灾后救援旋翼无人机避障系统及方法与流程

本发明属于无人机避障技术领域，尤其涉及一种灾后救援旋翼无人机避障系统及方法。

背景技术：

近年来无人机技术已快速成为国内外研究开发的一个新热点，而且由于无人机具有高机动性、操作灵活、成本低、影像实时传输以及高分辨率等特点，使得无人机被应用到了社会各个领域，如灾害救援、电力巡检、林业防火、农业喷洒、植被保护、航拍摄影等。

在灾后救援现场，由于传统手段存在很多的局限性，无人机技术得到了逐渐发展。灾后救援无人机主要是在灾害事件发生后，对于环境恶劣、无法及时了解现场状况以及救援紧急的情况下，可以以最快、最便捷的手段，从空中观察干预救援现场。无人机通过高清摄像头将灾后现场的情况进行拍摄以及录制，然后将采集到的实时现场航拍数据回传。将无人机应用到灾后救援，不仅可以避免飞行人员的人身安全，还可以为救援人员在第一时间查看到灾害现场情况，安排灾后救治等工作。

由于灾后现场环境复杂未知，对于无人机在实现灾后拍摄以及录制中，可能会导致无人机发生碰撞等情况，造成无人机损坏，耽误现场救灾情况的快速了解，因此就需要在进行灾后救援过程中，保证无人机的飞行安全。

技术实现要素：

本发明提供了一种灾后救援旋翼无人机避障系统及方法，为旋翼无人机在灾后救援复杂多变的环境中，可以实时防止无人机发生碰撞，从而保证无人机自身的安全性。

一方面，本发明提供了一种灾后救援旋翼无人机避障系统，包括：

雷达高度传感器，测量无人机对地面的垂直距离；

gps/北斗定位传感器，进行实时定位，以实现无人机的定点悬停；

ahrs模块，采集无人机的飞行姿态与航行信息；

毫米波雷达传感器，用于实现障碍物到无人机的远距离测量；

超声波雷达传感器，用于实现障碍物到无人机的近距离测量；

双目视觉传感器，测量障碍物的大小以及形状；

主控制器，通过对各个传感器获得的数据进行分析，控制无人机完成避障动作；

所述主控制器分别与雷达高度传感器、gps/北斗定位传感器、ahrs模块、毫米波雷达传感器、超声波雷达传感器和双目视觉传感器相连。

优选的，所述毫米波雷达传感器、超声波雷达传感器、双目视觉传感器均为四个，分别安装在无人机的前、后、左、右四个面。

优选的，毫米波雷达传感器，包括：

天线模块，向各个方向空间区域发射信号，并接收空间区域内的障碍物散射回波信号；

射频前端模块，实现信号的发射与接收处理；

基带处理模块，将前方目标障碍物的相对距离、相对速度以及方位角进行解析，发送给主控制器。

优选的，超声波雷达传感器进行0～10米范围的测距，毫米波雷达传感器进行3～50m范围内的测距。

优选的，ahrs模块，包括mems的三轴陀螺仪、加速度计和磁强计，输出数据为三维加速度、三维角速度和三维地磁场强度。

另一方面，本发明提供了一种灾后救援旋翼无人机避障方法，包括：

s1.毫米波雷达传感器进行远距离环境中障碍物目标特征的获取；

s2.双目视觉传感器进行短距离内障碍物目标大小以及形状的获取；

s3.超声波传感器进行近距离内障碍物目标特征的获取：

s4.雷达高度传感器进行无人机与地面垂直距离的测量；

s5.gps/北斗定位传感器，进行实时定位，以实现无人机的定点悬停；

s6.ahrs模块采集无人机的飞行姿态与航行信息。

s7.主控制器通过对各个传感器获得的数据进行分析，控制无人机完成避障动作。

具体的，步骤s7中是通过如下步骤完成避障的：

p1,首先判断无人机与障碍物的相对距离，将相对距离进行三个部分的划分:小于n1m，n1m到n2m，n2m到n3m三个距离范围；

p2,距离划分完后，根据无人机与障碍物的相对速度进行危险等级的划分:

