一种无人机避障系统及方法与流程

本发明涉及无人机技术领域，尤其涉及一种无人机避障系统及方法。

背景技术

随着科学技术的不断发展，无人机越来越智能化，无人机避障系统逐渐成为研究热点。

现有无人机避障系统通常需要借助人工可视操作来实现避障或特定条件下(如天气状况良好、无强光照射等)的自主避障，并且现有无人机避障系统存在障碍物识别率低、识别类型少、在恶劣气候环境下(如强光、夜间、大雾、沙尘暴或大雨等)障碍物探测速度慢或无法探测等主要技术缺陷，导致无人机避开障碍物的成功率较低。

因此有必要设计一种新的无人机避障系统，以克服上述问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术之缺陷，提供了一种无人机避障系统及方法，以实现提高无人机避开障碍物的成功率。

本发明是这样实现的：

第一方面，本发明提供一种无人机避障系统，包括：无人机、内部供电单元、处理器、用于探测障碍物的至少两个探测传感器、用于确定主探测传感器标识的切换单元、用于传送主探测传感器的采集数据至处理器的数据融合控制单元以及用于执行无人机飞行动作的飞行控制单元，主探测传感器标识用于唯一标识主探测传感器，所述主探测传感器为所述至少两个探测传感器中在当前气象环境下环境感知准确度最高的探测传感器；

所述至少两个探测传感器以及所述飞行控制单元均安设于所述无人机，所述切换单元、所述至少两个探测传感器均与所述数据融合控制单元连接，所述内部供电单元、所述飞行控制单元以及所述数据融合控制单元均与所述处理器连接。

可选的，所述内部供电单元、所述处理器、所述数据融合控制单元以及所述切换单元均集成于soc片上系统，所述soc片上系统安设于所述无人机。

可选的，所述系统还包括外部供电单元，所述处理器和所述内部供电单元均与所述外部供电单元连接。

可选的，所述至少两个探测传感器包括：视觉传感器和毫米波雷达传感器。

可选的，所述至少两个探测传感器包括：红外传感器和超声波传感器。

可选的，所述系统还包括：用于对主探测器的采集数据进行预处理的数据预处理单元，所述切换单元、所述至少两个探测传感器均与所述数据预处理单元连接，所述数据预处理单元与所述数据融合控制单元连接。

可选的，所述系统还包括：用于检测当前气象环境的气象检测单元；所述气象检测单元与所述切换单元连接。

第二方面，本发明提供一种无人机避障方法，应用于上述的无人机避障系统，所述方法包括：

所述至少两个探测传感器中的每一探测传感器探测无人机所处环境的障碍物信息，形成采集数据，并将采集数据传送给数据融合控制单元；

所述切换单元确定主探测传感器标识，将所确定的主探测传感器标识传送给所述数据融合控制单元；主探测传感器标识用于唯一标识主探测传感器，所述主探测传感器为所述至少两个探测传感器中在当前气象环境下环境感知准确度最高的探测传感器；

所述数据融合控制单元获得所述至少两个探测传感器的采集数据以及所述主探测传感器标识，并确定具有所述主探测传感器标识的探测传感器为主探测传感器，将所述主探测传感器的采集数据发送给所述处理器；

所述处理器基于所获得的主探测传感器的采集数据生成避障指令，将所述避障指令发送给所述飞行控制单元，所述避障指令包括用于指示无人机按照避障路径飞行的飞行动作指令；

所述飞行控制单元按照所述飞行动作指令执行无人机的飞行动作，以使无人机避开障碍物。

可选的，所述切换单元获得主探测传感器标识，包括：

获得用户的选择指令，将所述选择指令中的探测传感器标识作为主探测传感器标识；或，

获得当前气象环境，用所述当前气象环境查找预设气象环境表，得到当前气象环境对应的探测传感器标识，作为主探测传感器标识，其中，所述预设气象环境表用于存储气象环境与探测传感器标识之间的对应关系，一个气象环境对应的探测传感器标识为在该气象环境下环境感知准确度最高的探测传感器的标识。

