一種無人機避障裝置及避障方法
【專利摘要】一種無人機避障裝置及避障方法，該裝置包括激光驅(qū)動電路，與激光驅(qū)動電路連接的激光器，固定于激光器發(fā)射端的第一反射裝置，激光器發(fā)出的激光束剛好穿過第一反射裝置中心點處的通孔；還包括固定于通孔直射光路上的且與無人機電機的轉(zhuǎn)軸底端固連的第二反射裝置，第一反射裝置同時反射第二反射裝置反射回來的激光；還包括固定于第一反射裝置反射光路上的匯聚鏡頭，固定于匯聚鏡頭匯聚光路上的激光探測器，與激光探測器相連的激光測距裝置；還包括與無人機電機中的霍爾傳感器、激光驅(qū)動電路和激光測距裝置連接的系統(tǒng)處理器單元；本發(fā)明還公開了該裝置的避障方法；本發(fā)明實現(xiàn)了360°探測，能夠滿足無人機高精度的自主避障。
【專利說明】
一種無人機避障裝置及避障方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及無人機避障領(lǐng)域，具體涉及一種無人機避障裝置及避障方法，該裝置結(jié)構(gòu)合理，實現(xiàn)360°探測。
【背景技術(shù)】
[0002]無人機避障能力是決定無人機能否與其他飛行器共享空域，同時在陌生以及不確定環(huán)境下無人機成功執(zhí)行任務(wù)的關(guān)鍵因素?，F(xiàn)有的無人機避障多采用超聲波和T0F(飛行時間技術(shù))技術(shù)，超聲波避障依賴于物體表面的發(fā)射能力，當遭遇反射能力不足的物體時，避障系統(tǒng)的安全性就會極大降低；同時聲波易受到影響。TOF(飛行時間技術(shù))易受到高樓之間的玻璃光干擾系統(tǒng)，就是遭遇太陽光的主要能量波段，使TOF暴漏不足，明顯缺點就是測量距離變短。
[0003]現(xiàn)有的無人機實現(xiàn)360°探測的傳統(tǒng)方案是在無人機上增加復雜的電機設(shè)備，這樣雖然實現(xiàn)了 360°探測但是由于負載變大從而嚴重影響無人機綜合性能和續(xù)航等能力，且避障系統(tǒng)無法實現(xiàn)高精度的自主避障。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了解決上述問題，本發(fā)明的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)合理、應(yīng)用于無人機的無人機避障裝置及避障方法，本發(fā)明實現(xiàn)了 360°探測，能夠滿足無人機高精度的自主避障。
[0005]為了達到以上目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0006]—種基于激光雷達的無人機避障裝置，包括激光驅(qū)動電路7，與激光驅(qū)動電路7連接的激光器8，固定于激光器8發(fā)射端的第一反射裝置12，激光器8發(fā)出的激光束剛好穿過第一反射裝置12中心點處的通孔9;還包括固定于通孔9直射光路上的且與無人機電機I的轉(zhuǎn)軸5底端固連的第二反射裝置10，第一反射裝置12同時反射第二反射裝置10反射回來的激光;還包括固定于第一反射裝置12反射光路上的匯聚鏡頭13，固定于匯聚鏡頭13匯聚光路上的激光探測器14，與激光探測器14相連的激光測距裝置15;還包括與所述無人機電機I中的霍爾傳感器、激光驅(qū)動電路7和激光測距裝置15連接的系統(tǒng)處理器單元16。
[0007]所述第二反射裝置10，固定于無人機電機I的轉(zhuǎn)軸5底端與無人機電機同時轉(zhuǎn)動，所述的第二反射裝置10與水平方向成45度夾角。
[0008]所述第一反射裝置12與水平方向成45度夾角。
[0009]所述激光探測器14接收匯聚鏡頭13匯聚的激光，以便激光測距裝置15后續(xù)處理。
[0010]所述激光驅(qū)動電路7、激光器8、第二反射裝置10、第一反射裝置12、匯聚鏡頭13、激光探測器14和激光測距裝置15等包裝在激光雷達外殼17內(nèi)部。
