测。该避障决策系统在四旋翼无人机执行航行任务时，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，之后由飞行控制器来控制无人机的飞行姿态完成避障任务。
【IPC分类】G05D1/08, G05D1/10
【公开号】CN105629985
【申请号】CN201610166707
【发明人】于建均, 赵少琼
【申请人】北京工业大学
【公开日】2016年6月1日
【申请日】2016年3月20日