一种基于激光阵列的多轴无人机避障系统及其避障方法技术方案

本发明专利技术适用于航空科学技术领域，提供了基于激光阵列的多轴无人机避障方法与系统；系统包括：信息采集、姿态识别、姿态调整、信息处理和避障执行五个模块；方法包括：通过激光测距阵列实现对无人机前方立体场景信息采集及无人机的姿态识别、避障系统的姿态调整与信息加工处理，实现有效避障。其主要特征为：激光测距阵列包括一个居中的接收头及多个激光发射头，激光发射头装置柱形透镜，发射直线光斑；通过特殊布置激光发射头阵列，使其发出的直线光斑有效重叠在一定水平夹角内的扇形区域，实现对前方扇形区域的扫描，侦测有无障碍物及障碍物的大小和方位，结合无人机当前姿态实现精确报警并重新规划路径，实现三维环境下障碍物的有效侦测与避让。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及航空科学
，尤其涉及一种基于激光阵列的多轴无人机避障系 统及其避障方法。
技术介绍
近年来，多轴无人机发展迅猛。无人机在飞行过程中，其飞行环境信息很难完全预 知，经常会遇到突发威胁或障碍，这时预先规划的全局航迹路径已无法满足要求。为达到预 期的目的，需要具备实时侦测并避开障碍物的功能，能够对路径及其周边环境与威胁进行 分析评估，重新规划一条合理的航迹路径，协调无人机按此指定的航迹路径飞行以避开前 方障碍，继续完成任务。本世纪 70年代后，国内外研究者们陆续提出了许多无人机实时避障 的解决方案，二维平面的无人机避障技术已经取得了丰硕的成果并广泛地应用，但是在三 维环境中的障碍扫描及避开障碍物还鲜见文献。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于提供一种基于激光阵列的多轴无人机避障系统 及其避障方法，旨在解决在三维环境中进行障碍物扫描和避开障碍物的问题。 本专利技术是这样实现的，一种基于激光阵列的多轴无人机避障系统，包括:信息处理 模块、分别与所述信息处理模块相连接的姿态识别模块、姿态调整模块、信息采集模块及避 障执行模块； 所述信息采集模块，用于采用激光测距阵列进行多轴无人机前进方向上立体场景 的信息采集，然后将采集的信息传输至所述信息处理模块； 所述姿态识别模块，用于识别多轴无人机的飞行姿态信息，并将识别到的信息传 输至所述信息处理模块； 所述信息处理模块，用于接收并处理从所述姿态识别模块获取的信息，然后向姿 态调整模块发送调整避障系统姿态的指令;还用于接收并处理从信息采集模块获取的信 息，向避障执行模块发送避障指令； 所述姿态调整模块，用于根据所述信息处理模块发送的姿态调整指令对避障系统 进行姿态调整，以使多轴无人机的避障系统保持关注其飞行方向正前方的水平方向；所述避障执行模块，用于接收并执行从信息处理模块发出的避障指令。进一步地，所述信息采集模块包括多个激光发射头和一个接收头。 进一步地，在所述信息采集模块中，所述接收头置于正中位置;所述多个激光发射 头布置成阵列，每个所述激光发射头安装有柱形透镜，可射出直线光斑以关注光路射出方 向上一定夹角的扇区；所述多个激光发射头中包括若干水平激光束发射头和若干垂直激光 束发射头，其中，水平激光束发射头的数量多于垂直激光束发射头的数量； 各个水平激光发射头的柱形透镜整体呈水平布置，所发出的水平激光光束用于关 注前方水平面的扇区，且发出的水平激光光束相互之间有重叠，越靠中间越密集； 各个垂直激光发射头用于关注正前方水平线上下一定范围内的障碍物，各个激光 发射头的柱形透镜整体呈垂直布置。 进一步地，所述飞行姿态信息包括多轴无人机的俯仰角、滚转角。 进一步地，所述多轴无人机避障系统与其他无人机机载模块协同作业。 本专利技术还提供了一种如上述所述的基于激光阵列的多轴无人机避障系统的避障 方法，包括以下步骤： 步骤Sl，根据所述姿态识别模块获得的信息，生成姿态调整指令，传送至所述姿态 调整模块，预先调整多轴无人机避障系统的姿态，使其保持关注多轴无人机飞行方向正前 方水平方向； 步骤S2,根据多轴无人机飞行状态计算安全停止距离， 其中，1为多轴无人机由运动到停止的理论飞行距离，V是多轴无人机的最大飞行 速度，a是减速时旋翼推力提供的加速度； 根据多轴无人机的外型规格和所述安全停止距离计算多轴无人机的安全飞行半 径，计算公式为R=l+r; 其中R为多轴无人机的安全飞行半径，r为多轴无人机的外接圆半径； 步骤S3,根据所述安全飞行半径，构建障碍侦测范围；所述障碍侦测范围按与多轴 无人机的机体距离由近及远分为急停区、减速区、警示区、安全区，在飞行方向前方水平面 上划分一个长方形的障碍侦测区域；步骤S4,根据所述信息采集模块获取的信息，进行障碍物识别和障碍物地理位置 和深度?