一种无人机避障装置及避障方法
【专利摘要】一种无人机避障装置及避障方法，该装置包括激光驱动电路，与激光驱动电路连接的激光器，固定于激光器发射端的第一反射装置，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；还包括固定于通孔直射光路上的且与无人机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；还包括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；还包括与无人机电机中的霍尔传感器、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，能够满足无人机高精度的自主避障。
【专利说明】
一种无人机避障装置及避障方法
技术领域
[0001 ]本发明涉及无人机避障领域，具体涉及一种无人机避障装置及避障方法，该装置结构合理，实现360°探测。
【背景技术】
[0002]无人机避障能力是决定无人机能否与其他飞行器共享空域，同时在陌生以及不确定环境下无人机成功执行任务的关键因素。现有的无人机避障多采用超声波和T0F(飞行时间技术)技术，超声波避障依赖于物体表面的发射能力，当遭遇反射能力不足的物体时，避障系统的安全性就会极大降低；同时声波易受到影响。TOF(飞行时间技术)易受到高楼之间的玻璃光干扰系统，就是遭遇太阳光的主要能量波段，使TOF暴漏不足，明显缺点就是测量距离变短。
[0003]现有的无人机实现360°探测的传统方案是在无人机上增加复杂的电机设备，这样虽然实现了 360°探测但是由于负载变大从而严重影响无人机综合性能和续航等能力，且避障系统无法实现高精度的自主避障。
【发明内容】
[0004]为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种结构合理、应用于无人机的无人机避障装置及避障方法，本发明实现了 360°探测，能够满足无人机高精度的自主避障。
[0005]为了达到以上目的，本发明采用如下技术方案:
[0006]—种基于激光雷达的无人机避障装置，包括激光驱动电路7，与激光驱动电路7连接的激光器8，固定于激光器8发射端的第一反射装置12，激光器8发出的激光束刚好穿过第一反射装置12中心点处的通孔9;还包括固定于通孔9直射光路上的且与无人机电机I的转轴5底端固连的第二反射装置10，第一反射装置12同时反射第二反射装置10反射回来的激光;还包括固定于第一反射装置12反射光路上的汇聚镜头13，固定于汇聚镜头13汇聚光路上的激光探测器14，与激光探测器14相连的激光测距装置15;还包括与所述无人机电机I中的霍尔传感器、激光驱动电路7和激光测距装置15连接的系统处理器单元16。
[0007]所述第二反射装置10，固定于无人机电机I的转轴5底端与无人机电机同时转动，所述的第二反射装置10与水平方向成45度夹角。
[0008]所述第一反射装置12与水平方向成45度夹角。
[0009]所述激光探测器14接收汇聚镜头13汇聚的激光，以便激光测距装置15后续处理。
[0010]所述激光驱动电路7、激光器8、第二反射装置10、第一反射装置12、汇聚镜头13、激光探测器14和激光测距装置15等包装在激光雷达外壳17内部。
[0011]上述所述基于激光雷达的无人机避障系统的避障方法包括如下步骤:
[0012]步骤一，电机I转动时带动固定于其转轴5底端上的第二反射装置10不停旋转；
[0013]步骤二，激光驱动电路7驱动激光器8发射激光垂直穿过第一反射装置12中心点处的通孔9射到第二反射装置10，在第二反射装置10处反射成水平方向的激光；电机I转动时第二反射装置10也转动，产生360°的激光束，对该水平面进行探测扫描；
[0014]步骤三，障碍物11位于第二反射装置10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10和第一反射装置12的反射，经汇聚镜头13汇聚作用后，激光探测器14接收汇聚后的激光，以便激光测距装置15进行后续处理；
[0015]步骤四，当激光探测器14接收到返回来的激光后，激光测距装置15通过测量发射激光脉冲时间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距离s;系统处理器单元16通过无人机电机I带有的霍尔传感器输出的脉冲m配合系统处理器单元16的时钟脉冲f计算出无人机电机I任意时刻的转角Θ，同时再读取激光测距装置15计算的障碍物与无人机之间的距离S，实现对无人机周围360°障碍物的扫描探测，进行避障处理。
[0016]与现有技术相比，本发明有以下优点:
[0017]第一，本发明简化了避障系统结构，把避障系统中的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°扫描探测。
[0018]第二，本发明利用激光分辨率高、抗干扰能力强的特点，电机旋转时带动避障系统中的反射装置不停转动，而不是雷达自身360°探测扫描;在测量电机转角的方法上本发明利用电机带有的霍尔传感器输出的脉冲配合系统时钟脉冲来计算电机转角。
[0019]第三，简化了避障系统结构，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，并且每个与电机转轴固连的反射装置的安装高度不同，则可以实现对多个平面的探测，获得立体场景信息。
【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图。
[0021 ]图2为本发明装置安装在无人机上的示意图。
[0022]图3为本发明装置中霍尔传感器输出的脉冲和时钟脉冲配合测量电机转角示意图。
【具体实施方式】
[0023]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。
[0024]如图1所示，一种基于激光雷达的无人机避障系统，包括激光驱动电路7，与激光驱动电路7连接的激光器8，固定于激光器8发射端的第一反射装置12，激光器8发出的激光束刚好穿过第一反射装置12中心点处的通孔9，固定于通孔9直射光路上的且与无人机电机I的转轴5底端固连的第二反射装置10，位于第二反射装置10反射光路上的障碍物11，第一反射装置12同时反射第二反射装置10反射回来的激光，固定于第一反射装置12反射光路上的汇聚镜头13，固定于汇聚镜头13汇聚光路上的激光探测器14;与激光探测器14相连的激光测距装置15;还包括与所述装置电机I中的霍尔传感器、激光驱动电路7和激光测距装置15连接的系统处理器单元16。