可选的，所述至少两个探测传感器包括：视觉传感器和毫米波雷达传感器。

本发明具有以下有益效果：应用本发明实施例提供的技术方案，处理器可以基于主探测器的采集数据生成避障指令，从而飞行控制单元可以按照飞行动作指令执行无人机的飞行动作，以使无人机避开障碍物，由于主探测传感器为至少两个探测传感器中在当前气象环境下环境感知准确度最高的探测传感器，因此，主探测传感器对障碍物探测的准确度最高，基于主探测传感器的采集数据生成的避障指令中的飞行动作指令准确度最高，从而提高了无人机避开障碍物的成功率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，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它的附图。

图1为本发明实施例提供的无人机避障系统的一种结构示意图；

图2为本发明实施例提供的无人机避障方法的一种流程示意图。

具体实施方式

下面将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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

为解决现有技术问题，本发明提供了一种无人机避障系统及方法，下文将结合图1对具体实施例进行说明。

如图1所示，本发明提供的一种无人机避障系统，系统包括：无人机101、内部供电单元102、处理器103、用于探测障碍物的至少两个探测传感器104、用于确定主探测传感器标识的切换单元105、用于传送主探测传感器的采集数据至处理器的数据融合控制单元106以及用于执行无人机飞行动作的飞行控制单元107，主探测传感器标识用于唯一标识主探测传感器，所述主探测传感器为所述至少两个探测传感器中在当前气象环境下环境感知准确度最高的探测传感器；

所述至少两个探测传感器104以及所述飞行控制单元107均安设于所述无人机，所述切换单元、所述至少两个探测传感器均与所述数据融合控制单元连接，所述内部供电单元、所述飞行控制单元以及所述数据融合控制单元均与所述处理器连接。

上述的处理器103可以是通用处理器，包括中央处理器(centralprocessingunit，简称cpu)、网络处理器(networkprocessor，简称np)等；还可以是数字信号处理器(digitalsignalprocessing，简称dsp)、专用集成电路(applicationspecificintegratedcircuit，简称asic)、现场可编程门阵列(field－programmablegatearray，简称fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。处理器103中可以存储程序，处理器103可以执行其存储的程序，以实现程序的功能。

各部件之间的连接可以均为电连接，具体电连接的方式可以为：通过现场总线连接，现场总线包括profibus现场总线、can(controllerareanetwork，控制器局域网络)总线等等，除了现场总线，还可以为通过光纤连接，或者，还可以为：通过串口通信方式建立的有线/无线连接等等。

在其他实现方式中，数据融合控制单元和飞行控制单元均可以与内部供电单元连接，数据融合控制单元和飞行控制单元可以通过现场总线直接连接至处理器。

一种实现方式中，所述内部供电单元、所述处理器、所述数据融合控制单元以及所述切换单元均集成于soc片上系统，所述soc片上系统安设于所述无人机，soc(systemonachip，片上系统)指的是在单个芯片上集成一个完整的系统，对所有或部分必要的电子电路进行包分组的技术。

当然在其他实现方式中，还可以将内部供电单元102、处理器103以及切换单元105均集成于soc片上系统，数据融合控制单元可以设置于无人机，无人机内还可以设置电源部件，数据融合控制单元、至少两个探测传感器以及飞行控制单元可以均与电源部件连接，此时，soc片上系统可以设置于除无人机以外的其他设备内，例如，可以安设于地面控制中心，或者服务器中，此时飞行控制单元和数据融合控制单元可以均与处理器无线连接，以完成飞行控制单元和处理器之间的数据通信、数据融合控制单元和处理器之间的数据通信。

另外，除了应用于无人机，本发明还可以应用于地面无人引导车、水下机器人或无人潜航器等无人控制使用环境。在其他实现方式中，无人机内可以设置多组soc片上系统，每组soc片上系统中的数据融合控制单元均可以连接至处理器。

另一种实现方式中，所述系统还包括外部供电单元，所述外部供电单元与所述soc片上系统连接。

无人机的环境感知是指无人机利用探测传感器来获得无人机所处环境的信息，例如，障碍物与无人机之间的距离、障碍物的数量、障碍物之间的距离等等，环境感知准确度越高，探测传感器探测的障碍物信息的准确度也越高。