目息提取； 步骤S5,根据多轴无人机运动状态以及飞行环境中障碍物与多轴无人机之间的几 何关系，判断应对措施;所述应对措施包括:在安全区继续飞行、警示区继续飞行但发出警 示信息、减速区减速且针对障碍物重新规划绕行路径、急停区紧急悬停原地待命或按新规 划的路径饶过障碍物中的一种； 步骤S6，根据所述应对措施设计最优航迹路径； 步骤S7,避障执行模块接收所述最优航迹路径指令并执行避障计划。 本专利技术与现有技术相比，有益效果在于:本专利技术针对多轴无人机移动特点以及环 境特征，只关注无人机飞行方向正前方水平面的90°扇区，且有一定水平夹角的空间区域， 实现在三维环境下有效地侦测并避开障碍物，同时满足无人机机载设备轻量化的需求，结 构简单，成本经济。【附图说明】 图1是本专利技术实施例提供的一种基于激光阵列的多轴无人机避障系统的结构示意 图。 图2是本专利技术实施例提供的信息收集模块结构示意图。图3是本专利技术实施例提供的激光阵列覆盖范围示意图。图4是本专利技术实施例提供的姿态调整模块结构示意图及激光射线侧面视图。图5是本专利技术实施例提供的一种基于激光阵列的多轴无人机避障系统的工作原理 图。图6是本专利技术实施例提供的一种基于激光阵列的多轴无人机避障方法的流程图。【具体实施方式】为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并 不用于限定本专利技术。另外，在以下说明中省略了对公知结构和技术的描述，以避免混淆对本 专利技术的概念。本专利技术是为满足无人机机载设备轻量化的要求，针对多旋翼无人机的飞行特点， 提出一种基于激光阵列的多旋翼无人机避障方法与系统，能够在三维环境中沿飞行方向有 效地为多轴无人机实现实时地侦测并避开障碍物，同时满足无人机机载设备轻量化的需 求。如图1所示，为本专利技术实施例提供的一种基于激光阵列的多轴无人机避障系统，包 括信息处理模块4、分别与信息处理模块4相连接的姿态识别模块2、姿态调整模块3、信息采 集模块1及避障执行模块5;信息采集模块1，用于采用激光测距阵列进行多轴无人机前进方向上立体场景的 信息采集，然后将采集的信息传输至信息处理模块4。 姿态识别模块2,可以共用多轴无人机自配的姿态识别模块，用于识别多轴无人机 的飞行姿态信息，并将识别到的信息传输至信息处理模块4,具体的，可以识别多轴无人机 俯仰角、滚转角等信息。 姿态调整模块3,用于根据信息处理模块4发送的姿态调整指令对避障系统进行姿 态调整，以使多轴无人机避障系统保持关注其飞行方向正前方的水平方向，并侦测垂直方 向上一定角度的空间区域，如图4所示。 信息处理模块4，用于接收并处理从多轴无人机姿态识别模块2获取的信息，向姿 态调整模块3发送姿态调整指令，以使信息采集模块1保持关注多轴无人机飞行方向正前方 的水平方向；还用于接收并处理从信息采集模块1获取的信息，对多轴无人机前方进行障碍 物侦测和有效飞行路径的判断与提取，构建障碍区域和方位模型，并设计最优避障路径，然 后向避障执行模块5发送避障指令，以使多轴无人机按照最优避障路径完成减速、急停或绕 行等动作。避障执行模块5,用于接收并执行从信息处理模块4发出的避障指令，根据最优避 障路径完成减速、急停、或绕行等动作。 具体的，信息采集模块1，采用激光测距阵列实现前进方向上立体场景信息采集。 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于激光阵列的多轴无人机避障系统，其特征在于，所述多轴无人机避障系统包括：信息处理模块、分别与所述信息处理模块相连接的姿态识别模块、姿态调整模块、信息采集模块及避障执行模块；所述信息采集模块，用于采用激光测距阵列进行多轴无人机前进方向上立体场景的信息采集，然后将采集的信息传输至所述信息处理模块；所述姿态识别模块，用于识别多轴无人机的飞行姿态信息，并将识别到的信息传输至所述信息处理模块；所述信息处理模块，用于接收并处理从所述姿态识别模块获取的信息，然后向姿态调整模块发送调整避障系统姿态的指令；还用于接收并处理从信息采集模块获取的信息，向避障执行模块发送避障指令；所述姿态调整模块，用于根据所述信息处理模块发送的姿态调整指令对避障系统进行姿态调整，以使多轴无人机避障系统保持关注其飞行方向正前方的水平方向；所述避障执行模块，用于接收并执行从信息处理模块发出的避障指令。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：卢少平，
申请(专利权)人：深圳市易飞行科技有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44