一种通用的无人机多传感器融合避障控制系统的制作方法

本实用新型涉及一种通用的无人机多传感器融合避障控制系统，属于无人机融合避障技术领域。

背景技术：

近年来，随着国内外无人机开源社区的不断发展及无人机资本市场的大力推动，全球范围内催生了一大批无人机厂商的诞生。各类无人机广泛用于地质侦察、森林防火、资源勘测、影视航拍、电力巡线、大型集群表演、3D建模等场景，与此同时，无人机的使用群体由专业航模爱好者扩展到普通业余爱好者，这使得消费群体对无人机飞行平台的要求也在不断提高，逐渐从稳定飞行到复杂地形下的智能飞行转变。在使用无人机的过程中会出现一系列的安全问题，如无人机与航路上障碍物相碰撞而导致的无人机平台及机载设备的损毁以及对公共生命财产安全的威胁。

然而，虽然当前市场上已有成熟开源飞行控制系统如APM、Pixhawk的大力普及，但真正工程实现所需专业技术门槛过高，普通无人机爱好者很难进行二次开发和使用，即使有专业研发团队进行技术支持后可以实现避障，但随着软件升级的需要而进行代码维护的成本较高，很难推广使用。同时，大多数商业飞控都不开源，不支持通过修改源码以及外加传感器来实现避障功能，即使个别厂家如DJI开发出支持二次开发的Guidance视觉避障系统，依然存在代价昂贵，调试复杂，控制接口少的问题。因此，对于大部分普通无人机爱好者来说，急需一套成本低廉、调试简单、控制精准且能在不同飞行平台进行通用化的无人机立体视觉避障功能的模块。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是：提供一种通用的无人机多传感器融合避障控制系统，实现无人机实时动态监测周围障碍物信息并自主实现躲避。

本实用新型为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种通用的无人机多传感器融合避障控制系统，所述无人机包括机载飞行控制系统、遥控信号接收机，该系统还包括超声波测距传感器、双目测距传感器、机载视觉处理器、融合避障处理器；

所述双目测距传感器的输出端与机载视觉处理器的输入端相连，机载视觉处理的输出端、超声波测距传感器的输出端、遥控信号接收机的输出端分别与融合避障处理器的输入端相连，融合避障处理器的输出端与机载飞行控制系统的输入端相连。

作为本实用新型的一种优选方案，所述遥控信号接收机、超声波测距传感器、机载视觉处理器均通过UART与融合避障处理器连接，融合避障处理器通过UART与机载飞行控制系统连接。

作为本实用新型的一种优选方案，所述双目测距传感器采用USB2.0总线传输协议的可变基线结构，且初始基线距为63mm。

作为本实用新型的一种优选方案，所述融合避障处理器采用STM32F407型号的芯片。

作为本实用新型的一种优选方案，所述超声波测距传感器采用双筒收发式结构，型号为HC-SR04。

作为本实用新型的一种优选方案，所述遥控信号接收机输出的信号为S.BUS/PPM信号。

本实用新型采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、本实用新型中遥控信号接收机、机载视觉处理器、超声波测距传感器分别与融合避障处理器相连，将障碍物警告信息和控制信号直接接入系统避障反馈回路，实现模拟人眼在回路的闭环位置控制，最终实现多旋翼无人机在任意室外场景的自动感知与规避。

2、本实用新型提供一套简单可行的无人机多传感融合避障系统，安装和使用都无需更改现有飞行控制系统架构和参数，可以有效避免繁杂的避障系统与各类飞行控制系统产品的适配，同时实现无人机与障碍物的碰撞检测与实时规避，具有较高的普遍性，适合推广安装在各类无人机上，结构简单，制造加工成本低。

附图说明

图1是本实用新型通用的无人机多传感器融合避障控制系统的整体结构图。

图2是本实用新型通用的无人机多传感器融合避障控制系统的工作过程图。

图3是本实用新型实施例的立体示意图。

其中，1-动力系统，2-超声波测距传感器，3-双目测距传感器，4-融合避障处理器，5-机载视觉处理器，6-机载飞行控制系统，7-遥控信号接收机。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能解释为对本实用新型的限制。

如图1所示，一种通用的无人机多传感器融合避障控制系统，由双目测距传感器3、超声波测距传感器2、机载视觉处理器5、融合避障处理器4组成；无人机包括机载飞行控制系统6、遥控信号接收机7和动力系统1。其连接结构为：双目测距传感器连接机载视觉处理器，超声波测距传感器、机载视觉处理器、遥控信号接收机分别连接融合避障处理器，融合避障控制器还与机载飞行控制系统相连。如图3所示，为本实用新型实施例的示意图。