[0011]上述所述基于激光雷達的無人機避障系統(tǒng)的避障方法包括如下步驟:
[0012]步驟一，電機I轉(zhuǎn)動時帶動固定于其轉(zhuǎn)軸5底端上的第二反射裝置10不停旋轉(zhuǎn)；
[0013]步驟二，激光驅(qū)動電路7驅(qū)動激光器8發(fā)射激光垂直穿過第一反射裝置12中心點處的通孔9射到第二反射裝置10，在第二反射裝置10處反射成水平方向的激光；電機I轉(zhuǎn)動時第二反射裝置10也轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生360°的激光束，對該水平面進行探測掃描；
[0014]步驟三，障礙物11位于第二反射裝置10的反射光路時，會反射激光，激光反射回來經(jīng)過第二反射裝置10和第一反射裝置12的反射，經(jīng)匯聚鏡頭13匯聚作用后，激光探測器14接收匯聚后的激光，以便激光測距裝置15進行后續(xù)處理；
[0015]步驟四，當激光探測器14接收到返回來的激光后，激光測距裝置15通過測量發(fā)射激光脈沖時間和接收激光脈沖時間t2之間的時間差(或測量激光器驅(qū)動脈沖和接收激光脈沖之間的時間差)計算障礙物距離無人機距離s;系統(tǒng)處理器單元16通過無人機電機I帶有的霍爾傳感器輸出的脈沖m配合系統(tǒng)處理器單元16的時鐘脈沖f計算出無人機電機I任意時刻的轉(zhuǎn)角Θ，同時再讀取激光測距裝置15計算的障礙物與無人機之間的距離S，實現(xiàn)對無人機周圍360°障礙物的掃描探測，進行避障處理。
[0016]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明有以下優(yōu)點:
[0017]第一，本發(fā)明簡化了避障系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，把避障系統(tǒng)中的反射裝置固連在電機轉(zhuǎn)軸上，電機轉(zhuǎn)動時帶動反射裝置轉(zhuǎn)動，不用增加多余的電機設(shè)備即可實現(xiàn)360°掃描探測。
[0018]第二，本發(fā)明利用激光分辨率高、抗干擾能力強的特點，電機旋轉(zhuǎn)時帶動避障系統(tǒng)中的反射裝置不停轉(zhuǎn)動，而不是雷達自身360°探測掃描;在測量電機轉(zhuǎn)角的方法上本發(fā)明利用電機帶有的霍爾傳感器輸出的脈沖配合系統(tǒng)時鐘脈沖來計算電機轉(zhuǎn)角。
[0019]第三，簡化了避障系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，本裝置的安裝位置根據(jù)螺旋槳的位置可以選擇不同的安裝方式，滿足不同類型的無人機的需求;在多軸無人機的每個軸上均可安裝本發(fā)明裝置，也可根據(jù)實際情況酌情考慮安裝個數(shù)，并且每個與電機轉(zhuǎn)軸固連的反射裝置的安裝高度不同，則可以實現(xiàn)對多個平面的探測，獲得立體場景信息。
【附圖說明】
[0020]圖1為本發(fā)明基于激光雷達的無人機避障裝置結(jié)構(gòu)圖。
[0021 ]圖2為本發(fā)明裝置安裝在無人機上的示意圖。
[0022]圖3為本發(fā)明裝置中霍爾傳感器輸出的脈沖和時鐘脈沖配合測量電機轉(zhuǎn)角示意圖。
【具體實施方式】
[0023]以下結(jié)合附圖及具體實施例對本發(fā)明作進一步的詳細描述。應(yīng)理解這些實施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對本發(fā)明的各種等價形式的修改均落于本申請所附權(quán)利要求所限定的范圍。
