固定翼无人机避障系统及其避障方法以及固定翼无人机与流程

本发明属于雷达及自动控制技术领域，具体涉及一种固定翼无人机避障系统及其避障方法以及固定翼无人机。

背景技术：

固定翼无人机是一种具有高航速，长航距，大载重的飞行器。鉴于其具有很多四轴无人机所不具备的优良性能，固定翼无人机在地矿勘探、电网巡检、地形测绘等诸多方面得到了广泛应用。考虑到固定翼无人机所工作环境大多地形复杂，需要进行障碍物规避以防止坠机造成重大损失。然而由于固定翼无人机航速高、转向慢，其机动性较低，不具备空中悬停或小范围急转向等功能。因此需要设计一种固定翼无人机自动避障系统。

无人机行业的主流避障系统都是针对小型四轴飞行器设计的。因为四轴飞行器的航速低、航距短、机动性强，所以采用的大多为基于超声波、红外线、激光雷达和图像识别作为传感器的避障系统。这些小型无人机通过搭载上述传感器来探测航线前方障碍物并实现对障碍物的躲避。然而由于基于以上传感器避障系统的探测距离十分有限，只有距障碍物5到10米才能发现障碍物并进行躲避。而激光雷达工作时受天气和大气影响大。在大雨、浓烟、浓雾等坏天气里，传播距离大受影响，同时影响激光雷达的测量精度。其次，由于激光雷达的波束极窄,无法探测前方较大区域的航线周边环境。这对于具有高航速、低机动性的固定翼无人机是完全无法使用的。因此目前适合固定翼无人机使用的避障系统，还没有行之有效的解决方案。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明提供了一种固定翼无人机避障系统及其避障方法以及固定翼无人机，以解决现有技术中避障系统探测距离短，避障时间短，探测角度小，易受时间、环境、气候影响以及价格昂贵的技术问题。

第一方面，本发明提供一种固定翼无人机避障系统，包括无人机飞行控制模块和毫米波雷达模块，其中：

所述毫米波雷达模块，设置于所述固定翼无人机上，用于持续的发射接收毫米波波束或固定间隔时间的发射接收毫米波波束，探测所述固定翼无人机的前方航线环境，并将探测结果信号传输至所述无人机飞行控制模块；

所述无人机飞行控制模块，用于根据所述探测结果信号控制所述固定翼无人机进行飞行和避障。

进一步的，所述毫米波雷达模块发射接收毫米波波束的方向为一个所述固定翼无人机前方的设定角度范围，所述设定的角度范围大于所述固定翼无人机的最大避让范围。

进一步的，所述无人机飞行控制模块包括飞行姿态调节单元和避障规划单元；

所述飞行姿态调节单元根据所述探测结果信号调节所述固定翼无人机的飞行姿态；

所述避障规划单元根据所述探测结果信号调整所述固定翼无人机的飞行模式和航线规划。

进一步的，所述固定翼无人机的飞行模式包括自驾模式和避障模式，其中：所述自驾模式为所述无人机飞行控制模块控制所述固定翼无人机保持原规划航线飞行的飞行模式；

所述避障模式为所述无人机飞行控制模块依据所述探测结果控制所述固定翼无人机来重新选择安全路线避开障碍物的飞行模式。

可选的，固定翼无人机避障系统还包括远程控制装置和/或gps模块，所述远程控制装置用于远程控制并实时监控所述固定翼无人机，所述gps模块用于定位引导所述固定翼无人机返回原有航线。