当距离小于n1m，速度大于m1m/s,且预警时间小于3s，则属于危险等级，速度小于m1m/s时，属于警示等级；

当距离n1m≤r<n2m，速度大于m2m/s时,处于危险等级；当速度m1m/s≤v<m2m/s时，处于警示等级，当速度小于m1m/s时，处于提示等级；

当距离n2m≤r<n3m时，当速度大于m3m/s时,处于危险等级；当速度m2m/s≤v<m3m/s时，处于警示等级，当速度m1m/s≤v<m2m/s时，处于提示等级，当速度小于m1m/s时，处于不相关等级；

p3,根据双目视觉传感器对障碍物的形状以及大小进行辨识，区分墙、树木、人以及高压线。

更具体的，上述步骤s7中还包括：

p4,对于危险等级，需要进行步骤p3的操作；对于警示等级，需要紧急减速后进行步骤p3的操作；对于提示等级和不相关等级，不用进行第三步骤的判断，返回重新进行检测。

更具体的，步骤p3中对于墙需要进行紧急停止，悬停后折返，反方向飞行；对于人和树木需要进行左右绕行；对于高压线进行上下绕行。

本发明由于采用以上技术方案，能够取得如下的技术效果：可以有效地感知无人机对其飞行环境以及障碍物目标的准确获取，弥补单一传感器存在的相关数据信息缺失以及不足等因素；

通过将多种传感器进行融合，所设计的灾后救援旋翼无人机避障系统具有对无人机飞行环境的感知以及障碍物目标避障功能。为灾后救援旋翼无人机在复杂多变的环境中，可以实时防止无人机发生碰撞，从而保证无人机自身的安全性。

附图说明

为了更清楚的说明本发明的实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为灾后救援旋翼无人机避障系统结构示意图；

图2为灾后救援旋翼无人机避障方法流程图；

图3为毫米波雷达传感器结构示意图；

图4为实施例3中主控制器控制无人机避障方法流程图。

具体实施方式

为使本发明的实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：

本申请所针对的无人机，主要是多旋翼灾后救援旋翼无人机。多旋翼无人机利用其主旋翼旋转切割空气产生飞行动力，与固定翼相比，具有原地起飞、空中悬停、飞行速度慢、负重大、灵活度高和可超低空飞行的特点。多旋翼无人机不需要跑道便可以垂直起降，起飞后可在空中悬停，适合灾后复杂环境中的应用。它的操控原理简单，操控器四个遥感操作对应飞行器的前后、左右、上下和偏航方向的运动。

实施例1

本实施例提供了一种灾后救援旋翼无人机避障系统，包括：

雷达高度传感器，测量无人机对地面的垂直距离；

gps/北斗定位传感器，进行实时定位，以实现无人机的定点悬停等任务；

ahrs模块，采集无人机的飞行姿态与航行信息；ahrs模块，包括mems的三轴陀螺仪、加速度计和磁强计，输出数据为三维加速度、三维角速度和三维地磁场强度。

毫米波雷达传感器，采用线性调频三角波的体制，用于实现障碍物到无人机的远距离测量；所述毫米波雷达传感器，包括：天线模块，形成雷达探测所需的发射和接收波束；向各个方向空间区域发射信号，并接收空间区域内的障碍物散射回波信号；射频前端模块，根据无人机避障毫米波雷达的应用场景和功能需求，实现信号的发射与接收处理；基带处理模块，控制发射调制波形、信号采集以及信号处理工作，将前方目标障碍物的相对距离、相对速度以及方位角进行解析，发送给主控制器，从而完成毫米波雷达传感器对目标障碍物的数据采集传输工作。毫米波雷达传感器进行3～50m范围内的测距。

超声波雷达传感器，用于实现障碍物到无人机的近距离测量，超声波雷达传感器进行0～10米范围的测距；

双目视觉传感器，测量障碍物的大小以及形状；

主控制器，通过对各个传感器获得的数据进行分析，控制无人机完成避障动作；

所述主控制器分别与雷达高度传感器、gps/北斗定位传感器、ahrs模块、毫米波雷达传感器、超声波雷达传感器和双目视觉传感器相连。

优选的，所述毫米波雷达、超声波雷达、双目视觉传感器均为四个，分别安装在无人机的前、后、左、右四个面。由于多旋翼无人机可以前后左右飞行，需要每一个面都要进行防碰撞设计，所以每一个面上都由一个毫米波雷达传感器进行长距离测量，一个超声波雷达传感器进行近距离测量，一个双目视觉传感器进行目标属性，如方位，大小形状进行测量，所以本发明所设计的灾后救援旋翼无人机对于毫米波雷达传感器、超声波传感器和双目视觉传感器各需要四个。