超声波测距传感器实时测量无人机前方障碍物的距离信息并传送至融合避障处理器；双目测距传感器实时获取无人机前方障碍物的图像信息并传送至机载视觉处理器，机载视觉处理器根据图像信息计算障碍物的深度信息同时传送至融合避障处理器；融合避障处理器对距离信息和深度信息进行滤波融合，得到无人机距前方障碍物的距离，根据该距离计算障碍物的威胁因子，并根据预先设定的阈值判断障碍物是否存在威胁；当威胁因子小于预先设定的阈值时，判断障碍物无威胁，融合避障处理器将遥控信号接收机接收到的地面遥控信号直接传送至机载飞行控制系统，由地面遥控信号控制无人机的飞行；当威胁因子大于等于预先设定的阈值时，融合避障处理器解算避障模式通道信号，并用避障模式通道信号替换遥控信号接收机接收到的地面遥控信号中的飞行模式通道信号，由避障模式通道信号控制无人机进行避障。

本实用新型提供一种通用的无人机避障模块，安装在遥控信号接收机与无人机的机载飞行控制系统中间，通过双目测距传感器和机载视觉处理器实时探测并判断无人机前进方向上是否存在障碍物：如果未探测到障碍物或探测到的障碍物较远不对飞行安全构成威胁，融合避障处理器会将解码后的遥控信号直接传送给无人机飞行控制系统，这时无人机直接由地面站人员指令操控或遥控操纵。如果在前进方向探测到的障碍物较近并判断已经对飞行安全构成威胁，融合避障处理器会自动切断遥控信号接收机与飞行控制系统之间的通路，改由遥控信号接收机信号叠加融合避障处理器的避障指令信号，经融合避障处理器处理后输出至无人机飞行控制系统，同时融合避障处理器会自动根据当前无人机与障碍物相对距离进行避障决策，然后下发规划后的飞行模式指令至飞行控制系统完成避障。当完成避障并判断前进方向不存在撞机危险后，融合避障处理器重新交还遥控器控制权，将无人机遥控信号与飞行控制系统之间的控制通路直接相连，航路恢复。

本实用新型工作过程如图2所示：

步骤1：无人机航路飞行过程中，双目测距传感器和超声波测距传感器会实时检测前方障碍物的距离及相对于当前机体航向的方位角，融合避障处理器通过先进滤波算法修正解算实际障碍物与无人机距离；

步骤2：融合避障处理器会计算当前机体前方最近障碍物的威胁因子，即融合后的障碍物距离与设定最低安全距离之差是否大于零，如果不满足，触发避障告警信息，转步骤3，如满足，转步骤6；

步骤3：融合避障处理器会修改遥控信号接收机与机载飞行控制系统之间的通路，通过判断障碍物的位置信息来进行响应接收机模式信号的切换，从而获得无人机的控制权，并转入步骤4；

步骤4：当飞机与障碍物距离已经达到安全距离时，触发威胁，融合避障处理器会实时规划飞行路径，并控制无人机按规划路径飞行，下面转入步骤5；

步骤5：当完成绕飞障碍物后，融合避障处理器自动切换无人机自驾航路模式，无人机通过机载航线规划自动导引回到之前执飞航线上，并将控制权交还给用户，至此避障告警解除，避障完成，转步骤6；

步骤6：用户通过地面站或遥控器继续控制无人机飞行，回到步骤1。

本实用新型通过双目-超声波测距传感器实时测量飞行前进方向上的全局最近障碍物与无人机之间的相对距离，并将数据传输给融合避障处理器对数据进行融合处理。融合避障处理器会判断经过处理后的障碍物相对距离和方位是否会对无人机的飞行安全构成威胁。如果判断未对飞行安全构成威胁，融合避障处理器将屏蔽避障叠加控制量，并将遥控信号接收机发送来的信号直接发送给飞行控制系统；如果融合避障处理器发现前方障碍物会对无人机的飞行安全构成巨大威胁，则会立即将距离解算后的控制量叠加到遥控信号的输入中，通过控制模式通道来切换至刹车模式保持悬停，并实时根据障碍方位信息规划绕飞方向，从而获得无人机的控制权；直到按照预先规划的绕飞航路绕开障碍物且无新的障碍威胁后，融合避障处理器自动屏蔽距离转化的模式控制量，实现遥控信号接收机与飞行控制系统之间的直连，将无人机的控制权交还给使用者。

以上实施例仅为说明本实用新型的技术思想，不能以此限定本实用新型的保护范围，凡是按照本实用新型提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本实用新型保护范围之内。