另一方面，本发明还提供一种固定翼无人机避障系统的避障方法，包括以下步骤：

毫米波雷达模块持续的发射接收毫米波波束或固定间隔时间的发射机收毫米波波束，探测所述固定翼无人机的前方航线环境，并将探测结果信号传输至所述无人机飞行控制模块；

所述无人机飞行控制模块根据所述探测结果信号控制所述固定翼无人机进行飞行和避障。

进一步的，所述无人机飞行控制模块根据所述探测结果信号控制所述固定翼无人机进行飞行和避障，包括：

当所述探测结果信号为前方无障碍物，则所述固定翼无人机的飞行模式继续为自驾模式，保持原规划航线继续飞行；

当所述探测结果信号为前方有障碍物，则所述无人机飞行控制模块控制所述固定翼无人机的飞行模式为避障模式，避开障碍物并返回原规划航线飞行。

可选的，所述避开障碍物并返回原规划航线飞行包括：

当所述障碍物范围不超出所述固定翼无人机的最大避让范围，则所述无人机飞行控制模块控制所述固定翼无人机执行转向指令调整航向绕过障碍物返回原航线飞行；

当所述障碍物范围超出所述固定翼无人机的最大避让范围，所述无人机飞行控制模块控制所述固定翼无人机执行上升盘旋指令直至障碍物范围不超出所述固定翼无人机的最大避让范围，所述无人机飞行控制模块控制所述固定翼无人机执行转向指令调整航向绕过障碍物返回原航线飞行。

进一步的，所述固定翼无人机的最大避让范围的计算方法是：在所述固定翼无人机的最大爬升角、最大俯冲角和向左右转弯的最大角度相等的情况下，所述固定翼无人机的最大避让范围为一个圆形区域；

所述圆形区域的半径为：

所述圆形区域的圆心偏离距离为：

所述圆心偏离的方向是所述固定翼无人机航线上的风向；

其中，

m为毫米波雷达最大探测距离；v4为固定翼无人机的毛速度；θ为固定翼无人机的最大爬升角、最大俯冲角和向左右转弯的最大角度；v2'为风速的水平分量；v2″为风速的垂直分量。

再一方面，本发明还提供一种固定翼无人机，应用前述的固定翼无人机避障系统和/或采用前述的避障方法。

本发明的有益效果在于：该固定翼无人机避障系统将毫米波雷达模块设置于所述固定翼无人机上，用于持续的发射接收毫米波波束或固定间隔时间的发射接收毫米波波束，探测所述固定翼无人机的前方航线环境，并将探测结果信号传输至无人机飞行控制模块；然后无人机飞行控制模块根据探测结果信号控制固定翼无人机进行飞行和避障。由于在固定翼无人机避障系统中采用了毫米波雷达模块，可以有效的探测距离，提前对障碍物进行预警并具有充足时间对障碍物进行躲避；可以探测较大的前方空域，探测效率高，同时整个系统的成本较低。

附图说明

图1是本发明的硬件结构示意图；

图2是本发明的控制框图；

图3是本发明所使用的毫米波雷达结构框图；

图4是三角波调制信号的频率随时间变化规律；

图5是当固定翼无人机的爬升角、俯冲角、左右转向角近似时近似圆的避让范围数学模型；

图6是固定翼无人机在最大爬升角时的速度分解坐标图；

图7是固定翼无人机在航线有风情况下的最大避让范围示意图；

图8是雷达探测得到前方障碍物的具体分布情况示意图；

图9是固定翼无人机避障时的速度在垂直平面分解图；

图10是固定翼无人机避障后的速度在垂直平面分解图；

图11是固定翼无人机避障模式的流程控制图。

具体实施方式

本发明提供了一种固定翼无人机避障系统及其避障方法以及固定翼无人机，已解决现有技术中探测距离短，避障时间短，探测角度小，易受时间、环境、气候影响以及价格昂贵的技术问题。

本申请实施例中的技术方案为解决上述结束问题，总体思路如下：

提供一种固定翼无人机避障系统，包括无人机飞行控制模块和毫米波雷达模块，其中：所述毫米波雷达模块，设置于所述固定翼无人机上，用于持续的发射接收毫米波波束或固定间隔时间的发射接收毫米波波束，探测所述固定翼无人机的前方航线环境，并将探测结果信号传输至所述无人机飞行控制模块；所述无人机飞行控制模块，用于根据所述探测结果信号控制所述固定翼无人机进行飞行和避障。通过在固定翼无人机避障系统中采用毫米波雷达模块，基于毫米波雷达的优点，可以有效的探测距离，达到120m以上，可以提前对障碍物进行预警并具有充足时间对障碍物进行躲避，毫米波雷达的波束角为30度左右，可以探测较大的前方空域，探测效率高，可以在雨雪、沙尘、雾霾、多云等天气环境下以及黑夜条件下有效工作，同时整个系统的成本较低。

