一种基于植保无人机多重检测的避障系统及无人机的制作方法

本实用新型涉及无人机技术领域，尤其适合一种基于植保无人机多重检测的避障系统及无人机。

背景技术：

随着无人机技术的日益成熟，无人机被广泛运用在生活中的各个领域，而由于无人植保机效率高，成本低，可以取代人工作业，市场潜力大，已经逐渐成为一个研究热点。但局限于飞手的操作水平以及植保地形的复杂多变，飞手不能很好地操纵无人机，从而造成坠机或者其它事故。为此，针对植保无人机的避障系统的研究应运而生。如专利CN201720067031.8，公开了一种无人机及航拍系统，其中，信息采集单元获取所述无人机相对于其周围物体的位置信息，中央处理单元根据所述位置信息以及飞行控制单元获得的无人机的飞行参数生成避障指令，由此实现无人机避障。在该系统中设有用于获取所述无人机飞行方向前方物体的 图像的光学摄像头、用于探测所述无人机与所述无人机飞行方向前方物体之间 距离的第一距离传感器以及用于探测所述无人机与所述无人机下方物体之间距离的第二距离传感器。该系统只是考虑到一般无人机系统飞行时的问题，没有考虑到无人植保机使用时的真实情况，当无人植保机发现前方障碍物为植物时，其会采用向上爬升的方式来绕开植物的同时给植物进行灌溉。而采用上述无人机系统则无法观察到来自上方的障碍，当无人机向上爬升时，容易触碰到上方障碍物导致无人机坠落或者损坏。

技术实现要素：

为克服现有的技术缺陷，本实用新型提供了一种能分清前上方物体并及时应对的一种植保无人机。

为实现本实用新型的目的，采用以下技术方案予以实现：

一种基于植保无人机多重检测的避障系统，包括无人机的本体、设在本体上的中央处理单元、图像收集装置、第一距离传感器以及第二距离传感器，所述图像收集装置用于收集本体前方图像、所述第一距离传感器用于探测在本体下方的物体与本体之间的距离，所述第二距离传感器用于探测在本体前上方的物体与本体之间的距离，所述中央处理单元与图像收集装置、第一距离传感器以及第二距离传感器信号连接。所述第二距离传感器与图像收集装置的探测方向存在一定夹角，所述第二距离传感器的探测方向向上倾斜而图像收集装置的探测方向水平向前。

为了更好地避开丛林中的杂物，本实用新型通过设置图像收集装置收集无人机前方的图像，飞控手可以根据情况及时规避前方的障碍物，而且中央处理单元也会分析图像中的内容，判断前方物体是障碍物还是植物，再结合第二距离传感器获取前上方物体的位置信息，通过位置信息及时改变无人机的飞行轨迹，从而实现在障碍物众多的丛林中灵活飞行，对植物进行灌溉。由于图像收集装置无法获取无人机下方图像信息，为了避免飞控手的误操作，本实用新型设置了一个第一距离传感器测量出无人机与其下方的物体之间的距离，当无人机与物体之间的距离低于阈值之后，飞控手就无法操控无人机继续往下飞行。

所述图像收集装置为摄像机且水平放置在本体上，使得无人机平放时，图像收集装置的镜头光轴与地面平行。

通过将摄像机水平放置在本体上，使得摄像机收集到的图像不会偏向一侧，方便飞控手观察收集到的图像或者方便中央处理单元分析图像作出正确的操控。

优选地，所述第二距离传感器为雷达，所述第二距离传感器的主瓣方向向上倾斜且所述图像收集装置的镜头光轴方向与所述第二距离传感器的主瓣方向之间夹角为15-75°。在飞行途中，无人机侦查到前方有植物时会向上爬升，在绕开植物的同时对植物进行灌溉。但是对于单个图像收集装置来说，很难同时兼顾到无人机前方与上方的图像，图像收集装置在收集无人机前方图像时，不可避免地存在一些在无人机上方的视觉死角，从而导致无人机发生事故。为此，本实用新型设置一个第二距离传感器并且让第二距离传感器的主瓣方向与图像收集装置的镜头光轴方向的夹角为15-75°，那么第二距离传感器不仅能检测到无人机前方的物体也能检测到无人机上方的物体，减少了图像收集装置的视觉死角带来的风险。

更加优选地，所述第二距离传感器为雷达，所述图像收集装置的镜头光轴方向与所述第二距离传感器的主瓣方向之间夹角为45°。

本实用新型通过将第二距离传感器的主瓣方向与图像收集装置的镜头光轴方向成45°，使得第二距离传感器在检测无人机前方的物体的同时，也兼顾了无人机上方物体的检测，而且不容易出现视觉死角。

