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CN112114590A - 一种无人机自动检测躲避障碍系统 - Google Patents

一种无人机自动检测躲避障碍系统 Download PDF

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Publication number
CN112114590A
CN112114590A CN202010767503.7A CN202010767503A CN112114590A CN 112114590 A CN112114590 A CN 112114590A CN 202010767503 A CN202010767503 A CN 202010767503A CN 112114590 A CN112114590 A CN 112114590A
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CN
China
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obstacle
aerial vehicle
unmanned aerial
distance
flight
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Withdrawn
Application number
CN202010767503.7A
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English (en)
Inventor
张鑫
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Binzhou University
Original Assignee
Binzhou University
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Filing date
Publication date
Application filed by Binzhou University filed Critical Binzhou University
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    • GPHYSICS
    • G05CONTROLLING; REGULATING
    • G05DSYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
    • G05D1/00Control of position, course, altitude or attitude of land, water, air or space vehicles, e.g. using automatic pilots
    • G05D1/10Simultaneous control of position or course in three dimensions
    • G05D1/101Simultaneous control of position or course in three dimensions specially adapted for aircraft
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01SRADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S15/00Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems
    • G01S15/88Sonar systems specially adapted for specific applications
    • G01S15/93Sonar systems specially adapted for specific applications for anti-collision purposes
    • GPHYSICS
    • G05CONTROLLING; REGULATING
    • G05DSYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
    • G05D1/00Control of position, course, altitude or attitude of land, water, air or space vehicles, e.g. using automatic pilots
    • G05D1/04Control of altitude or depth
    • G05D1/042Control of altitude or depth specially adapted for aircraft

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  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Control Of Position, Course, Altitude, Or Attitude Of Moving Bodies (AREA)

Abstract

本发明公开了一种无人机自动检测躲避障碍系统,包括不间断扫描单元、协处理模块、测距单元、鉴别模块、指令录入单元、处理器、规则库、记录单元、智能设备和飞行控制单元;本发明通过不间断扫描单元对无人机飞行前方进行不间断扫描,当检测到前方存在障碍时不间断扫描单元会向协处理模块返回障碍信息,障碍信息包括障碍信号和方向信息,方向信息为障碍物所在的方向;协处理模块接收不间断扫描单元传输的障碍信息,之后会自动结合测距单元、鉴别模块对障碍信息进行障碍分析;判断对应障碍物为固定障碍还是可移动障碍。

