本发明涉及航空科学技术领域，具体涉及一种基于UWB阵列的无人机自主避障系统及其方法。
背景技术：
无人驾驶无人机简称无人机，是利用遥控方法和自备的程序控制装置操纵的不载人的无人机。为了维持机体平衡以及完成工作任务，无人机体上可安装的传感器越来越多，而随着微电子技术的发展，在小型无人机上集成高精度的传感器已经成为现实。目前，无人机能够实现的功能也越来越多，已经广泛应用于空中侦察、监视、通信、反潜、电子干扰等。
目前无人机飞行避障仍依赖于依靠操作者用遥控设备远程控制，目前所提出的避障策略多是采用激光测距模块实现，现有技术中避障系统包括信息采集模块、姿态识别模块、信息处理模块、姿态调整模块、避障执行模块，其避障方法是用信息采集模块采用激光测距阵列进行多轴无人机前进方向上立体场景的信息采集，然后将采集的信息传输至所述信息处理模块；信息处理模块接收并处理从所述姿态识别模块获取的信息，然后向姿态调整模块发送调整避障系统姿态的指令；姿态识别模块识别多轴无人机的飞行姿态信息，并将识别到的信息传输至所述信息处理模块；姿态调整模块根据所述信息处理模块发送的姿态调整指令对避障系统进行姿态调整，W使多轴无人机避障系统保持关注其飞行方向正前方的水平方向；避障执行模块接收并执行从信息处理模块发出的避障指令。
上述方法能够有效地实现前进方向上的避障，但却无法实现全方位的避障，例如在飞行区域比较狭窄时，无人机不止能受到前方障碍物的影响，两侧也会受到碰触到障碍物的威胁，故此方案只适用于宽阔场景下的避障，并不能实现全方位避障。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是现有技术中的无人机只能实现在前进方向上自主避障，并且狭窄区域飞行时，无人机容易受多方向障碍物的威胁，目的在于提供一种基于UWB阵列的无人机自主避障系统及其方法，解决现有技术中的无人机不能在狭窄场景下进行避障，以及不能实现全方位避障的问题。
本发明通过下述技术方案实现：
一种基于UWB阵列的无人机自主避障系统，包括机体，还包括采集单元、接收单元、判断单元、控制单元、执行机构，其中：
采集单元：采集机体四周障碍物与机体之间的距离数据，并将采集的距离数据传输给接收单元；
接收单元：接收采集单元传输的距离数据，并将距离数据传输给判断单元；
判断单元：接收接收单元传输的距离数据，发送判断信息到控制单元；
控制单元：接收判断单元传输的判断信息，发送航向驱动指令到执行机构；
执行机构：接收控制单元传输的航向驱动指令，控制机体的飞行方向、飞行高度和飞行姿态。
进一步的，本发明的发明人注意到随着微电子技术的发展，在无人机体上安装多个高精度小体积的器件已经不是难题，可利用运样的现有技术条件在无人机上安装多个距离传感器，从而根据多个距离传感器测量的距离数据实现实时的避障，最大限度减少机体损伤和人员伤害。所以本发明构建了包括采集单元、接收单元、判断单元、控制单元、执行机构的避障执行系统，相比现有技术的无人机避障系统只保持关注其飞行方向正前方的水平方向，采集单元采集的是机体四周障碍物与机体之间的距离数据，采集范围更广，可以对机体全方位障碍物进行探测，从而实现全方位的无人机避障。另外，相比现有技术，本发明的采集单元是利用UWB无载波通信技术进行数据采集，UWB技术利用纳秒至微微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，可用来做近距离精确定位，所以在狭窄场景下也能自主实时避障，其工作原理是发送和接收脉冲间隔严格受控的高斯单周期超短时脉冲，超短时单周期脉冲决定了信号的带宽很宽，接收机直接用一级前端交叉相关器就把脉冲序列转换成基带信号，省去了传统通信设备中的中频级，极大地降低了设备复杂性，并且UWB技术具有抗干扰性能强，传输速率高，系统容量大等优点，非常适用于本发明的无人机避障系统。
所述的采集单元包括N个UWB测距传感器阵列、N为≥6的正整数，UWB测距传感器阵列以中心对称的方式沿机体的周围均匀设置，所述中心对称点为机体的重心。进一步的，整个采集单元由若干个UWB测距传感器阵列组成，UWB测距传感器阵列在机体的周围均匀设置，UWB测距传感器阵列至少为6个，并且关于机体的重心中心对称，通过这样的分布方式可以使探测的多个距离数据更加均衡，有利于实现全方位的无人机避障，同时可以保证机体重量平衡，从而保证飞行过程中平稳飞行。