为了更好的理解上述技术方案，下面通过附图以及具体实施例对本发明的技术方案做详细的说明，应当理解本发明实施例以及实施例中的具体特征是对本发明技术方案的详细的说明，而不是对本发明技术方案的限定，在不冲突的情况下，本发明实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。

第一方面，本发明实施例提供了一种固定翼无人机避障系统，其硬件结构参考附图1，包括：

毫米波雷达模块，设置于所述固定翼无人机上，用于持续的或固定间隔时间的发射接收毫米波波束，探测所述固定翼无人机的前方航线环境，并将探测结果信号传输至所述无人机飞行控制模块；

在实际应用中，所述毫米波雷达模块搭载在固定翼无人机的具体部位，如机翼、机身中部、尾翼，装载雷达的个数，毫米波雷达扫描的方式等等，在保证扫描区域的精确性和实时性的条件下，可以根据实际情况做出调整，不必严格拘泥于本方案的界定。

所述无人机飞行控制模块根据所述探测结果信号控制所述固定翼无人机进行飞行和避障；

上述部件均安装在固定翼无人机上，所述固定翼无人机还包括一些必要部件，这些必要部件可以是舵机、机体和发动机等等，飞行控制模块通过对上述部件的控制可以实现对固定翼无人机进行飞行姿态和飞行航线的控制和调整；

另外，本申请的避障系统还包括远程控制装置，实际应用中一般是地面基站，也可以是手持遥控装置，可以对固定翼无人机发出飞行指令，并对其进行实时监控。

可选的，固定翼无人机上还包括gps模块，应用无人机的定位和导航。

整个避障系统的控制参考附图2，首先由毫米波雷达模块发射并接收波束对前方环境进行探测，而后将前方环境通过串口传递至无人机飞行控制模块，如果无人机飞行控制模块判断前方无障碍物，则固定翼无人机的飞行模式为自驾模式，即通过一系列算法控制舵机来调整姿态并确保无人机沿航线行驶；如果判断前方有障碍物，则固定翼无人机的飞行模式切换至避障模式，由无人机飞行控制模块控制舵机进行规避。全程则由远程控制装置(地面基站)对固定翼无人机的飞行进行飞行指令下达及实时监控。

毫米波雷达模块工作时发射机产生连续的高频等幅波，其频率是相对于时间按三角波变化。压控振荡器在调制信号的作用下产生发射信号，发射信号的一部分由天线向外发射出去，一部分作为混频器的本振信号，而发射出去的信号在遇到目标物体发射回来由天线接受形成回波信号。系统将接受到的回波信号和本振信号在混频器内混频。由于回波和发射信号相比频率产生变化，因此混频后的信号出现差额电压。该目标距离信息就包含在混频后的信号内，之后对该差频信号进行放大、限幅测频，得出其相关的距离信息，这就是毫米波雷达测距的基本原理。

基于调频三角波调制的毫米波雷达的工作框图如附图3所示，该系统包括天线、射频前段、中频放大滤波、数据处理模块。中射频前段由调制器、压控震荡器、定向耦合器、环流器以及混频器构成。系统首先由模拟电路产生三角波，通过天线发射出去。回波信号由天线接受作为混频器的一个输入信号，而另一个则由定向耦合器提供。天线接受的回波信号振幅较小，但是定向耦合器提供的信号会大很多。系统中本振和回波信号经过混频器完成混频和检波后得出差频信号。

毫米波雷达的工作原理是发射一个调制信号为三角波的电磁波，周期内频率是连续变化，利用回波与与发射信号的频差来获得探测目标距离，同时获得目标的距离与速度信息。三角波调制信号的频率随时间变化规律如图4所示:

δf是扫频带宽，t是调制三角波第周期，τ是发射信号与回波信号的时延，fd发射信号与回波信号的差频。我们可以看到发射信号与回波信号频率变化是一样的，只是在时间上有一个时延。与目标距离r的关系为

r为目标距离，c为电磁波传播速度，根据三角形相似原理得：

目标距离r为：

δf和t一定，只要测得差频fd，就可以测得r。

本实施例采用的毫米波雷达的具体工作参数如下表1：

表1毫米波雷达参数

由于在飞行过程中，固定翼无人机的机头指向在不接受飞控指令的情况下，机头的指向是不变的，因此当需要探测固定翼无人机飞行前方障碍物的整体大小的时候，需要毫米波雷达发射和接收毫米波波束的方向是可调的，在实际设计中，米波雷达模块发射接收毫米波波束的方向为一个所述固定翼无人机前方的设定角度范围，所述设定的角度范围大于所述固定翼无人机飞行中能躲避障碍物的最大角度范围。

所述固定翼无人机飞行中能躲避障碍物的最大角度范围也就是固定翼无人机的机体最大转向角，该角度由无人机机型决定，设定无人机的爬升角、俯冲角、左右转向角近似，所以我们在此建立一近似圆的避让范围数学模型；则，在某一时刻，一定时间内固定翼无人机的可避让空间范围为一圆锥，如附图5所示，在简化的无风条件下，由于雷达最大探测距离为120m，故当探测到前方障碍物时，飞机可避让范围在与障碍物同一竖直面上为一以原航向投影点o为圆心，以r＝120·tanθ为半径的近似圆形区域为所述固定翼无人机飞行中能躲避障碍物的最大角度范围。

在有风条件下，我们将风速v2分解为：

(1)与原航向同一方向的分量v2'；

(2)与原航向垂直方向的分量v2″；

基于b系对机体速度做出分解：

设机体在最大爬升角时，速度为v4，则如附图6所示，此时，

水平方向毛速度为:v4·cosθ

水平方向净速度为v4·cosθ-v2'

垂直方向速度为v4·sinθ.

参考附图7：

1)原先避障圆形区域的半径变为

得到当前风速下躲避区域的圆形半径；

2)原先避障区域的圆心偏移距离产生为

此为当前风速的垂直方向分量对无人机的偏离作用距离，方向与风向一致。当前风速下躲避区域的圆形半径和当前风速的垂直方向分量对无人机的偏离作用距离最终得到的圆形区域即为固定翼无人机在有风的情况下的最大避让范围。

上述算法基于固定翼无人机飞行过程中最大爬升角、最大俯冲角和向左右转弯的最大角度近似相等，建立了飞机可以安全避障的圆形区域的模型，若固定翼无人机的最大爬升角、最大俯冲角和左右转弯的角度差距比较大，也可以建立其他形状的安全避障区域的模型，如近似为椭圆，或者利用建模方法将避障区域模型精确地表示出来。

在本实施例中，所述无人机飞行控制模块包括飞行姿态调节单元和避障规划单元；

所述飞行姿态调节单元根据所述探测结果信号调节所述固定翼无人机的飞行姿态；

所述避障规划单元根据所述探测结果信号调整所述固定翼无人机的飞行模式和航线规划，固定翼无人机的飞行模式包括自驾模式和避障模式；

所述自驾模式为所述无人机飞行控制模块控制所述固定翼无人机保持原规划航线飞行；所述避障模式为所述无人机飞行控制模块依据所述探测结果控制所述固定翼无人机来重新选择安全路线避开障碍物。

在具体设计中，飞行姿态调节单元将加速度传感器和磁场传感器采集到的数据传递至基于stm32的飞行控制模块中进行互补滤波，通过利用四元数算法实现对无人机在空中飞行姿态的实时读取。同时飞行控制模块对固定翼无人机上的舵机及无刷直流电机进行调控，从而实现无人机的姿态稳定及航向控制。

避障规划单元通过毫米波雷达模块不断发射接收雷达波束，对航向前方进行环境探测。通过对毫米波雷达模块收到波束的判断决定固定翼无人机所处飞行模式。若无波束返回，则固定翼无人机继续处于自驾模式，若检测到波束返回，则固定翼无人机切换至避障模式。在避障模式下，通过毫米波雷达模块对前方环境的探测来重新选择安全路线对障碍物进行躲避。