主探测器是至少两个探测传感器中在当前气象环境下环境感知准确度最高的探测传感器，当同时有多个探测传感器的环境感知准确度均最高时，主探测器的数量可以有多个。当主探测器有多个时，数据融合控制单元对所有主探测器的采集数据进行数据融合处理，将数据融合处理后主探测器的采集数据作为主探测传感器的采集数据，并将主探测传感器的采集数据传送给处理器，当主探测只要一个时，直接将该主探测器的采集数据传送给处理器。

需要说明的是，数据融合控制单元可以获得每一探测传感器的采集数据，并且仅将主探测器的采集数据传送给处理器，具体实现方式可以为：将除主探测器以外的其他探测传感器的采集数据设置成无效数据，例如，可以将其他探测传感器的采集数据的值设置为0、-1、fales、null或none等等。数据融合处理是指利用计算机或嵌入式soc处理器对按时序获得各主探测器的采集数据，在一定准则下加以自动分析、综合，以完成所需的决策和评估任务而进行的信息处理技术。

示例性的，主探测器为视觉传感器和毫米波雷达传感器，除主探测器以外的其他探测传感器为红外传感器和超声波传感器，则数据融合控制单元将视觉传感器和毫米波雷达传感器的采集数据进行数据融合处理，将红外传感器和超声波传感器设置成无效数据，将数据融合处理后主探测器的采集数据传送给处理器。

至少两个探测传感器包括：视觉传感器和毫米波雷达传感器，或者包括：红外传感器和超声波传感器，或者，包括：视觉传感器、毫米波雷达传感器、红外传感器和超声波传感器。每个探测传感器都可以用探测传感器标识来唯一标记。

其中，视觉传感器是利用光学元件和成像装置获取外部环境图像信息的仪器，视觉传感器主要是应用摄像头作为传感器，视觉传感器可以为：单目摄像头、后视摄像头、立体摄像头、双目摄像头和环视摄像头等，它可以通过对摄像头拍摄到的图像进行图像处理，来计算障碍物的特征量(面积、重心、长度、轮廓形状、位置等)，并输出数据和判断结果作为对于该障碍物的采集数据。由于摄像头分辨率进高于其他探测传感器，并可以获取足够多的环境细节，例如障碍物的外观、形状、障碍物之间的位置关系等，这些细节其他类型的探测传感器无法做到，故可以认为，在光线充足的情况下(例如白天未起雾，也没有沙尘暴)，视觉传感器的环境感知准确度最高，可以作为主探测器；在光线不足的情况下，可以采用其他传感器作为主探测器，例如在夜间可以采用红外传感器作为主探测器，在起雾或沙尘暴的情况下，可以采用毫米波雷达传感器和/或超声波传感器作为主探测器。

理论上，毫米波雷达传感器使用毫米波，通常毫米波是指30～300ghz频域(波长为1～10mm)的电磁波，其在雨雪、雾霾、沙尘等恶劣条件下可以全天时正常工作，且具有很强的抗地杂波能力，故毫米波雷达传感器在沙尘暴或起雾天气下的环境感知准确度高于视觉传感器。超声波传感器是将超声波信号转换成其他能量信号(通常是电信号)的传感器，超声波是振动频率高于20khz的机械波。超声波对液体、固体的穿透本领很大，故在下雨、沙尘暴或起雾天气下的环境感知准确度也高于视觉传感器。太阳光中含有对红外线接收管产生干扰的红外线，红外传感器多在夜间使用，在夜间，红外传感器的环境感知准确度高于视觉传感器。

虽然超声波传感器不会受到光线、粉尘、烟雾的干扰，但在部分场景下会受到声波的干扰，并且如果物体表面反射超声波的能力不足，无人机避障系统探测障碍物的有效距离就会降低，无人机的安全隐患会显著提高。一般来说，如果反射物体的材质是水泥地板，超声波的有效距离是5米，如果材质不是平面光滑的固体物，比如说地毯，那么超声波的反射和接收就会出问题。故为了提高系统探测障碍物的有效距离，超声波传感器可以放在无人机的多个方向，比如设置于机身前后左右四个方向，可以在无人机悬停和飞行的时候对周围保持监控；或者也可以设置于机身下方和上方，从而在起飞、下降以及降落的时候避免速度太快碰到障碍物或者地面；或者也可以设置于机身的左侧和右侧。