[0024]如圖1所示，一種基于激光雷達的無人機避障系統(tǒng)，包括激光驅(qū)動電路7，與激光驅(qū)動電路7連接的激光器8，固定于激光器8發(fā)射端的第一反射裝置12，激光器8發(fā)出的激光束剛好穿過第一反射裝置12中心點處的通孔9，固定于通孔9直射光路上的且與無人機電機I的轉(zhuǎn)軸5底端固連的第二反射裝置10，位于第二反射裝置10反射光路上的障礙物11，第一反射裝置12同時反射第二反射裝置10反射回來的激光，固定于第一反射裝置12反射光路上的匯聚鏡頭13，固定于匯聚鏡頭13匯聚光路上的激光探測器14;與激光探測器14相連的激光測距裝置15;還包括與所述裝置電機I中的霍爾傳感器、激光驅(qū)動電路7和激光測距裝置15連接的系統(tǒng)處理器單元16。
[0025]所述第二反射裝置10，固定于無人機電機轉(zhuǎn)軸底端與無人機電機同時轉(zhuǎn)動，作為優(yōu)選方案，所述的第二反射裝置10與水平方向成45度夾角時可以達到最佳反射效果。
[0026]所述第一反射裝置12，其中心點處為通孔9，使激光器8發(fā)射的激光能夠穿過第一反射裝置12;同時反射第二反射裝置10反射回來的激光。作為優(yōu)選方案，所述的第一反射裝置12與水平方向成45度夾角時可以達到最佳反射效果。
[0027]作為優(yōu)選方案，激光雷達外殼17把激光驅(qū)動電路7，激光器8，第二反射裝置10，第一反射裝置12，匯聚鏡頭13，激光探測器14，激光測距裝置15等包裝起來形成如圖1所示的激光雷達裝置2，使本裝置可安裝調(diào)整位置不受限定。
[0028]如圖2所示，為本發(fā)明裝置應(yīng)用與無人機上的示意圖，無人機電機I帶動螺旋槳4轉(zhuǎn)動為無人機提供飛行動力，其中無人機電機I的轉(zhuǎn)軸5的上端與螺旋槳4相固連，其下端與第二反射裝置10相固連，第二反射裝置10的中心點處與轉(zhuǎn)軸5中心線的夾角為a(作為優(yōu)選方案，a = 45°時達到最佳效果)，無人機電機I和螺旋槳4的位置可以在機架3上面也可以安裝在機架3下面，激光雷達裝置2的安裝個數(shù)也可由實際情況而定，利用多個激光雷達裝置2可以實現(xiàn)對不同平面360°探測。
[0029]如圖3所示，為本發(fā)明中霍爾傳感器輸出的脈沖和時鐘脈沖配合測量電機轉(zhuǎn)角示意圖，無人機電機I內(nèi)部帶有y個霍爾元器件，無人機電機I勻速轉(zhuǎn)動時，每轉(zhuǎn)動角度β°，霍爾傳感器輸出一個脈沖m，即無人機電機I轉(zhuǎn)動一周霍爾傳感器輸出y個脈沖m。假定時鐘頻率為f，系統(tǒng)處理器單元16檢測到霍爾傳感器輸出脈沖m時，啟動計數(shù)器開始計數(shù)直到霍爾傳感器輸出下個脈沖m為止(兩個脈沖之間電機I轉(zhuǎn)動β° )，讀取系統(tǒng)處理器單元16中的計數(shù)器計數(shù)N，計算無人機電機I在X時間段內(nèi)的轉(zhuǎn)角θ = χ*(β°/Ν)。然后計數(shù)器清零重新開始計數(shù)。
[0030]本發(fā)明激光驅(qū)動電路7驅(qū)動激光器8產(chǎn)生一個激光脈沖。無人機電機I轉(zhuǎn)動時帶動固定于其轉(zhuǎn)軸5底端上的第二反射裝置10轉(zhuǎn)動。激光垂直穿過第一反射裝置12中心點處的通孔9后垂直射到第二反射裝置10，經(jīng)第二反射裝置10反射成水平方向激光。無人機電機I轉(zhuǎn)動時帶動第二反射裝置10轉(zhuǎn)動，則可以實現(xiàn)對無人機周圍360°掃描探測。障礙物11位于第二反射裝置10的反射光路時激光被反射回去，經(jīng)第二反射裝置10和第一反射裝置12的反射后，在第一反射裝置12的反射光路上激光穿過匯聚鏡頭13，達到匯聚激光的作用。激光探測器14接收匯聚的激光，以便激光測距裝置15處理。當激光探測器14接收到返回來的激光后，激光測距裝置15通過測量發(fā)射激光脈沖時間t和接收激光脈沖時間t2之間的時間差(或測量激光器驅(qū)動脈沖和接收激光脈沖之間的時間差)計算障礙物距離無人機距離S，計算公式如下:S= (ts-tihvb為激光的速度)；系統(tǒng)處理器單元16通過電機I帶有的霍爾傳感器配合時鐘計算無人機電機I轉(zhuǎn)角Θ，獲得該轉(zhuǎn)角位置，同時再讀取激光測距裝置15計算的障礙物相距無人機距離s，則實現(xiàn)了對無人機周圍360°障礙物的掃描探測。
