基于超聲波與雙目視覺的無人機避險探測裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及無人機的研究領域，特別涉及一種基于超聲波與雙目視覺的無人機避險探測裝置及方法。
【背景技術】
[0002]目前，小型無人機快速避障是無人機研究領域的一個重要問題，它有許多不同于陸地智能機器人避障的特點。小型無人機的飛行環(huán)境具有不確定性，不能實現(xiàn)自主路徑規(guī)劃，必須采用自主避障的方式。小型無人機體積小，載重量有限，不能承載重量較大的聲波探測器，因此需要尋找一種基于超聲波和雙目視覺的測距避障系統(tǒng)及控制方法。

【發(fā)明內容】

[0003]本發(fā)明的主要目的在于克服現(xiàn)有技術的缺點與不足，提供一種基于超聲波與雙目視覺的無人機避險探測裝置。
[0004]本發(fā)明的另一目的在于，提供一種基于超聲波與雙目視覺的無人機避險探測裝置的探測方法。
[0005]為了達到上述第一目的，本發(fā)明采用以下技術方案:
[0006]一種基于超聲波與雙目視覺的無人機避險探測裝置，包括電源管理系統(tǒng)、測距系統(tǒng)和接口系統(tǒng)；所述電源管理系統(tǒng)包括電源輸出管理單元、充電管理單元和鋰電池，所述電源輸出管理單元能夠為整個系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電源供給，所述充電管理單元用于為鋰電池提供穩(wěn)定的充電保障；所述測距系統(tǒng)包括視覺單元、超聲單元、信息處理單元和慣量單元，視覺單元能夠實時采集視覺信息并及時傳遞到信息處理單元，并能夠根據(jù)信息處理單元的控制指令，調整采集參數(shù)，超聲單元能夠定期采集視覺單元的朝向距離信息，并能夠將采集的數(shù)據(jù)信息實時傳遞到信息處理單元，信息處理單元，能夠實時采集視覺單元和超聲單元采集的數(shù)據(jù)，并能夠根據(jù)采集的數(shù)據(jù)經數(shù)據(jù)融合得出前方障礙物的距離和系統(tǒng)的傾角信息，并將產生的數(shù)據(jù)經接口系統(tǒng)上傳或顯示；慣量單元能夠提供系統(tǒng)的傾角信息，用于云臺的控制；所述接口系統(tǒng)包括顯示單元、接口單元和無線單元，顯示單元能夠將測距系統(tǒng)傳遞的數(shù)據(jù)顯示；接口單元能夠外接各種設備，測距系統(tǒng)的數(shù)據(jù)能夠經過接口單元傳遞給外接設備；無線單元能夠將測距系統(tǒng)的數(shù)據(jù)以無線通信的形式發(fā)送到相應無線通信設備中。
[0007]優(yōu)選的，所述電源輸出管理單元控制鋰電池中的電源穩(wěn)定的輸出，為整個系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電源供給。
[0008]優(yōu)選的，所述充電管理單元用于鋰電池的充電，能夠提供穩(wěn)定的充電保障，提高鋰電池的使用壽命。
[0009]優(yōu)選的，所述視覺單元包含兩個參數(shù)相同的攝像頭，視覺單元的兩個攝像頭能夠接受控制信令，調整攝像頭的參數(shù)，并將采集的視覺信息傳遞到信息處理單元。
[0010]優(yōu)選的，所述超聲單元用于測量視覺單元攝像頭的朝向距離，能夠接收控制信令，調整測量頻率，并將測量到的超聲信息傳遞到信息處理單元，所述超聲單元的發(fā)射軸線與視覺單元兩個攝像頭的軸線互相平行。