所述的采集单元包括UWB测距传感器阵列，所述UWB测距传感器阵列分别设置在机体顶部、底部、左侧、右侧、前侧、后侧方向，每个方向至少包括1个UWB测距传感器阵列。进一步的，机体顶部、底部、左侧、右侧、前侧、后侧方向为优选位置，即与水平面垂直向上、与水平面垂直向下、水平向左、水平向右、水平向前、水平向后6个方向，在无人机飞行过程中，可随时通过6个方向的UWB测距传感器阵列获取可能遇到的任何障碍物距离机体的距离数据，从而及时的做出避障动作，保证机体安全，从而实现全方位的无人机避障。
在UWB测距传感器阵列中包括M个UWB传感器、M为≥2的正整数，所述UWB传感器以测量方向轴发散的形式排列成阵列。进一步的，每个方向上的UWB传感器均以测量方向轴发散的形式排列成阵列，测量方向轴是指距离传感器测量的方向，例如在无人机上采用了UWB测距传感器阵列，在无人机的正下方安装，UWB测距传感器阵列可以根据测量方向轴的指向方向检测正下方的距离数据。测量方向轴发散的形式是指在测量一个方向时，采用多个UWB传感器时，测量方向相互不平行的发散形式，基于此种设计方法，测量方向轴可与正下方方向有夹角，通过发散的设计可保证获取较、大的测量面积，从而增大无人机的保护范围，在条件允许的情况下，安装越多的UWB传感器，其测量精度越高，避障越实时。每个UWB测距传感器阵列中至少装配2个UWB传感器，2个UWB传感器关于过重心的线对称，构造出避障系统。
在UWB测距传感器阵列还包括不同量程的测距传感器。进一步的，测距传感器包括视觉传感器、激光测距传感器、超声波传感器、雷达传感器等，例如激光测距传感器和UWB传感器结合，激光测距传感器的发射模块会以一定频率不停的向外发送激光，本领域内技术人员可以理解，当电磁波接触到障碍物时，会弹回而被UWB传感器的接收模块接收到，从而生成距离数据，本领域内技术人员可以理解根据电磁波的传播速度和传播时间可计算出无人机与障碍物之间的距离。再例如在每个方向上均装配两个视觉传感器，视觉传感器和UWB传感器结合构造出双目视觉系统，利用该双目视觉系统构造观测场景的视差图，从视差图上分离出障碍物。
一种基于UWB阵列的无人机自主避障方法，包括以下步骤：
A：将采集单元中的UWB测距传感器阵列均开启，位于机体顶部、底部、左侧、右侧、前侧、后侧的UWB测距传感器阵列均对障碍物与机体之间的距离数据进行采集，并将采集的距离数据传输给接收单元；
B：接收单元接收UWB测距传感器阵列传输的距离数据，并将距离数据传输给判断单元；
C：判断单元将接收单元传输的距离数据解算成多个距离，并将不同的距离模拟出障碍物大小和形状，同时取其中最小距离与预设距离进行比较，当该距离小于预设距离时，改变自身航向为预设航向，调整飞行高度和飞行姿态以躲避障碍物。
进一步的，步骤A中UWB测距传感器阵列分别安装在机体顶部、底部、左侧、右侧、前侧、后侧，表示为与水平面垂直向上、与水平面垂直向下、水平向左、水平向右、水平向前、水平向后6个方向，即可以表示探测垂直向上、垂直向下、东、西、南、北6个方向的障碍物，每个方向上的UWB传感器均包括多个，且以测量方向轴发散的形式排列成阵列，以获取该方向的多个距离传感数据，UWB传感器与不同量程的测距传感器一起采集障碍物距离机体的距离数据；步骤B就是一个普通的数据传送介质；步骤C主要负责将接收到的距离数据解算成距离，本领域内技术人员可以理解为当在某个方向上具有多个UWB测距传感器阵列时，多个UWB传感器可测量多个距离传感数据，从而从多个距离数据中可计算出多个距离来，在这些距离数据中选取最小距离与预设距离做出实时比较，当距离过近时，说明有撞上障碍物的危险，此时改变航向。依据所述多个距离传感数据解算出多个距离，以此模拟出障碍物大小和形状，本领域技术人员可以这样理解：UWB传感器测量方向轴以发散的形式排布成阵列，由于是以发散形式排列，其测量的范围也会加大，在单个方向上能够测量更大的范围，在测量了多个与障碍物的距离后，就可模拟出各种形状的障碍物来，为后序躲避障碍物提供保障。判断单元解算出装配在本体的测量方向轴底部，即垂直向下的UWB测距传感器阵列发送的距离传感数据成距离，根据该距离计算出飞行高度，并据此调整飞行高度；另外，所述测量方向轴垂直向下的UWB传感器包括多个，均用于测量本体与地面的距离数据，依据多个所述距离数据检测本体的俯仰角和滚转角以确定本体的姿态变化，并据此调整飞行姿态。