优选地，所述第一距离传感器为雷达，且第一距离传感器的主瓣方向向下倾斜并与图像收集装置的镜头光轴方向存在80-100°的夹角。

通过上述设计，保证了第一距离传感器的检测范围与图像收集装置检测的范围连贯但不重合，避免了检测的死角，导致飞行事故的发生，而且减少两者检测范围的重合度也能相对扩大整个无人机的检测范围，有利于躲避障碍。

优选地，所述避障系统还包括超声波定向发声器以及用于转动超声波定向发声器的第一转动平台，所述第一转动平台设置在本体上且与中央处理单元信号连接，所述超声波定向发声器转动安装在第一转动平台上且与中央处理单元信号连接。所述第一转动平台采用双跟踪系统，保证全方位调整超声波定向发声器的发射角度。

在植保无人机飞行的途中会遇到飞鸟和虫子的干扰，为了减少这种干扰，本实用新型通过设置发声器来驱走飞鸟和虫子，但是普通的发声器发出声音干扰后会影响到丛林中其它动物，增加了无人机采集与分辨信息的难度的同时，可能导致部分动物慌不择路地碰上无人机，增大了坠机的可能性。为此，本实用新型采用了超声波定向发声器，在根据第一距离传感器收集到的信息，调整超声波定向发声器的位置向飞鸟的位置发出声响赶走飞鸟，从而实现在不惊动其它动物的同时保证了植保无人机飞行的安全。

优选地，所述避障系统还包括用于转动第二距离传感器的第二转动平台，所述转动平台设置在本体上且第二距离传感器转动安装在第二转动平台上。

本实用新型通过设置第二转动平台，当检测到障碍物时，及时调整第二距离传感器的朝向，使得第二距离传感器的主瓣可以与图像收集装置的镜头光轴成90°，观察到无人机上方的物体，也能与与图像收集装置的镜头光轴成45°，观察到无人机前上方的物体，使得主瓣能对准障碍物获取更加准确的数据，方便植保无人机避开障碍物。而且当第一距离传感器遭到损坏时，第二转动平台也能调整第二距离传感器的朝向，使其主瓣方向垂直向下，获取植保无人机下方物体的距离信息。

一种包括上述避障系统的植保无人机，所述植保无人机还包括喷淋装置，所述喷淋装置设置在本体上且与中央处理单元信号连接。

优选地，所述植保无人机包括设置在本体上的无线通信装置，所述无线通信装置与中央处理单元信号连接。

本实用新型除了运用中央处理单元来实行飞行以外也接受飞控手的远程操控，实现了两种飞行模式，方便人们针对现实情况作出切换改变。

优选地，所述植保无人机包括陀螺仪，所述陀螺仪与中央处理单元信号连接。

当无人机发生偏转时，其图像收集装置收集到的图像也会旋转一定角度，本实用新型通过设置陀螺仪，让中央处理单元及时校正图像，避免偏转带来的误差。

优选地，所述喷淋装置设有用于检测药剂存储量的药量检测器。

由于本实用新型中的图像收集装置只用于收集无人机前方的图像，所以人们是很难发现无人机是否源源不断地喷洒药剂，因此本实用新型通过设置药量检测器检测无人机中药剂的存储量，使得中央处理单元能及时知道无人机中药剂的剩余量，避免无人机在没有药剂的情况下还不断飞行，浪费能源。

与现有技术比较，本实用新型提供的一种植保无人机具有以下有益效果：

（1）本实用新型通过设置图像收集装置收集无人机前方的图像，中央处理单元可以据此判断前方物体并及时改变无人机的飞行轨迹，从而实现在障碍物众多的丛林中灵活飞行并对植物进行灌溉。

（2）本实用新型设置一个第二距离传感器并且让第二距离传感器的主瓣与图像收集装置的镜头光轴成一定的夹角，使得第二距离传感器不仅能检测到无人机前方的物体也能检测到无人机上方的物体，减少了图像收集装置的视觉死角所带来的风险。

附图说明

图1为本实用新型的信号连接示意图。

图2为本实用新型的结构示意图。

图3为具有超声波定向发声器的本实用新型的结构示意图

图中标识：1、本体；2、图像收集装置；3、第一距离传感器；4、第二距离传感器；5、喷淋装置；6、中央处理单元；7、超声波定向发声器。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本实用新型的实施方式作进一步详细地说明。

实施例1

如图1与图2所示，一种基于植保无人机多重检测的避障系统，包括无人机的本体1、设在本体1上的中央处理单元6、图像收集装置2、第一距离传感器3以及第二距离传感器4，所述图像收集装置2用于收集本体1前方图像、所述第一距离传感器3用于探测在本体1下方的物体与本体1之间的距离，所述第二距离传感器4用于探测在本体1前上方的物体与本体1之间的距离，所述中央处理单元6与图像收集装置2、第一距离传感器3以及第二距离传感器4信号连接。所述中央处理单元6为STM32F1芯片。