[0011]優(yōu)選的，所述信息處理單元采集視覺單元的視覺信息，同時采集超聲單元的超聲信息，然后采用數(shù)據(jù)融合的方法得出前方障礙物的距離和系統(tǒng)的傾角信息，并將產生的數(shù)據(jù)經接口系統(tǒng)上傳或顯示。
[0012]優(yōu)選的，所述慣量單元包括傾角傳感器能夠測的測的系統(tǒng)本身的傾角，為云臺的調整提供數(shù)據(jù)；所述傾角傳感器的其中一個敏感軸與超聲波單元的探測指向相平行。
[0013]優(yōu)選的，所述顯示單元能夠將測距系統(tǒng)傳遞的數(shù)據(jù)顯示，其中顯示數(shù)據(jù)包括障礙物距離測距系統(tǒng)的距離和系統(tǒng)的傾角信息；
[0014]所述接口單元能夠外接各種設備，測距系統(tǒng)的數(shù)據(jù)能夠經過接口單元傳遞給外接設備；
[0015]所述無線單元能夠將測距系統(tǒng)的數(shù)據(jù)以無線通信的形式發(fā)送到相應無線通信設備中；
[0016]控制視覺單元和超聲單元采集視覺信息和超聲信息，信息處理單元采集視覺、超聲信息和傾角數(shù)據(jù)，經過數(shù)據(jù)融合得出前方障礙物的距離和系統(tǒng)的傾角信息，然后將所產生的數(shù)據(jù)經過接口系統(tǒng)顯示或者上傳到其他設備上。本發(fā)明可以實現(xiàn)設備朝向的精確測距與障礙物的識別，最大限度提高測距的精度和成功避障的可靠性。
[0017]為了達到上述第二目的，本發(fā)明采用以下技術方案:
[0018]基于超聲波與雙目視覺的無人機避險探測裝置的探測方法，包括下述步驟:
[0019](I)裝置啟動前，電源管理系統(tǒng)檢測鋰電池的電池電壓，若電壓過低則發(fā)出裝置失效預警；
[0020](2)裝置啟動時，測距系統(tǒng)需要進行一次標定，信息處理單元采集測量視覺單元的視覺信息和超聲單元的超聲信息，根據(jù)超聲信息對視覺單元所得到的前方障礙物的距離進行修正。
[0021](3)基于(2)信息處理單元采集超聲單元的超聲信息、視覺單元的視覺信息和慣量單元的傾角數(shù)據(jù)。
[0022](4)基于(2)信息處理單元根據(jù)采集的視覺信息計算出前方障礙物的最小距離，與采集到的超聲信息進行數(shù)據(jù)融合，得到前方障礙物測的距離。
[0023](5)基于(3)信息處理單元根據(jù)采集到的視覺信息，搜尋到障礙物，并計算出障礙物的距離信息。
[0024](6)信息處理單元將處理后的數(shù)據(jù)上傳到接口系統(tǒng)。
[0025](7)基于(6)接口系統(tǒng)將采集到的數(shù)據(jù)在顯示單元上顯示前方障礙物的距離和系統(tǒng)的傾角信息。
[0026](8)基于(6)接口系統(tǒng)將采集到的數(shù)據(jù)根據(jù)接入設備的不同通信方式，以相應的通信方式，將前方障礙物的距離和系統(tǒng)的傾角信息上傳到接入設備，如果系統(tǒng)掛載在云臺，可以將傾角信息上傳到云臺控制端，用于對云臺的控制。
[0027](9)基于(6)接口系統(tǒng)將采集到的數(shù)據(jù)根據(jù)接入無線通信設備的不同通信方式，以相應的通信方式，將前方障礙物的距離和系統(tǒng)的傾角信息上傳到無線通信設備。
[0028](10)當距離前方障礙物的距離低于設定值時，裝置會發(fā)出危險警報(聲、光、通信信令)。
[0029]優(yōu)選的，所述步驟⑴中，裝置啟動前，低電量報警數(shù)值設為2.0V。
[0030]優(yōu)選的，所述步驟(4)中，數(shù)據(jù)融合的方法為采用卡爾曼濾波方法。