所述步骤C中对障碍物的确定方法如下：
C1：利用每个方向上均装配的两个UWB传感器构造出避障系统，利用该避障系统构造观测场景的反射图；
C2：将反射图上所有反射点的值归一化到0～255范围内；
C3：遍历反射图，统计每个反射值出现的次数；
C4：当在预设范围内的反射点总个数超过预设阔值时则确定为障碍物。
进一步的，步骤C1为构造模块：在每个方向的UWB测距传感器阵列中均装配两个UWB传感器构造出避障系统，即两个UWB传感器关于机体重心成中心对称的某一线成轴对称，利用该避障系统构造观测场景的反射图；C2为归一模块，C3为遍历模块，C4为确定模块，根据以上所述的C2、C3、C4所述的阵列测量算法从反射图上分离出障碍物，根据以上所述方式实现了对障碍物的探测。
步骤C中所述的预设航向至少包括机体顶部方向、底部方向、左侧方向、右侧方向、前侧方向、后侧方向。进一步的，机体顶部、底部、左侧、右侧、前侧、后侧6个方向分别指垂直向上、垂直向下、东、西、南、北6个方向，在预设航向中有一个初始操控方向，例如操作者控制无人机向正北方向飞行，运根据预先设置，可在遇到障碍物时，绕过障碍物继续向北飞行。
步骤C中预设航向的确定方法包括以下步骤：
C5：当改变自身航向为第一预设航向后，检测到与该预设航向前方的障碍物的距离小于预设距离时，改变自身航向为第二预设航向；
C6：当改变自身航向为第二预设航向飞行时，仍检测到与该预设航向前方的障碍物的距离小于预设距离时，改变自身航向为第三预设航向；
C7：依次类推，直到检测不到与任意一个方向的障碍物的距离小于预设距离，升高预设高度后保持初始操控方向继续飞行。
进一步的，根据以上方式实现了对航向改变的方法，即解算多个所述距离传感数据成多个距离，取其中最小距离与预设距离进行比较，其比较结果作为改变自身航向为预设航向的依据，最终与调整飞行高度和飞行姿态一起配合实现避障目的。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、本发明一种基于UWB阵列的无人机自主避障系统及其方法，包括机体，在机体上设置有采集单元、接收单元、判断单元、控制单元、执行机构，其中采集单元采集的是机体四周障碍物与机体之间的距离数据，采集范围更广，可以对机体全方位障碍物进行探测，从而实现全方位的无人机避障，此外，采集单元是利用UWB无载波通信技术进行数据采集，UWB技术利用纳秒至微微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，可用来做近距离精确定位，能够实现狭窄场景下的自主实时避障；
2、本发明一种基于UWB阵列的无人机自主避障系统及其方法，在离线状态下，利用在无人机多个方向上装配的多个UWB传感器采集多个方向的距离数据，解算距离数据成距离并用于判断是否改变航向的基准，以上所述的避障方法具有可靠、实时、准确，能够有效防止机体损伤，也能够保证飞行过程中不破坏其他物品等优点，能够实现全方位避障的目的；
3、本发明一种基于UWB阵列的无人机自主避障系统及其方法，UWB测距传感器阵列以中心对称的方式沿机体的周围均匀设置，所述中心对称点为机体的重心，通过这样的分布方式可以使探测的多个距离数据更加均衡，有利于实现全方位的无人机避障，同时可以保证机体重量平衡，从而保证飞行过程中平稳飞行；
4、本发明一种基于UWB阵列的无人机自主避障系统及其方法，每个方向上的UWB传感器均以测量方向轴发散的形式排列成阵列，通过发散的设计可保证获取较、大的测量面积，从而增大无人机的保护范围。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
如图1所示，本发明一种基于UWB阵列的无人机自主避障系统，包括机体，还包括采集单元、接收单元、判断单元、控制单元、执行机构，所述的采集单元包括UWB测距传感器阵列，所述UWB测距传感器阵列分别设置在机体顶部、底部、左侧、右侧、前侧、后侧方向，每个方向设置有4个UWB测距传感器阵列，在UWB测距传感器阵列中包括2个UWB传感器，所述UWB传感器以测量方向轴发散的形式排列成阵列；在UWB测距传感器阵列还包括不同量程的测距传感器。其中：采集单元：采集机体四周障碍物与机体之间的距离数据，并将采集的距离数据传输给接收单元；接收单元：接收采集单元传输的距离数据，并将距离数据传输给判断单元；判断单元：接收接收单元传输的距离数据，发送判断信息到控制单元；控制单元：接收判断单元传输的判断信息，发送航向驱动指令到执行机构；执行机构：接收控制单元传输的航向驱动指令，控制机体的飞行方向、飞行高度和飞行姿态。