所述图像收集装置2与第二距离传感器4的融合可以为硬件层面的融合方案，将图像收集装置2和第二距离传感器4继承在整个PCD板上，全部的信号传输都是在PCD板内完成，直接在控制视觉系统的BSD或者微处理器以及控制第二距离传感器4的微处理器之间进行数据的交换。

或者图像收集装置2与第二距离传感器4通过中央处理单元6进行数据的交换，中央处理单元6在进行环境建模。

中央处理单元6根据第二距离传感器4测得的检测数据和所述图像收集装置2拍摄到的拍摄图像，判定存在于车辆周围的物体的种类，所述中央处理单元6能够根据所述图像收集装置2拍摄的图像判定出种类的物体从种类判定对象中去除的基础上，针对没能判定出种类的物体，根据所述第二距离传感器4测得的检测数据进行种类判定。

所述图像收集装置2为摄像机且水平放置在本体1上，使得无人机平放时，图像收集装置2的镜头光轴与地面平行。更加优选地，所述图像收集装置2为转动摄像头。

所述第二距离传感器4为毫米波雷达，所述图像收集装置2的镜头光轴与所述第二距离传感器4的主瓣之间夹角为15-75°。更加优选地，所述图像收集装置2的镜头光轴与所述第二距离传感器4的主瓣之间夹角为45°。

所述第一距离传感器3为毫米波雷达且第一距离传感器3的主瓣与图像收集装置2的镜头光轴之间夹角为80-100°。

如图3所示，所述避障系统还包括超声波定向发声器7以及用于转动超声波定向发声器7的第一转动平台，所述第一转动平台设置在本体1上且与中央处理单元6信号连接，所述超声波定向发声器7转动安装在第一转动平台上且与中央处理单元6信号连接。所述第一转动平台采用双跟踪系统，保证全方位调整超声波定向发声器7的发射角度。所述第一转动平台包括底座、蜗轮蜗杆、方位轴、旋转台、支架、大齿轮、俯仰轴、第一电机、小齿轮和第二电机，蜗轮蜗杆设置在底座中，旋转台置于底座上方，蜗轮蜗杆通过方位轴与旋转台相连，旋转台上设有支架，俯仰轴安装在支架之间，大齿轮键连俯仰轴上，大齿轮与小齿轮之间啮合传动，第一电机安装在支架上，小齿轮与第一电机相连，第二电机安装在底座上，与蜗轮蜗杆相连，第二电机通过驱动蜗杆带动蜗轮转动，使得旋转台绕着方向轴左右旋转。超声波定向发声器7直接安装在大齿轮上，通过第一电机驱动小齿轮与大齿轮，使得超声波定向发声器7随着大齿轮前后转动，所述底座安装在本体1上。

所述避障系统还包括用于转动第二距离传感器4的第二转动平台，所述转动平台设置在本体1上且第二距离传感器4转动安装在第二转动平台上。第二转动平台也是采用双跟踪系统，结构与第一转动平台相似。所述第二距离传感器的转动角度为0-180°，使得其主瓣与水平面方向成-90°～90°。

所述第一转动平台与第二转动平台不仅限于上述结构，所有可以带动物体全方位调整角度的结构也是适用于本实施例的。

一种包括上述避障系统的植保无人机，所述植保无人机还包括喷淋装置5，所述喷淋装置5设置在本体1上且与中央处理单元6信号连接。

所述植保无人机包括设置在本体1上的无线通信装置，所述无线通信装置与中央处理单元6信号连接。

所述植保无人机包括设置在本体1上的陀螺仪，所述陀螺仪与中央处理单元6信号连接。

所述喷淋装置5设有用于检测药剂存储量的药量检测器。

所述植保无人机还包括设置在本体1上的GPS装置，所述GPS装置与中央处理单元6信号连接。

植保无人机在喷洒的时候，第二距离传感器4在工作，检测植保无人机下面距离作物的距离，当距离下面物体的极限距离为0.5m的时候，无论遥控如何操作，植保无人机都不会继续下降，而且与下面物体的极限距离可以根据用户需要自行设定。

在植保机移动的过程中，当第一距离传感器3检测到前方有物体正在靠近的时候，处理器立即截取当前摄像头传回来的图像，进行图像识别。识别出来的结果如果是如电线杆、架子、峭壁等障碍物，第一距离传感器3会进行目标锁定，综合设定的避障路线自动的进行避障，避障后回到原来移动的路线上。如果检测到时作物，前面的毫米波雷达也会进行目标锁定，当距离达到设定好的的量程里面，还没有接收到遥控发送来的避障操作后，中央处理单元6会根据第一距离传感器3发出的信息判断植保机上方是否有障碍物，如果没有，植保机自行进行梯形爬行；如果有，中央处理单元6会给用户发送警告并且控制无人机自动悬停。

显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。