红外传感器可以设置于机身下方和上方，毫米波雷达传感器可以设置于机身的前方和后方，视觉传感器也可以设置于机身的前方和后方，具体的，毫米波雷达传感器可以为sp70系列雷达传感器，

具体的，至少两个探测传感器中的每一探测传感器104可以探测无人机104所处环境的障碍物信息，形成采集数据，并将采集数据传送给数据融合控制单元106；切换单元105可以确定主探测传感器标识，并将所确定的主探测传感器标识传送给数据融合控制单元106；数据融合控制单元106可以获得至少两个探测传感器104的采集数据以及主探测传感器标识，并确定具有主探测传感器标识的探测传感器104为主探测传感器，将主探测传感器的采集数据发送给处理器103；处理器103可以基于所获得的主探测传感器的采集数据生成避障指令，将避障指令发送给飞行控制单元107，避障指令包括飞行动作指令；从而，飞行控制单元107可以按照飞行动作指令执行无人机101的飞行动作，以使无人机101避开障碍物。

每个探测传感器104均可以探测无人机所处环境的障碍物信息，形成采集数据，数据融合控制单元106可以获得每一探测传感器104的采集数据，并且仅将主探测传感器104的采集数据发送给处理器103，进而处理器103可以基于主探测传感器104的采集数据生成避障指令，由于主探测传感器104为至少两个探测传感器中在当前气象环境下环境感知准确度最高的探测传感器，因此主探测传感器对障碍物探测的准确度最高，避障指令中的飞行动作指令准确度最高，从而提高了无人机避开障碍物的成功率。

探测传感器的采集数据可以为障碍物与无人机之间的距离、障碍物与障碍物之间的距离，障碍物的数量、大小、形状等等，从而处理器可以采用现有的避障策略，基于所获得的主探测传感器的采集数据，生成避障指令，并可以通过mavlink(microairvehiclelink，微型航空器连接协议)通信协议将避障指令发送给飞行控制单元。常见的避障策略包括：可视图法、人工势场法、vfh(vectorfieldhistogram，向量区间柱图法)策略等等。mavlink是一种用于小型无人载具的通信协议，该协议可以应用于无人机内部子系统之间的通信，也可以应用于无人机与其他设备之间的通信，无人机可以为无人固定翼飞行器、无人旋翼飞行器等。避障指令中可以包括飞行动作指令，从而飞行控制单元可以直接按照飞行动作指令执行飞行动作。飞行动作指令中可以包括飞行坐标、飞行速度、飞行角度等信息，飞行动作指令可以用来指示无人机避开障碍物。

一种实现方式中，切换单元可以确定主探测传感器标识，具体的，切换单元可以提供人机交互界面，从而确定主探测传感器标识的方式可以为：获得用户的用于选择主探测器的选择指令，将选择指令中的探测传感器标识作为主探测传感器标识。

或者，在另一种实现方式中，切换单元可以获得当前气象环境，用所述当前气象环境查找预设气象环境表，得到当前气象环境对应的探测传感器标识，作为主探测传感器标识，其中，预设气象环境表是一张数据表，用于存储气象环境与探测传感器标识之间的对应关系，一个气象环境对应的探测传感器标识为在该气象环境下环境感知准确度最高的探测传感器的标识。

在其他实现方式中，切换单元还可以采用其他现有的方式确定主探测传感器标识。

为了内部供电单元102出现异常时，保证soc片上系统依然能够获得电能，保持正常工作，一种实现方式中，系统还可以包括外部供电单元，外部供电单元与内部供电单元102连接，外部供电单元与处理器103连接。

处理器103可以检测出内部供电单元102的电量是否充足，例如，当内部供电单元102的电量低于预设阈值时，可以认为内部供电单元102的电量不充足，此时，可以触发外部供电单元工作，外部供电单元在被触发后，向内部供电单元供电，或者也可以直接给处理器供电，或者也可以向处理器供电，并给内部供电单元充电，从而实现了在电源部件102出现异常时，保证系统依然能够获得电能。