[0025]所述第二反射装置10，固定于无人机电机转轴底端与无人机电机同时转动，作为优选方案，所述的第二反射装置10与水平方向成45度夹角时可以达到最佳反射效果。
[0026]所述第一反射装置12，其中心点处为通孔9，使激光器8发射的激光能够穿过第一反射装置12;同时反射第二反射装置10反射回来的激光。作为优选方案，所述的第一反射装置12与水平方向成45度夹角时可以达到最佳反射效果。
[0027]作为优选方案，激光雷达外壳17把激光驱动电路7，激光器8，第二反射装置10，第一反射装置12，汇聚镜头13，激光探测器14，激光测距装置15等包装起来形成如图1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。
[0028]如图2所示，为本发明装置应用与无人机上的示意图，无人机电机I带动螺旋桨4转动为无人机提供飞行动力，其中无人机电机I的转轴5的上端与螺旋桨4相固连，其下端与第二反射装置10相固连，第二反射装置10的中心点处与转轴5中心线的夹角为a(作为优选方案，a = 45°时达到最佳效果)，无人机电机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。
[0029]如图3所示，为本发明中霍尔传感器输出的脉冲和时钟脉冲配合测量电机转角示意图，无人机电机I内部带有y个霍尔元器件，无人机电机I匀速转动时，每转动角度β°，霍尔传感器输出一个脉冲m，即无人机电机I转动一周霍尔传感器输出y个脉冲m。假定时钟频率为f，系统处理器单元16检测到霍尔传感器输出脉冲m时，启动计数器开始计数直到霍尔传感器输出下个脉冲m为止(两个脉冲之间电机I转动β° )，读取系统处理器单元16中的计数器计数N，计算无人机电机I在X时间段内的转角θ = χ*(β°/Ν)。然后计数器清零重新开始计数。
[0030]本发明激光驱动电路7驱动激光器8产生一个激光脉冲。无人机电机I转动时带动固定于其转轴5底端上的第二反射装置10转动。激光垂直穿过第一反射装置12中心点处的通孔9后垂直射到第二反射装置10，经第二反射装置10反射成水平方向激光。无人机电机I转动时带动第二反射装置10转动，则可以实现对无人机周围360°扫描探测。障碍物11位于第二反射装置10的反射光路时激光被反射回去，经第二反射装置10和第一反射装置12的反射后，在第一反射装置12的反射光路上激光穿过汇聚镜头13，达到汇聚激光的作用。激光探测器14接收汇聚的激光，以便激光测距装置15处理。当激光探测器14接收到返回来的激光后，激光测距装置15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距离S，计算公式如下:S= (ts-tihvb为激光的速度)；系统处理器单元16通过电机I带有的霍尔传感器配合时钟计算无人机电机I转角Θ，获得该转角位置，同时再读取激光测距装置15计算的障碍物相距无人机距离s，则实现了对无人机周围360°障碍物的扫描探测。
【主权项】
1.一种无人机避障装置，其特征在于:包括激光驱动电路(7)，与激光驱动电路(7)连接的激光器(8)，固定于激光器(8)发射端的第一反射装置(12)，激光器(8)发出的激光束刚好穿过第一反射装置(12)中心点处的通孔(9);还包括固定于通孔(9)直射光路上的且与无人机电机(I)的转轴(5)底端固连的第二反射装置(10)，第一反射装置(12)同时反射第二反射装置(10)反射回来的激光;还包括固定于第一反射装置(12)反射光路上的汇聚镜头(13)，固定于汇聚镜头(13)汇聚光路上的激光探测器(14)，与激光探测器(14)相连的激光测距装置(15);还包括与所述无人机电机(I)中的霍尔传感器、激光驱动电路(7)和激光测距装置(15)连接的系统处理器单元(16)。2.根据权利要求1所述的一种无人机避障装置，其特征在于:所述第二反射装置(10)固定于无人机电机(I)的转轴(5)底端与电机同时转动，所述的第二反射装置(10)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(12)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(14)接收汇聚镜头(13)汇聚的激光，以便激光测距装置(15)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:所述激光驱动电路(7)、激光器(8)、第二反射装置(10)、第一反射装置(12)、汇聚镜头(13)、激光探测器(14)和激光测距装置(15)包装在激光雷达外壳(17)内部。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，无人机电机(I)转动时带动固定于其转轴(5)上的第二反射装置(10)同时转动； 步骤二，激光驱动电路(7)驱动激光器(8)发射激光垂直穿过第一反射装置(12)中心点处的通孔(9)射到第二反射装置(10)，在第二反射装置(10)处反射成水平方向的激光;无人机电机(I)转动时第二反射装置(10)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(11)位于第二反射装置(10)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(10)和第一反射装置(12)的反射，经汇聚镜头(13)汇聚作用后，激光探测器(14)接收汇聚后的激光，以便激光测距装置(15)进行后续处理； 步骤四，当激光探测器(14)接收到返回来的激光后，激光测距装置(15)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;系统处理器单元(16)通过无人机电机(I)带有的霍尔传感器输出的脉冲m配合系统处理器单元(16)的时钟脉冲f计算出无人机电机(I)任意时刻的转角Θ，同时再读取激光测距装置(15)计算的障碍物与无人机之间的距离S，实现对无人机周围360°障碍物(11)的扫描探测，进行避障处理。
【文档编号】G05D1/10GK105912027SQ201610505863
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年6月30日
【发明人】孙剑, 韩二江, 徐飞, 陈伟
【申请人】西安交通大学