一種無(wú)人機(jī)避障裝置及避障方法
【專利摘要】一種無(wú)人機(jī)避障裝置及避障方法，該裝置包括激光驅(qū)動(dòng)電路，與激光驅(qū)動(dòng)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(guò)第一反射裝置中心點(diǎn)處的通孔；還包括固定于通孔直射光路上的且與無(wú)人機(jī)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸底端固連的第二反射裝置，第一反射裝置同時(shí)反射第二反射裝置反射回來(lái)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(cè)器，與激光探測(cè)器相連的激光測(cè)距裝置；還包括與無(wú)人機(jī)電機(jī)中的霍爾傳感器、激光驅(qū)動(dòng)電路和激光測(cè)距裝置連接的系統(tǒng)處理器單元；本發(fā)明還公開(kāi)了該裝置的避障方法；本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了360°探測(cè)，能夠滿足無(wú)人機(jī)高精度的自主避障。
【專利說(shuō)明】
一種無(wú)人機(jī)避障裝置及避障方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及無(wú)人機(jī)避障領(lǐng)域，具體涉及一種無(wú)人機(jī)避障裝置及避障方法，該裝置結(jié)構(gòu)合理，實(shí)現(xiàn)360°探測(cè)。
【背景技術(shù)】
[0002]無(wú)人機(jī)避障能力是決定無(wú)人機(jī)能否與其他飛行器共享空域，同時(shí)在陌生以及不確定環(huán)境下無(wú)人機(jī)成功執(zhí)行任務(wù)的關(guān)鍵因素?，F(xiàn)有的無(wú)人機(jī)避障多采用超聲波和T0F(飛行時(shí)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(dāng)遭遇反射能力不足的物體時(shí)，避障系統(tǒng)的安全性就會(huì)極大降低；同時(shí)聲波易受到影響。TOF(飛行時(shí)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(yáng)光的主要能量波段，使TOF暴漏不足，明顯缺點(diǎn)就是測(cè)量距離變短。
[0003]現(xiàn)有的無(wú)人機(jī)實(shí)現(xiàn)360°探測(cè)的傳統(tǒng)方案是在無(wú)人機(jī)上增加復(fù)雜的電機(jī)設(shè)備，這樣雖然實(shí)現(xiàn)了 360°探測(cè)但是由于負(fù)載變大從而嚴(yán)重影響無(wú)人機(jī)綜合性能和續(xù)航等能力，且避障系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)高精度的自主避障。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了解決上述問(wèn)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(wú)人機(jī)的無(wú)人機(jī)避障裝置及避障方法，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了 360°探測(cè)，能夠滿足無(wú)人機(jī)高精度的自主避障。
[0005]為了達(dá)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(dá)的無(wú)人機(jī)避障裝置，包括激光驅(qū)動(dòng)電路7，與激光驅(qū)動(dòng)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(guò)第一反射裝置12中心點(diǎn)處的通孔9;還包括固定于通孔9直射光路上的且與無(wú)人機(jī)電機(jī)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(shí)反射第二反射裝置10反射回來(lái)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(cè)器14，與激光探測(cè)器14相連的激光測(cè)距裝置15;還包括與所述無(wú)人機(jī)電機(jī)I中的霍爾傳感器、激光驅(qū)動(dòng)電路7和激光測(cè)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(wú)人機(jī)電機(jī)I的轉(zhuǎn)軸5底端與無(wú)人機(jī)電機(jī)同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，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(cè)器14接收匯聚鏡頭13匯聚的激光，以便激光測(cè)距裝置15后續(xù)處理。
[0010]所述激光驅(qū)動(dòng)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(cè)器14和激光測(cè)距裝置15等包裝在激光雷達(dá)外殼17內(nèi)部。
[0011]上述所述基于激光雷達(dá)的無(wú)人機(jī)避障系統(tǒng)的避障方法包括如下步驟:
[0012]步驟一，電機(jī)I轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)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(dòng)電路7驅(qū)動(dòng)激光器8發(fā)射激光垂直穿過(guò)第一反射裝置12中心點(diǎn)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(jī)I轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)第二反射裝置10也轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生360°的激光束，對(duì)該水平面進(jìn)行探測(cè)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(shí)，會(huì)反射激光，激光反射回來(lái)經(jīng)過(guò)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(cè)器14接收匯聚后的激光，以便激光測(cè)距裝置15進(jìn)行后續(xù)處理；
[0015]步驟四，當(dāng)激光探測(cè)器14接收到返回來(lái)的激光后，激光測(cè)距裝置15通過(guò)測(cè)量發(fā)射激光脈沖時(shí)間和接收激光脈沖時(shí)間t2之間的時(shí)間差(或測(cè)量激光器驅(qū)動(dòng)脈沖和接收激光脈沖之間的時(shí)間差)計(jì)算障礙物距離無(wú)人機(jī)距離s;系統(tǒng)處理器單元16通過(guò)無(wú)人機(jī)電機(jī)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(shí)鐘脈沖f計(jì)算出無(wú)人機(jī)電機(jī)I任意時(shí)刻的轉(zhuǎn)角Θ，同時(shí)再讀取激光測(cè)距裝置15計(jì)算的障礙物與無(wú)人機(jī)之間的距離S，實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)周圍360°障礙物的掃描探測(cè)，進(jìn)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(diǎn):
[0017]第一，本發(fā)明簡(jiǎn)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(jī)轉(zhuǎn)軸上，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)反射裝置轉(zhuǎn)動(dòng)，不用增加多余的電機(jī)設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)360°掃描探測(cè)。
[0018]第二，本發(fā)明利用激光分辨率高、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)帶動(dòng)避障系統(tǒng)中的反射裝置不停轉(zhuǎn)動(dòng)，而不是雷達(dá)自身360°探測(cè)掃描;在測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)角的方法上本發(fā)明利用電機(jī)帶有的霍爾傳感器輸出的脈沖配合系統(tǒng)時(shí)鐘脈沖來(lái)計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)角。
[0019]第三，簡(jiǎn)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(wú)人機(jī)的需求;在多軸無(wú)人機(jī)的每個(gè)軸上均可安裝本發(fā)明裝置，也可根據(jù)實(shí)際情況酌情考慮安裝個(gè)數(shù)，并且每個(gè)與電機(jī)轉(zhuǎn)軸固連的反射裝置的安裝高度不同，則可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)平面的探測(cè)，獲得立體場(chǎng)景信息。
【附圖說(shuō)明】
[0020]圖1為本發(fā)明基于激光雷達(dá)的無(wú)人機(jī)避障裝置結(jié)構(gòu)圖。
[0021 ]圖2為本發(fā)明裝置安裝在無(wú)人機(jī)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(shí)鐘脈沖配合測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)角示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023]以下結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。應(yīng)理解這些實(shí)施例僅用于說(shuō)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(duì)本發(fā)明的各種等價(jià)形式的修改均落于本申請(qǐng)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(dá)的無(wú)人機(jī)避障系統(tǒng)，包括激光驅(qū)動(dòng)電路7，與激光驅(qū)動(dòng)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(guò)第一反射裝置12中心點(diǎn)處的通孔9，固定于通孔9直射光路上的且與無(wú)人機(jī)電機(jī)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