【主權(quán)項】
1.一種無人機避障裝置，其特征在于:包括激光驅(qū)動電路(7)，與激光驅(qū)動電路(7)連接的激光器(8)，固定于激光器(8)發(fā)射端的第一反射裝置(12)，激光器(8)發(fā)出的激光束剛好穿過第一反射裝置(12)中心點處的通孔(9);還包括固定于通孔(9)直射光路上的且與無人機電機(I)的轉(zhuǎn)軸(5)底端固連的第二反射裝置(10)，第一反射裝置(12)同時反射第二反射裝置(10)反射回來的激光;還包括固定于第一反射裝置(12)反射光路上的匯聚鏡頭(13)，固定于匯聚鏡頭(13)匯聚光路上的激光探測器(14)，與激光探測器(14)相連的激光測距裝置(15);還包括與所述無人機電機(I)中的霍爾傳感器、激光驅(qū)動電路(7)和激光測距裝置(15)連接的系統(tǒng)處理器單元(16)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無人機避障裝置，其特征在于:所述第二反射裝置(10)固定于無人機電機(I)的轉(zhuǎn)軸(5)底端與電機同時轉(zhuǎn)動，所述的第二反射裝置(10)與水平方向成45度夾角。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于激光雷達的無人機避障裝置，其特征在于:所述第一反射裝置(12)與水平方向成45度夾角。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于激光雷達的無人機避障裝置，其特征在于:所述激光探測器(14)接收匯聚鏡頭(13)匯聚的激光，以便激光測距裝置(15)后續(xù)處理。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于激光雷達的無人機避障裝置，其特征在于:所述激光驅(qū)動電路(7)、激光器(8)、第二反射裝置(10)、第一反射裝置(12)、匯聚鏡頭(13)、激光探測器(14)和激光測距裝置(15)包裝在激光雷達外殼(17)內(nèi)部。6.權(quán)利要求1所述基于激光雷達的無人機避障裝置的避障方法，其特征在于:包括如下步驟: 步驟一，無人機電機(I)轉(zhuǎn)動時帶動固定于其轉(zhuǎn)軸(5)上的第二反射裝置(10)同時轉(zhuǎn)動； 步驟二，激光驅(qū)動電路(7)驅(qū)動激光器(8)發(fā)射激光垂直穿過第一反射裝置(12)中心點處的通孔(9)射到第二反射裝置(10)，在第二反射裝置(10)處反射成水平方向的激光;無人機電機(I)轉(zhuǎn)動時第二反射裝置(10)也轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生360°的激光束，對該水平面進行探測掃描； 步驟三，障礙物(11)位于第二反射裝置(10)的反射光路時，會反射激光，激光反射回來經(jīng)過第二反射裝置(10)和第一反射裝置(12)的反射，經(jīng)匯聚鏡頭(13)匯聚作用后，激光探測器(14)接收匯聚后的激光，以便激光測距裝置(15)進行后續(xù)處理； 步驟四，當激光探測器(14)接收到返回來的激光后，激光測距裝置(15)通過測量發(fā)射激光脈沖時間和接收激光脈沖時間〖2之間的時間差或測量激光器驅(qū)動脈沖和接收激光脈沖之間的時間差計算障礙物距離無人機的距離s;系統(tǒng)處理器單元(16)通過無人機電機(I)帶有的霍爾傳感器輸出的脈沖m配合系統(tǒng)處理器單元(16)的時鐘脈沖f計算出無人機電機(I)任意時刻的轉(zhuǎn)角Θ，同時再讀取激光測距裝置(15)計算的障礙物與無人機之間的距離S，實現(xiàn)對無人機周圍360°障礙物(11)的掃描探測，進行避障處理。
【文檔編號】G05D1/10GK105912027SQ201610505863
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年6月30日
【發(fā)明人】孫劍, 韓二江, 徐飛, 陳偉
【申請人】西安交通大學