Description

一种无人机自动检测躲避障碍系统
技术领域
本发明属于障碍躲避领域,涉及无人机避障技术,具体是一种无人机自动检测躲避障碍系统。
背景技术
公开号为CN109032182A的专利公开了一种基于毫米波雷达的无人机避障系统及控制方法,属于无人机避障系统领域。避障系统包括:无人机主体、避障模块、毫米波雷达模块;所述无人机主体为具有独立飞行功能的多旋翼无人机;所述无人机主体的控制系统包括主控制器、主板、飞行控制器和电源;控制方法包括:1)获得对应周围环境的雷达信号;2)雷达信号传送至构图程序;3)绘制出体现无人机附近环境特征的地形图;4)得出当前位置至目标位置,避开所有障碍物后的最短路线;5)得出无人机的动作要求;6)得出与其对应的控制指令,控制无人机做出相应动作。
但是,针对无人机在具体飞行过程中缺乏一种能够根据障碍物的实时位置,具体分辨出对应障碍物为禁止不动障碍物,还是活动障碍物,并根据不同的障碍物给与不同的避障反映,在做出较小的动作情况下,有效避开障碍物;为了实现这一技术构思,现提供一种技术方案。
发明内容
本发明的目的在于提供一种无人机自动检测躲避障碍系统。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现:
一种无人机自动检测躲避障碍系统,包括不间断扫描单元、协处理模块、测距单元、鉴别模块、指令录入单元、处理器、规则库、记录单元、智能设备和飞行控制单元;
其中,所述指令录入单元用于录入飞行指令,飞行指令为指示无人机飞行的指令,包括飞行方向和飞行速度;所述指令录入单元用于将飞行指令传输到处理器,所述处理器接收到指令录入单元传输的飞行指令并将其传输到飞行控制单元,飞行控制单元接收处理器传输的飞行指令并按照飞行指令驱动无人机飞行;
所述指令录入单元用于将飞行指令传输到协处理模块;
所述不间断扫描单元为设置在无人机机身上的超声波扫描装置,用于对无人机飞行前方进行不间断扫描,当检测到前方存在障碍时不间断扫描单元会向协处理模块返回障碍信息,障碍信息包括障碍信号和方向信息,方向信息为障碍物所在的方向;所述协处理模块接收不间断扫描单元传输的障碍信息,所述协处理模块用于结合测距单元、鉴别模块对障碍信息进行障碍分析,障碍分析的具体步骤为:
步骤一:首先获取到不间断扫描单元传输的障碍信息;
步骤二:获取到障碍信息内的方向信息,将方向信息传输到测距单元;
步骤三:利用测距单元测量得到对应方向信息到无人机之间的距离,将其标记为障碍距离L,对应将障碍物标记为Z;
步骤四:获取到无人机的飞行速度,将其标记为F;
步骤五:经过时间T1后,再次利用测距单元获取到对应障碍与无人机之间的距离,将其标记为后障碍距离L2,重新获取到此时的无人机飞行速度,将其标记为F2;
步骤六:测距单元将障碍距离L、后障碍距离L2、时间T1、两次无人机飞行速度F1和F2借助协处理模块,传输到鉴别模块;
步骤七:鉴别模块用于对障碍距离L、后障碍距离L2、时间T1、飞行速度F1和F2进行类别分析,产生迫近信号或者非迫近信号;
所述协处理模块在产生迫近信号时将迫近信号传输到处理器,所述处理器接收到协处理模块传输的迫近信号时,自动结合规则库内的迫近躲避分析规则,进入迫近躲避分析,具体方法为:
S10:当接收到迫近信号时,会驱动飞机控制单元将无人机暂停;
S20:之后以无人机为原点,任意建立三维坐标系;
S30:预测障碍物的运动轨迹,预测方法为将障碍物视为无动力惯性飞行,连续每经过时间T2获取一次障碍物坐标,根据其飞行方向,获取到其飞行轨迹;此处为现有技术,即为做初速度为指定值的抛物运动;该飞行轨迹为抛物线;
S40:当飞行轨迹不与无人机相交时,产生正确信号,否则产生错误信号;在此过程中选择调整飞行高度,调整方式如下:
S41:将飞行高度拔高,在此过程中不断检测到无人机与障碍物之间的距离,将该距离标记为拉隔距离;若拉隔距离增大到X3时,X3为预设值;则保持高度不变;否则进入步骤S42;
S42:将无人机飞行高度往障碍物飞行反方向飞行,持续获取拉隔距离,直到拉隔距离不再减小。
进一步地,障碍分析步骤七中的类别分析的具体步骤为:
S1:获取到障碍距离L、后障碍距离L2、时间T1、飞行速度F1和F2;
S2:将障碍距离L减去后障碍距离L2,得到飞行距离Lc,当Lc小于等于0时,产生跟随信号;
S3:当Lc大于0时,则转至步骤S4;
S4:利用公式计算预期差值Y,具体计算公式为:
Y=T1*(F1+F2)/2-Lc;
S5:当Y小于X1时,产生迫近信号,其中X1为预设值且其取值小于0;
当X1≤Y≤X2时,产生非迫近信号,其中X2为预设值且其取值大于X1。
进一步地,所述协处理模块在产生非迫近信号时将迫近信号传输到处理器,所述处理器接收到协处理模块传输的非迫近信号时进行绕开。
进一步地,所述处理器还用于在产生迫近信号和非迫近信号时,将其融合时间戳形成遇障记录,所述处理器用于将遇障记录传输到记录单元进行存储。
进一步地,所述处理器还用于在产生迫近信号和非迫近信号时,向智能设备传输“遇到障碍物”字眼。
本发明的有益效果:
本发明通过不间断扫描单元对无人机飞行前方进行不间断扫描,当检测到前方存在障碍时不间断扫描单元会向协处理模块返回障碍信息,障碍信息包括障碍信号和方向信息,方向信息为障碍物所在的方向;协处理模块接收不间断扫描单元传输的障碍信息,之后会自动结合测距单元、鉴别模块对障碍信息进行障碍分析;判断对应障碍物为固定障碍还是可移动障碍;
并且对应在固定障碍时,按照指定方式进行避开,而当其为迎面而来的可移动障碍物时,则会结合规则库内的迫近躲避分析规则,进行迫近躲避分析步骤,根据分析结构对迫近的障碍物进行自动躲避;本发明简单有效,且易于实用;能够自主适应多种场合下的障碍物躲避。
附图说明
为了便于本领域技术人员理解,下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为本发明的系统框图。
具体实施方式
如图1所示,一种无人机自动检测躲避障碍系统,包括不间断扫描单元、协处理模块、测距单元、鉴别模块、指令录入单元、处理器、规则库、记录单元、智能设备和飞行控制单元;
其中,所述指令录入单元用于录入飞行指令,飞行指令为指示无人机飞行的指令,包括飞行方向和飞行速度;所述指令录入单元用于将飞行指令传输到处理器,所述处理器接收到指令录入单元传输的飞行指令并将其传输到飞行控制单元,飞行控制单元接收处理器传输的飞行指令并按照飞行指令驱动无人机飞行;
所述指令录入单元用于将飞行指令传输到协处理模块;
所述不间断扫描单元为设置在无人机机身上的超声波扫描装置,用于对无人机飞行前方进行不间断扫描,当检测到前方存在障碍时不间断扫描单元会向协处理模块返回障碍信息,障碍信息包括障碍信号和方向信息,方向信息为障碍物所在的方向;所述协处理模块接收不间断扫描单元传输的障碍信息,所述协处理模块用于结合测距单元、鉴别模块对障碍信息进行障碍分析,障碍分析的具体步骤为:
步骤一:首先获取到不间断扫描单元传输的障碍信息;
步骤二:获取到障碍信息内的方向信息,将方向信息传输到测距单元;
步骤三:利用测距单元测量得到对应方向信息到无人机之间的距离,将其标记为障碍距离L,对应将障碍物标记为Z;
步骤四:获取到无人机的飞行速度,将其标记为F;
步骤五:经过时间T1后,再次利用测距单元获取到对应障碍与无人机之间的距离,将其标记为后障碍距离L2,重新获取到此时的无人机飞行速度,将其标记为F2;
步骤六:测距单元将障碍距离L、后障碍距离L2、时间T1、两次无人机飞行速度F1和F2借助协处理模块,传输到鉴别模块;
步骤七:鉴别模块用于对障碍距离L、后障碍距离L2、时间T1、飞行速度F1和F2进行类别分析,具体类别分析步骤为:
S1:获取到障碍距离L、后障碍距离L2、时间T1、飞行速度F1和F2;
S2:将障碍距离L减去后障碍距离L2,得到飞行距离Lc,当Lc小于等于0时,产生跟随信号;
S3:当Lc大于0时,则转至步骤S4;
S4:利用公式计算预期差值Y,具体计算公式为:
Y=T1*(F1+F2)/2-Lc;此处公式为借助F1和F2之间的平均速度模糊的认定其为无人机在T1时间飞行的速度,根据认定的飞行平均速度,乘以时间T1得到无人机在T1时间内飞行的距离;将该距离与Lc进行比较,若该距离比Lc小且小的幅度超过一定值时,表示对应障碍物在迫近;
S5:当Y小于X1时,产生迫近信号,其中X1为预设值且其取值小于0;
当X1≤Y≤X2时,产生非迫近信号,其中X2为预设值且其取值大于X1;
所述协处理模块在产生迫近信号时将迫近信号传输到处理器,所述处理器接收到协处理模块传输的迫近信号时,自动结合规则库内的迫近躲避分析规则,进入迫近躲避分析,具体方法为:
S10:当接收到迫近信号时,会驱动飞机控制单元将无人机暂停;
S20:之后以无人机为原点,任意建立三维坐标系;
S30:预测障碍物的运动轨迹,预测方法为将障碍物视为无动力惯性飞行,连续每经过时间T2获取一次障碍物坐标,根据其飞行方向,获取到其飞行轨迹;此处为现有技术,即为做初速度为指定值的抛物运动;该飞行轨迹为抛物线;
S40:当飞行轨迹不与无人机相交时,产生正确信号,否则产生错误信号;在此过程中选择调整飞行高度,调整方式如下:
S41:将飞行高度拔高,在此过程中不断检测到无人机与障碍物之间的距离,将该距离标记为拉隔距离;若拉隔距离增大到X3时,X3为预设值;则保持高度不变;否则进入步骤S42;
S42:将无人机飞行高度往障碍物飞行反方向飞行,持续获取拉隔距离,直到拉隔距离不再减小;
所述协处理模块在产生非迫近信号时将迫近信号传输到处理器,所述处理器接收到协处理模块传输的非迫近信号时进行绕开,绕开方式为现有技术中绕开固定障碍物方式,具体可为越过障碍物或者调转方向,此为现有技术故不做具体公开;
所述处理器还用于在产生迫近信号和非迫近信号时,将其融合时间戳形成遇障记录,所述处理器用于将遇障记录传输到记录单元进行存储;
所述处理器还用于在产生迫近信号和非迫近信号时,向智能设备传输“遇到障碍物”字眼。
一种无人机自动检测躲避障碍系统,在工作时,通过不间断扫描单元对无人机飞行前方进行不间断扫描,当检测到前方存在障碍时不间断扫描单元会向协处理模块返回障碍信息,障碍信息包括障碍信号和方向信息,方向信息为障碍物所在的方向;协处理模块接收不间断扫描单元传输的障碍信息,之后会自动结合测距单元、鉴别模块对障碍信息进行障碍分析;判断对应障碍物为固定障碍还是可移动障碍;