(shí)反射第二反射裝置10反射回來(lái)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(cè)器14;與激光探測(cè)器14相連的激光測(cè)距裝置15;還包括與所述裝置電機(jī)I中的霍爾傳感器、激光驅(qū)動(dòng)電路7和激光測(cè)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(wú)人機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)軸底端與無(wú)人機(jī)電機(jī)同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，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(shí)可以達(dá)到最佳反射效果。
[0026]所述第一反射裝置12，其中心點(diǎn)處為通孔9，使激光器8發(fā)射的激光能夠穿過(guò)第一反射裝置12;同時(shí)反射第二反射裝置10反射回來(lái)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(shí)可以達(dá)到最佳反射效果。
[0027]作為優(yōu)選方案，激光雷達(dá)外殼17把激光驅(qū)動(dòng)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(cè)器14，激光測(cè)距裝置15等包裝起來(lái)形成如圖1所示的激光雷達(dá)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(wú)人機(jī)上的示意圖，無(wú)人機(jī)電機(jī)I帶動(dòng)螺旋槳4轉(zhuǎn)動(dòng)為無(wú)人機(jī)提供飛行動(dòng)力，其中無(wú)人機(jī)電機(jī)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(diǎn)處與轉(zhuǎn)軸5中心線的夾角為a(作為優(yōu)選方案，a = 45°時(shí)達(dá)到最佳效果)，無(wú)人機(jī)電機(jī)I和螺旋槳4的位置可以在機(jī)架3上面也可以安裝在機(jī)架3下面，激光雷達(dá)裝置2的安裝個(gè)數(shù)也可由實(shí)際情況而定，利用多個(gè)激光雷達(dá)裝置2可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同平面360°探測(cè)。
[0029]如圖3所示，為本發(fā)明中霍爾傳感器輸出的脈沖和時(shí)鐘脈沖配合測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)角示意圖，無(wú)人機(jī)電機(jī)I內(nèi)部帶有y個(gè)霍爾元器件，無(wú)人機(jī)電機(jī)I勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，每轉(zhuǎn)動(dòng)角度β°，霍爾傳感器輸出一個(gè)脈沖m，即無(wú)人機(jī)電機(jī)I轉(zhuǎn)動(dòng)一周霍爾傳感器輸出y個(gè)脈沖m。假定時(shí)鐘頻率為f，系統(tǒng)處理器單元16檢測(cè)到霍爾傳感器輸出脈沖m時(shí)，啟動(dòng)計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)直到霍爾傳感器輸出下個(gè)脈沖m為止(兩個(gè)脈沖之間電機(jī)I轉(zhuǎn)動(dòng)β° )，讀取系統(tǒng)處理器單元16中的計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)N，計(jì)算無(wú)人機(jī)電機(jī)I在X時(shí)間段內(nèi)的轉(zhuǎn)角θ = χ*(β°/Ν)。然后計(jì)數(shù)器清零重新開(kāi)始計(jì)數(shù)。
[0030]本發(fā)明激光驅(qū)動(dòng)電路7驅(qū)動(dòng)激光器8產(chǎn)生一個(gè)激光脈沖。無(wú)人機(jī)電機(jī)I轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)固定于其轉(zhuǎn)軸5底端上的第二反射裝置10轉(zhuǎn)動(dòng)。激光垂直穿過(guò)第一反射裝置12中心點(diǎn)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(wú)人機(jī)電機(jī)I轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)第二反射裝置10轉(zhuǎn)動(dòng)，則可以實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)周圍360°掃描探測(cè)。障礙物11位于第二反射裝置10的反射光路時(shí)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(guò)匯聚鏡頭13，達(dá)到匯聚激光的作用。激光探測(cè)器14接收匯聚的激光，以便激光測(cè)距裝置15處理。