本发明中的测距传感器还包括惯性传感器、磁强计、超声波传感器、激光测距传感器、视觉传感器等，用于生成各种传感器数据从而生成用于表征无人机飞行过程中的姿态信息、高度数据、航向数据、图像数据、距离数据等，从而反映无人机飞行中的各项参数，便于无人机做自身的调整。当无人机受到刮风影响时，利用惯性传感器可检测出无人机的姿态数据发生变化，无人机获取姿态数据后调整自身姿态以保证按照操控指令飞行；又如当用户想通过图像控制无人机飞行时，可采用视觉传感器获取动态图像，继而从动态图像的每一帖图片中识别人的手势，从而根据人的手势与预存模板库的匹配结果判断将要完成的操作指令。以上所述的执行机构为无人机现有的避障设备，如陀螺仪、驱动机等；接收单元为无线通信设备，是采集单元和判断单元之间的数据通道，判断单元为中央处理器，控制单元为微控制器。本发明还包括显示模块、存储模块、通信接口，显示模块用于显示程序执行的结果，存储模块用于存储支持收发装置执行上述无人机自主避障方法的程序，通信接口用于上述无人机自主避障装置与其他设备或通信网络通信，当控制单元控制无人机时，需要设置无人机与控制单元的控制频率，以保证有效控制无人机飞行。
实施例2
在实施例1的基础上一种基于UWB阵列的无人机自主避障方法，包括以下步骤：
A：将采集单元中的UWB测距传感器阵列均开启，位于机体顶部、底部、左侧、右侧、前侧、后侧的UWB测距传感器阵列均对障碍物与机体之间的距离数据进行采集，并将采集的距离数据传输给接收单元；
B：接收单元接收UWB测距传感器阵列传输的距离数据，并将距离数据传输给判断单元；
C：判断单元将接收单元传输的距离数据解算成多个距离，并将不同的距离模拟出障碍物大小和形状，同时取其中最小距离与预设距离进行比较，当该距离小于预设距离时，改变自身航向为预设航向，调整飞行高度和飞行姿态以躲避障碍物。
所述步骤C中对障碍物的确定方法如下：
C1：利用每个方向上均装配的两个UWB传感器构造出避障系统，利用该避障系统构造观测场景的反射图；
C2：将反射图上所有反射点的值归一化到0～255范围内；
C3：遍历反射图，统计每个反射值出现的次数；
C4：当在预设范围内的反射点总个数超过预设阔值时则确定为障碍物。
步骤C中所述的预设航向至少包括机体顶部方向、底部方向、左侧方向、右侧方向、前侧方向、后侧方向。
步骤C中预设航向的确定方法包括以下步骤：
C5：当改变自身航向为第一预设航向后，检测到与该预设航向前方的障碍物的距离小于预设距离时，改变自身航向为第二预设航向；
C6：当改变自身航向为第二预设航向飞行时，仍检测到与该预设航向前方的障碍物的距离小于预设距离时，改变自身航向为第三预设航向；
C7：依次类推，直到检测不到与任意一个方向的障碍物的距离小于预设距离，升高预设高度后保持初始操控方向继续飞行。
当无人机飞行过程中某个方向遇到障碍物时，可利用多个方向的UWB测距传感器阵列检测出与障碍物的距离，从而迅速做出避障动作，从而保证机身不损伤，而且当无人机有了避障措施后，能够单独执行空间检测等任务；步骤C中预设航向的确定过程如下：在向东方向的4个UWB传感器和激光距离传感器分别测出1.0m、1.2m、1.2m、1.1m，而预设距离是1m，此时装配在东方向的4个UWB传感器和激光测距传感器中的其中一个已经测出和预设距离相等的距离，此时需要改变航向，以保证机体不损伤，最大限度保护机体。
步骤C模拟出障碍物大小和形状过程如下：无人机的右侧方向安装了8个UWB传感器，通过测量发现根据UWB传感器算出的多个距离数据是线性变化的，从而判断该方向前方的障碍物很可能是平面，再根据单个激光测距传感器发射在障碍物上的A、B、C、D四个点的空间相对位置求取出平面公式，从而确定障碍物的一侧为平整的形状，且根据是否能够接收到UWB传感器返回的数据确定障碍物的边缘；除了本实施例中表征的平整的障碍物外，其他不规则的障碍物如树木、悬崖、隧道等，可根据建立数学模型等方法对障碍物的形状和大小进行模拟，本发明对完成测量障碍物形状和大小的算法不做限制。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。