另一方面，基于上述固定翼无人机避障系统的固定翼无人机的避障方法，包括以下步骤：

毫米波雷达模块持续的发射接收毫米波波束或固定间隔时间的发射机收毫米波波束，探测所述固定翼无人机的前方航线环境，并将探测结果信号传输至所述无人机飞行控制模块；

所述无人机飞行控制模块根据所述探测结果信号控制所述固定翼无人机进行飞行和避障。

其中，所述无人机飞行控制模块根据所述探测结果信号控制所述固定翼无人机进行飞行和避障，包括：

当所述探测结果信号为前方无障碍物，则所述固定翼无人机的飞行模式继续为自驾模式，保持原规划航线继续飞行；

当所述探测结果信号为前方有障碍物，则所述无人机飞行控制模块控制所述固定翼无人机的飞行模式为避障模式，避开障碍物并返回原规划航线飞行。

其中，所述避开障碍物并返回原规划航线飞行包括：

当所述障碍物范围不超出所述固定翼无人机的最大避让范围，则所述无人机飞行控制模块控制所述固定翼无人机执行转向指令调整航向绕过障碍物返回原航线飞行；

当所述障碍物范围超出所述固定翼无人机的最大避让范围，所述无人机飞行控制模块控制所述固定翼无人机执行上升盘旋指令直至障碍物范围不超出所述固定翼无人机的最大避让范围，所述无人机飞行控制模块控制所述固定翼无人机执行转向指令调整航向绕过障碍物返回原航线飞行。

在实际应用中，具体的避障方法，请参考附图11，包括以下步骤：

s1：固定翼无人机在巡航状态下处于自驾模式，毫米波雷达模块持续的或固定间隔时间的向所述固定翼无人机前方发射毫米波波束，同时所述毫米波雷达模块接收毫米波返回波束信号；

s2：当所述毫米波雷达模块没有接收到毫米波返回波束信号，则无人机飞行控制模块判断所述固定翼无人机前方无障碍物，所述无人机飞行控制模块控制固定翼无人机的飞行模式继续为自驾模式，返回s1；

当所述毫米波雷达模块接收到毫米波返回波束信号，则无人机飞行控制模块判断所述固定翼无人机前方有障碍物并计算出障碍物与所述固定翼无人机之间的距离，所述无人机飞行控制模块控制固定翼无人机的飞行模式为避障模式进行避障；

s3：当所述无人机飞行控制模块控制固定翼无人机的飞行模式为避障模式，所述毫米波雷达模块改变发射的毫米波波束的方向，向所述固定翼无人机飞行中能躲避障碍物的最大角度范围内发射毫米波波束，同时所述毫米波雷达模块接收毫米波返回波束信号；

s4：当s3中所述毫米波雷达模块没有接收到毫米波返回波束信号，则无人机飞行控制模块判断s3中所述毫米波雷达发射的毫米波波束的方向为安全航行方向，所述无人机飞行控制模块控制所述固定翼无人机执行转向指令调整航向为所述安全航行方向；

当s3中所述毫米波雷达模块在任意所述毫米波雷达发射的毫米波波束的方向接均收到毫米波返回波束信号，则所述无人机飞行控制模块判断所述固定翼无人机当前航向前障碍物大于无人机闪避能力，所述无人机飞行控制模块控制所述固定翼无人机执行上升盘旋指令，所述固定翼无人机盘旋一周后继续执行s3直至所述固定翼无人机避开障碍物；

s5:所述固定翼无人机返回原有航线，避障结束，继续进入s1，固定翼无人机在巡航状态下处于自驾模式。

在步骤s1中，毫米波雷达一般采用持续的向所述固定翼无人机前方发射毫米波波束，采用该方法的好处是在固定翼无人机速度快、航线地形复杂情况下不会漏掉任何可能出现的障碍，但是这种模式下，雷达比较耗电，对于飞行速度较慢且航线环境简单情况下的固定翼无人机，可以采用毫米波雷达模块固定间隔时间的向所述固定翼无人机前方发射毫米波波束的模式，只要保持固定间隔时间小于所述毫米波雷达模块有效探测距离与所述固定翼无人机的最大速度的比值，既可保证障碍物的准确探测。