[0031]優(yōu)選的，所述步驟(8)中，通信方式為CAN、I2C、UART。
[0032]優(yōu)選的，所述步驟(9)中，通信設備為基于2.4GHz通信頻段的nRF24L 01通信模塊。
[0033]優(yōu)選的，所述步驟(10)中，當裝置處于危險狀態(tài)的設定值為10m。
[0034]本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，具有如下優(yōu)點和有益效果:
[0035]目前，小型無人機快速避障是無人機研究領域的一個重要問題，它有許多不同于陸地智能機器人避障的特點。小型無人機的飛行環(huán)境具有不確定性，不能實現(xiàn)自主路徑規(guī)劃，必須采用自主避障的方式。小型無人機體積小，載重量有限，不能承載重量較大的聲波探測器，因此需要尋找一種基于超聲波和雙目視覺的測距避障系統(tǒng)及控制方法。
[0036]1、針對目前用于小型無人機快速避障的設備在小型無人機飛行過程中難以有效的根據(jù)環(huán)境周圍的信息采取快速的避障行為，無法有效的保證小型無人機的安全飛行。本發(fā)明通過控制視覺單元和超聲單元采集視覺信息和超聲信息，信息處理單元采集視覺和超聲信息，經過數(shù)據(jù)融合得出前方障礙物的距離和系統(tǒng)的傾角信息，然后將所產生的數(shù)據(jù)經過接口系統(tǒng)顯示或者上傳到其他設備上。本發(fā)明可以實現(xiàn)設備朝向的精確測距與障礙物的識別，最大限度提高測距的精度和成功避障的可靠性。
[0037]2、本發(fā)明方法可以通過無線單元與地面控制人員進行通信，能夠及時告知控制人員，提高控制人員對所要面對的環(huán)境危險的預判，控制人員可以遠程對所要面對的障礙物有一個更加清晰的了解，提高了小型無人機飛行的安全性。
【附圖說明】
[0038]圖1是本發(fā)明裝置的總體示意圖；
[0039]圖2是本發(fā)明裝置的電源管理系統(tǒng)電路連接關系示意圖。
[0040]圖3是本發(fā)明裝置的測距系統(tǒng)電路連接關系示意圖。
[0041]圖4是本發(fā)明裝置的接口系統(tǒng)電路連接關系示意圖。
【具體實施方式】
[0042]下面結合實施例及附圖對本發(fā)明作進一步詳細的描述，但本發(fā)明的實施方式不限于此。
[0043]實施例
[0044]目前，小型無人機快速避障是無人機研究領域的一個重要問題，它有許多不同于陸地智能機器人避障的特點。小型無人機的飛行環(huán)境具有不確定性，不能實現(xiàn)自主路徑規(guī)劃，必須采用自主避障的方式。小型無人機體積小，載重量有限，不能承載重量較大的聲波探測器，因此需要尋找一種基于超聲波與雙目視覺的無人機避險探測裝置及探測方法。
[0045]本實施例所述一種基于超聲波與雙目視覺的無人機避險探測裝置，如圖1所示，該探測裝置包括電源管理系統(tǒng)5、視覺單元2、視覺單元4、超聲單元3、信息處理單元1、接口系統(tǒng)6、慣量單元7。其中整個系統(tǒng)安裝在小型無人機身上，所述視覺單元2、視覺單元4和超聲單元3分別采集圖像信息和距離信息，慣量單元7采集系統(tǒng)傾角信息，信息處理單元I采集圖像信息和距離信息傾角信息，采用數(shù)據(jù)融合的方法得到朝向方向障礙物的距離信息和系統(tǒng)的傾角信息，并將所得到的數(shù)據(jù)上傳到接口系統(tǒng)6，由接口系統(tǒng)6顯示數(shù)據(jù)或者上傳到其他設備。
[0046]如圖2所示，所述充電管理單元可由充電管理模塊組成，用于給鋰電