实施例2

本实施例提供了一种灾后救援旋翼无人机避障方法，包括：

s1.毫米波雷达传感器进行远距离环境中障碍物目标特征的获取；由于毫米波雷达工作波长介于1mm～10mm之间，与其他的探测方式相比，主要有探测性能稳定、环境适应良好、尺寸小、价格低，可以在相对恶劣的雨雪天气使用等优点，而且毫米波雷达的作用距离远，可以达到50m或是更远的距离，是视觉传感器、红外传感器以及超声波雷达传感器等避障传感器所无法达到的距离，为无人机做出快速避障提供了足够的避障时间，而且毫米波雷达可以实现灾后救援旋翼无人机飞行前方环境中危险目标特征信息的准确获取，如障碍物目标与无人机的相对距离、相对速度以及相对角度等特征。

s2.双目视觉传感器进行短距离内障碍物目标大小以及形状的获取；由于双目视觉传感器可以获取目标的大小以及形状，这是毫米波雷达所不能精确获得的，并且由于双目传感器的特性可以实现目标距离的测量等，通过视觉传感器对于图像的动态处理，实现对环境更准确的感知行为。

s3.超声波传感器进行近距离内障碍物目标特征的获取：由于线性调频毫米波雷达对于近距离存在一定的模糊，为了使无人机在近距离具有更高的测距精度，所以在每一个毫米波雷达边上安装一个超声波雷达，进行0～10米范围的测距，毫米波雷达进行3～50m范围内的测距工作。

s4.雷达高度传感器进行无人机与地面垂直距离的测量；雷达高度传感器主要是实现灾后救援旋翼无人机对地距离的测量，使得无人机可以在楼宇或是复杂地形的地面进行平稳飞行，精准地控制无人机的飞行高度。

s5.gps/北斗定位传感器，进行实时定位，以实现无人机的定点悬停等任务；gps/北斗定位传感器可以实现灾后救援旋翼无人机进行实时定位，以实现旋翼无人机的定点悬停等任务。

s6.ahrs模块采集无人机的飞行姿态与航行信息。ahrs称为航姿参考系统，包括基于mems的三轴陀螺仪，加速度计和磁强计，输出数据为三维加速度、三维角速度和三维地磁场强度，通过这些数据能够为飞行器提供航向，横滚和侧翻信息，用来为飞行器提供准确可靠的姿态与航行信息。

s7.主控制器通过对各个传感器获得的数据进行分析，控制无人机完成避障动作。

上述方法可以有效地感知到灾后救援旋翼无人机对其飞行环境以及障碍物目标的高精度以及准确的获取，降低单一传感器存在的相关数据信息缺失以及不足等因素。控制器主要是负责各个传感器数据的采集，处理以及决策等任务。即将多个传感器获得的各自数据通过控制器进行数据采集、数据预处理、数据滤波、数据融合以及控制和决策等任务。对于数据采集、数据处理、数据滤波以及数据融合等部分，本发明并不做详细介绍，本发明主要给出灾后救援旋翼无人机避障系统的控制方法。

实施例3

本实施例是对实施例2的进一步补充说明：

具体的，步骤s7中是通过如下步骤完成避障的：

p1,首先判断无人机与障碍物的相对距离，将相对距离进行三个部分的划分:小于10m，10m到20m，20m到50m三个距离范围；

p2,距离划分完后，根据无人机与障碍物的相对速度进行危险等级的划分:

当距离小于10m，速度大于3m/s,且预警时间小于3s，则属于危险等级，速度小于3m/s时，属于警示等级；

当距离10m≤r<20m，速度大于6m/s时,处于危险等级；当速度3m/s≤v<6m/s时，处于警示等级，当速度小于3m/s时，处于提示等级；

当距离20m≤r<50m时，当速度大于16m/s时,处于危险等级；当速度6m/s≤v<16m/s时，处于警示等级，当速度3m/s≤v<6m/s时，处于提示等级，当速度小于3m/s时，处于不相关等级；

p3,根据双目视觉传感器对障碍物的形状以及大小进行辨识，区分墙、树木、人以及高压线；对于墙需要进行紧急停止，悬停后折返，反方向飞行；对于人和树木需要进行左右绕行，对于高压线可以进行上下绕行。

p4,对于危险等级，需要进行步骤p3的操作；对于警示等级，需要紧急减速后进行步骤p3的操作；对于提示等级和不相关等级，不用进行第三步骤的判断，返回重新进行检测。

通过将多传感器获得的数据进行数据处理以及数据分析，从而根据各个传感器的数据进行避障决策的选取，控制灾后救援旋翼无人机完成避障动作。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。