當(dāng)激光探測(cè)器14接收到返回來(lái)的激光后，激光測(cè)距裝置15通過(guò)測(cè)量發(fā)射激光脈沖時(shí)間t和接收激光脈沖時(shí)間t2之間的時(shí)間差(或測(cè)量激光器驅(qū)動(dòng)脈沖和接收激光脈沖之間的時(shí)間差)計(jì)算障礙物距離無(wú)人機(jī)距離S，計(jì)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(guò)電機(jī)I帶有的霍爾傳感器配合時(shí)鐘計(jì)算無(wú)人機(jī)電機(jī)I轉(zhuǎn)角Θ，獲得該轉(zhuǎn)角位置，同時(shí)再讀取激光測(cè)距裝置15計(jì)算的障礙物相距無(wú)人機(jī)距離s，則實(shí)現(xiàn)了對(duì)無(wú)人機(jī)周圍360°障礙物的掃描探測(cè)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種無(wú)人機(jī)避障裝置，其特征在于:包括激光驅(qū)動(dòng)電路(7)，與激光驅(qū)動(dòng)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(guò)第一反射裝置(12)中心點(diǎn)處的通孔(9);還包括固定于通孔(9)直射光路上的且與無(wú)人機(jī)電機(jī)(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(shí)反射第二反射裝置(10)反射回來(lái)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(cè)器(14)，與激光探測(cè)器(14)相連的激光測(cè)距裝置(15);還包括與所述無(wú)人機(jī)電機(jī)(I)中的霍爾傳感器、激光驅(qū)動(dòng)電路(7)和激光測(cè)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(wú)人機(jī)避障裝置，其特征在于:所述第二反射裝置(10)固定于無(wú)人機(jī)電機(jī)(I)的轉(zhuǎn)軸(5)底端與電機(jī)同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，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(dá)的無(wú)人機(jī)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(dá)的無(wú)人機(jī)避障裝置，其特征在于:所述激光探測(cè)器(14)接收匯聚鏡頭(13)匯聚的激光，以便激光測(cè)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(dá)的無(wú)人機(jī)避障裝置，其特征在于:所述激光驅(qū)動(dòng)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(cè)器(14)和激光測(cè)距裝置(15)包裝在激光雷達(dá)外殼(17)內(nèi)部。6.權(quán)利要求1所述基于激光雷達(dá)的無(wú)人機(jī)避障裝置的避障方法，其特征在于:包括如下步驟: 步驟一，無(wú)人機(jī)電機(jī)(I)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)固定于其轉(zhuǎn)軸(5)上的第二反射裝置(10)同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)； 步驟二，激光驅(qū)動(dòng)電路(7)驅(qū)動(dòng)激光器(8)發(fā)射激光垂直穿過(guò)第一反射裝置(12)中心點(diǎn)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(wú)人機(jī)電機(jī)(I)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)第二反射裝置(10)也轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生360°的激光束，對(duì)該水平面進(jìn)行探測(cè)掃描； 步驟三，障礙物(11)位于第二反射裝置(10)的反射光路時(shí)，會(huì)反射激光，激光反射回來(lái)經(jīng)過(guò)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(cè)器(14)接收匯聚后的激光，以便激光測(cè)距裝置(15)進(jìn)行后續(xù)處理； 步驟四，當(dāng)激光探測(cè)器(14)接收到返回來(lái)的激光后，激光測(cè)距裝置(15)通過(guò)測(cè)量發(fā)射激光脈沖時(shí)間和接收激光脈沖時(shí)間〖2之間的時(shí)間差或測(cè)量激光器驅(qū)動(dòng)脈沖和接收激光脈沖之間的時(shí)間差計(jì)算障礙物距離無(wú)人機(jī)的距離s;系統(tǒng)處理器單元(16)通過(guò)無(wú)人機(jī)電機(jī)(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(shí)鐘脈沖f計(jì)算出無(wú)人機(jī)電機(jī)(I)任意時(shí)刻的轉(zhuǎn)角Θ，同時(shí)再讀取激光測(cè)距裝置(15)計(jì)算的障礙物與無(wú)人機(jī)之間的距離S，實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)周圍360°障礙物(11)的掃描探測(cè)，進(jìn)行避障處理。
【文檔編號(hào)】G05D1/10GK105912027SQ201610505863
【公開(kāi)日】2016年8月31日
【申請(qǐng)日】2016年6月30日
【發(fā)明人】孫劍, 韓二江, 徐飛, 陳偉
【申請(qǐng)人】西安交通大學(xué)