在步骤s2中，无人机飞行控制模块计算出障碍物与所述固定翼无人机之间的距离采用的方法可以采用本文前述的公式得到：

在步骤s3中，毫米波雷达模块改变发射的毫米波波束的方向，此时毫米波波束的方向应当根据固定翼无人机的具体型号决定，例如在固定翼无人机的爬升角、俯冲角、左右转向角近似的情况下，毫米波波束的方向应当是图5所示的圆形范围。在固定翼无人机的爬升角、俯冲角、左右转向角不同的情况下，毫米波波束的方向应当是一个椭圆形或者近似椭圆形范围。

同时在步骤s3中，也要考虑风速的影响，加上风速的影响，毫米波波束的方向应当是附图7所示的范围。

所述圆形区域的半径为：

所述圆形区域的圆心偏离距离为：

所述圆心偏离的方向是所述固定翼无人机航线上的风向；

其中，

m为毫米波雷达最大探测距离；v4为固定翼无人机的毛速度；θ为固定翼无人机的最大爬升角、最大俯冲角和向左右转弯的最大角度；v2'为风速的水平分量；v2″为风速的垂直分量。

在步骤s4中，毫米波雷达模块接收毫米波返回波束信号，参考附图8，图中的圆为可避让区域，若该园的圆心处有反射波束，则判断原航线方向有障碍物需要避让，此时有两种情况：

1)若圆完全在障碍物内，即毫米波雷达模块在任意所述毫米波雷达发射的毫米波波束的方向接均收到毫米波返回波束信号，则判断无人机无法通过转向避障，立即执行上升盘旋指令。

2)若圆部分在障碍物外，即步骤s3中所述毫米波雷达模块没有接收到毫米波返回波束信号，则判断无人机可以通过转向避障，如没有接收到毫米波波束返回信号的m位置，固定翼无人机即可选择位置m通过。

若无人机从距离圆心较近点m飞过，如附图9所示则无人机在避障过程中在垂直面上速度分量为om方向，此时，将无人机的速度在该垂直平面上进行分解：

z轴方向：

x轴方向：

以上方向调整由无人机飞控完成相关指令。

如附图10所示，在无人机越过障碍物后，应再次回到原航线以保证正常工作并顺利到达目的地。则在无人机越过障碍物所在竖直平面后，飞控下达指令给飞机两个与之前大小相同，方向相反的分速度：

z轴方向：

x轴方向：

分速度维持时长为：

如此回到原航线上，同时恢复原定航向。

在步骤s4中，固定翼无人机在上升盘旋算法的控制下通过航点控制让飞机进行一个近似矩形的上升盘旋，设定由固定翼无人机机体本身飞行性能决定最大爬升角为15度，最小盘旋半径为40米，每执行一次盘旋指令无人机可爬升约65米，即从初始点依次向矩形的另三个顶点航行得到一个水平面上成40米*40米矩形的螺旋上升航迹。当无人机航行完一次矩形航迹后，其雷达指向恰好为原前进方向，此时再次对毫米波波束返回波进行检测判断，此时有两种情况：

(1)没有检测到返回波束，则判断为当下高度已超过前方障碍物高度，向原前进方向航行并进入自驾模式。

(2)检测到返回波束，则判断为当下高度尚未超过前方障碍物高度，继续执行该上升盘旋指令，直到检测不到返回波束再跳出循环。

作为本实施例的优化，s5中所述固定翼无人机通过gps模块定位返回原有航线。

上述固定翼无人机避障方法，针对固定翼无人机的特点，设计的避障方法与飞行控制装置紧密结合，解决了固定翼无人机在自动巡航状态下无法有效躲避前方障碍物的问题，可以让固定翼无人机有效规避障碍，避免了事故的发生，解除了在复杂地形环境下固定翼无人机坠毁的安全隐患。

作为上述避障系统和避障方法的具体应用，任何安装上述避障系统或应用避障方法的固定翼无人机经过调试均能实现有效避障，实现安全飞行，因此本申请对于固定翼飞机的机型并不做限制。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。