外部供电单元可以为干电池、蓄电池或锂电池等，内部供电单元可以为电源电路、电源控制器/驱动器、功率电源或其他普通电源。

一种实现方式中，为了提高系统可靠性，系统还可以包括：用于对主探测器的采集数据进行预处理的数据预处理单元，切换单元、至少两个探测传感器104均与数据预处理单元连接，数据预处理单元与数据融合控制单元106连接。

数据预处理单元可以获得每一探测传感器传送的采集数据和主探测器标识，确定具有主探测传感器标识的探测传感器为主探测传感器，进而对主探测传感器的采集数据进行预处理，并将预处理后的主探测传感器的采集数据传送给数据融合控制单元。

本发明对具体的预处理方式不做限定，例如，可以采用现有的数据清洗算法对采集数据中的重复信息进行删除、纠正采集数据中存在的错误，并提供数据一致性，或者，也可以采用现有的卡尔曼滤波算法去除采集数据中的干扰和噪声等等，还可以采用其他现有的数据预处理方式。

通过数据预处理单元对采集数据的预处理，提高了数据融合控制单元所获得的采集数据的可靠性，进而提高了系统可靠性。

一种实现方式中，所述系统还可以包括：用于检测当前气象环境的气象检测单元；所述气象检测单元与所述切换单元连接。

气象检测单元可以实时检测气象环境，可以为现有的气象检测器、气象监测仪等，气象检测单元可以将检测到的当前气象环境信息发送给切换单元，进而，切换单元在获得气象环境信息后，可以根据气象环境信息确定主探测传感器标识。

或者，气象检测单元可以检测当前气象环境，并可以根据当前气象环境，确定在该气象环境下环境感知准确度最高的探测传感器，将所确定的探测传感器的标识作为主探测传感器标识，向所述切换单元发送主探测传感器标识，从而切换单元可以直接获取主探测传感器标识。

与上述无人机避障系统对应，本发明实施例还提供一种无人机避障方法。

参见如2，图2为本发明实施例所提供的一种无人机避障方法的流程示意图，方法应用于无人机避障系统，所述方法包括：

至少两个探测传感器中的每一探测传感器探测无人机所处环境的障碍物信息，形成采集数据，并将采集数据传送给数据融合控制单元；

切换单元确定主探测传感器标识，将所确定的主探测传感器标识传送给数据融合控制单元；主探测传感器标识用于唯一标识主探测传感器，主探测传感器为至少两个探测传感器中在当前气象环境下环境感知准确度最高的探测传感器；

数据融合控制单元获得至少两个探测传感器的采集数据以及主探测传感器标识，并确定具有主探测传感器标识的探测传感器为主探测传感器，将主探测传感器的采集数据发送给处理器；

处理器基于所获得的主探测传感器的采集数据生成避障指令，将避障指令发送给飞行控制单元，避障指令包括用于指示无人机按照避障路径飞行的飞行动作指令；

飞行控制单元按照飞行动作指令执行无人机的飞行动作，以使无人机避开障碍物。

应用本发明实施例提供的技术方案，处理器可以基于主探测器的采集数据生成避障指令，从而飞行控制单元可以按照飞行动作指令执行无人机的飞行动作，以使无人机避开障碍物，由于主探测传感器为至少两个探测传感器中在当前气象环境下环境感知准确度最高的探测传感器，因此，主探测传感器对障碍物探测的准确度最高，基于主探测传感器的采集数据生成的避障指令中的飞行动作指令准确度最高，从而提高了无人机避开障碍物的成功率。

可选的，切换单元获得主探测传感器标识，包括：

获得用户的选择指令，将选择指令中的探测传感器标识作为主探测传感器标识；或，

获得当前气象环境，用当前气象环境查找预设气象环境表，得到当前气象环境对应的探测传感器标识，作为主探测传感器标识，其中，预设气象环境表用于存储气象环境与探测传感器标识之间的对应关系，一个气象环境对应的探测传感器标识为在该气象环境下环境感知准确度最高的探测传感器的标识。

可选的，至少两个探测传感器包括：视觉传感器和毫米波雷达传感器。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。