并且对应在固定障碍时,按照指定方式进行避开,而当其为迎面而来的可移动障碍物时,则会结合规则库内的迫近躲避分析规则,进行迫近躲避分析步骤,根据分析结构对迫近的障碍物进行自动躲避;本发明简单有效,且易于实用;能够自主适应多种场合下的障碍物躲避。
以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例和说明,所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代,只要不偏离发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围,均应属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种无人机自动检测躲避障碍系统,其特征在于,包括不间断扫描单元、协处理模块、测距单元、鉴别模块、指令录入单元、处理器、规则库、记录单元、智能设备和飞行控制单元;
其中,所述指令录入单元用于录入飞行指令,飞行指令为指示无人机飞行的指令,包括飞行方向和飞行速度;所述指令录入单元用于将飞行指令传输到处理器,所述处理器接收到指令录入单元传输的飞行指令并将其传输到飞行控制单元,飞行控制单元接收处理器传输的飞行指令并按照飞行指令驱动无人机飞行;
所述指令录入单元用于将飞行指令传输到协处理模块;
所述不间断扫描单元为设置在无人机机身上的超声波扫描装置,用于对无人机飞行前方进行不间断扫描,当检测到前方存在障碍时不间断扫描单元会向协处理模块返回障碍信息,障碍信息包括障碍信号和方向信息,方向信息为障碍物所在的方向;所述协处理模块接收不间断扫描单元传输的障碍信息,所述协处理模块用于结合测距单元、鉴别模块对障碍信息进行障碍分析,障碍分析的具体步骤为:
步骤一:首先获取到不间断扫描单元传输的障碍信息;
步骤二:获取到障碍信息内的方向信息,将方向信息传输到测距单元;
步骤三:利用测距单元测量得到对应方向信息到无人机之间的距离,将其标记为障碍距离L,对应将障碍物标记为Z;
步骤四:获取到无人机的飞行速度,将其标记为F;
步骤五:经过时间T1后,再次利用测距单元获取到对应障碍与无人机之间的距离,将其标记为后障碍距离L2,重新获取到此时的无人机飞行速度,将其标记为F2;
步骤六:测距单元将障碍距离L、后障碍距离L2、时间T1、两次无人机飞行速度F1和F2借助协处理模块,传输到鉴别模块;
步骤七:鉴别模块用于对障碍距离L、后障碍距离L2、时间T1、飞行速度F1和F2进行类别分析,产生迫近信号或者非迫近信号;
所述协处理模块在产生迫近信号时将迫近信号传输到处理器,所述处理器接收到协处理模块传输的迫近信号时,自动结合规则库内的迫近躲避分析规则,进入迫近躲避分析,具体方法为:
S10:当接收到迫近信号时,会驱动飞机控制单元将无人机暂停;
S20:之后以无人机为原点,任意建立三维坐标系;
S30:预测障碍物的运动轨迹,预测方法为将障碍物视为无动力惯性飞行,连续每经过时间T2获取一次障碍物坐标,根据其飞行方向,获取到其飞行轨迹;此处为现有技术,即为做初速度为指定值的抛物运动;该飞行轨迹为抛物线;
S40:当飞行轨迹不与无人机相交时,产生正确信号,否则产生错误信号;在此过程中选择调整飞行高度,调整方式如下:
S41:将飞行高度拔高,在此过程中不断检测到无人机与障碍物之间的距离,将该距离标记为拉隔距离;若拉隔距离增大到X3时,X3为预设值;则保持高度不变;否则进入步骤S42;
S42:将无人机飞行高度往障碍物飞行反方向飞行,持续获取拉隔距离,直到拉隔距离不再减小。
2.根据权利要求1所述的一种无人机自动检测躲避障碍系统,其特征在于,障碍分析步骤七中的类别分析的具体步骤为:
S1:获取到障碍距离L、后障碍距离L2、时间T1、飞行速度F1和F2;
S2:将障碍距离L减去后障碍距离L2,得到飞行距离Lc,当Lc小于等于0时,产生跟随信号;
S3:当Lc大于0时,则转至步骤S4;
S4:利用公式计算预期差值Y,具体计算公式为:
Y=T1*(F1+F2)/2-Lc;
S5:当Y小于X1时,产生迫近信号,其中X1为预设值且其取值小于0;
当X1≤Y≤X2时,产生非迫近信号,其中X2为预设值且其取值大于X1。
3.根据权利要求1所述的一种无人机自动检测躲避障碍系统,其特征在于,所述协处理模块在产生非迫近信号时将迫近信号传输到处理器,所述处理器接收到协处理模块传输的非迫近信号时进行绕开。
4.根据权利要求1所述的一种无人机自动检测躲避障碍系统,其特征在于,所述处理器还用于在产生迫近信号和非迫近信号时,将其融合时间戳形成遇障记录,所述处理器用于将遇障记录传输到记录单元进行存储。
5.根据权利要求1所述的一种无人机自动检测躲避障碍系统,其特征在于,所述处理器还用于在产生迫近信号和非迫近信号时,向智能设备传输“遇到障碍物”字眼。
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