室内四旋翼无人机360°三维避障系统技术方案

室内四旋翼无人机360°三维避障系统，属于控制科学与控制工程领域。针对四旋翼无人机在进行室内巡航，抢险救灾等任务下由于室内环境相对复杂、GPS信号较弱且不易部署外设给四旋翼无人机带来的飞行问题，设计四旋翼无人机360°三维障碍物检测及避障决策装置。以STM32f103为核心处理器，通过合理配置超声波传感器的数量和位置搭建采集周围环境信息的模型实现三维障碍检测。该避障决策系统在四旋翼无人机执行航行任务时，将采集到的障碍距离值经过卡尔曼滤波处理后分方向进行数据融合，将融合后的数据通过模糊逻辑算法进行避障决策，并将避障决策通过串口发送给飞行控制器，之后由飞行控制器来控制无人机的飞行姿态完成避障任务。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及无人机智能避障控制系统，具体涉及一种应用于室内微小型四旋翼无人机的360°三维避障系统，属于控制科学与控制工程领域。
技术介绍
无人机(UnmannedAerialVehicle，UAV)是一种由动力驱动，通过无线电远程遥控或在机载程序控制下自动飞行的无人驾驶航空器。按照结构的不同，无人机可以分为固定翼无人机和旋翼无人机两种。其中四旋翼无人机由于具有螺旋桨机械结构简单，回转效应较小，耗能低，对飞行空间要求低，非常适合在狭小的空间(如室内，城区等)内执行任务等特点应用于各领域深受各行业各部门各系统的青睐。近年来微小型四旋翼无人机在户外领域的迫切要求，促进了能够在室外和室内进行无缝导航工作的微小型四旋翼无人机的快速发展。四旋翼无人机如果想要在复杂多变的室内环境中实现安全的自主飞行，关键在于如何让四旋翼无人机具备自动检测影响其飞行的障碍物，并且可以自行进行数据处理，做出避开障碍物的决策的功能。如果四旋翼无人机不能够及时检测到障碍进行避障，在室内环境下对人而言就是切肉机，对自身以及障碍安全构成很大威胁。由于室内GPS信号较差，传统的户外避障路径规划方式很难应用于室内。如果单纯的靠人工操作来实现避开障碍的飞行不仅要求操作者有熟练的驾驶技术而且人工规划难以考虑到多方面因素规划出精确的轨迹并且工作量巨大、成本较高，同时过多的人工干预也不利于实现无人机过高的自动化程度。如果在室内布置过多的外设如视觉相机等不仅增加了成本，对用户的隐私以及室内的美观等设计也会影响；当用于突发性事件如火灾救援时，事发现场也不一定具备导航避障的外设条件，所以用于障碍信息采集的装置最好安装在无人机本身上。目前无人机上用于信息采集的传感器主要包括超声波传感器，红外反射式传感器，激光雷达以及视觉相机等。北京航空航天大学的张博翰等人2010年通过双目立体视觉实现无人机的横向位置坐标定位，通过灰度匹配方法检测障碍物并生成避障导航点的方法，实现了无人机在未知、动态的室内走廊环境中的自主定位与简单避障。但由于信息量大，处理环境中距离算法复杂，影响了导航要求的实时性而且易受环境的光线影响。
技术实现思路
本专利技术提供了一种室内四旋翼无人机360°三维障碍检测以及避障决策装置，通过配置测距传感器的数量和位置搭建采集周围环境信息的模型，实现三维环境下的障碍物检测。安装该避障决策系统的四旋翼无人机在执行航行任务时，避障决策系统上搭载的超声波传感器实时检测周围环境的动态信息，将采集到的障碍距离值经过卡尔曼滤波处理后分方向进行数据融合，将融合后的数据通过模糊逻辑算法进行避障决策，并将避障决策通过串口发送给飞行控制器。之后由无人机上的飞行控制器来控制无人机的飞行姿态完成避障任务。本专利技术提出的无人机避障系统硬件模块为：三维障碍物检测模块；软件模块为：数据处理模块和避障决策模块。三维障碍物检测模块包括三维障碍物检测系统架构以及经过合理配置安装好的传感器。数据处理模块包括周围环境信息数据的采集、滤波处理以及分方向数据融合的实现。避障决策模块包括基于模糊逻辑算法的避障决策的实现。本专利技术室内四旋翼无人机360°三维避障系统其特征结构为：STM32F103控制器01，水平圆环02，竖直前后圆环03、竖直左右圆环04，上方超声波传感器05，下方超声波传感器06，前左方超声波传感器07、前右方超声波传感器08，后方超声波传感器09，左侧超声波传感器10，右侧超声波传感器11，上前方超声波传感器12，下前方超声波传感器13，近左侧超声波传感器14、左前方超声波传感器15，近右侧超声波传感器16、右前方超声波传感器17，四旋翼无人机18，右后方连接杆19、右前方连接杆20、左前方连接杆21、左后方连接杆22，串口23，飞行控制器24，右后方电机25、右前方电机26、左前方电机27、左后方电机28，右后方螺旋桨29、右前方螺旋桨30、左前方螺旋桨31、左后方螺旋桨32，锂电池33。如果只是实现简单的三维避障至少需要八个传感器，且只需对传感器进行变动其它部分无需改变，八个传感器的具体布置为：上方超声波传感器05，下方超声波传感器06，后方超声波传感器09，左侧超声波传感器10，右侧超声波传感器11，这五个传感器位置不变。左前方超声波传感器15，前左方超声波传感器07，右前方超声波传感器17与左侧超声波传感器10，右侧超声波传感器11以45°间隔均匀分布在水平圆环02上。更进一步，传感器包括：上方超声波传感器05，下方超声波传感器06，前左方超声波传感器07，前右方超声波传感器08，后方超声波传感器09，左侧超声波传感器10，右侧超声波传感器11，上前方超声波传感器12，下前方超声波传感器13，近左侧超声波传感器14，左前方超声波传感器15，近右侧超声波传感器16，右前方超声波传感器17。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：右后方连接杆19、右前方连接杆20、左前方连接杆21、左后方连接杆22用于连接四旋翼无人机18以及水平圆环02和竖直前后圆环03、竖直左右圆环04，超声波传感器05、06、07、08、09、10、11、12、13、14、15、16、17用于四旋翼无人机18周围三维环境下障碍物距离值的检测。其中上方超声波传感器05、下方超声波传感器06分别安装在竖直前后圆环03与竖直左右圆环04的交汇处用于检测无人机上方以及下方的障碍信息。上前方超声波传感器12、下前方超声波传感器13分别安装在竖直前后圆环03的上前方与下前方，用于检测无人机上前方以及下前方的障碍信息，并与上方超声波传感器05、下方超声波传感器06以及水平圆环02与竖直前后圆环03的交点以45°的间隔均匀排列在竖直前后圆环03上。左侧超声波传感器10，右侧超声波传感器11分别安装在水平圆环02与竖直左右圆环04的交汇处，用于检测无人机左侧以及右侧的障碍信息，并与前左方超声波传感器07、前右方超声波传感器08、近左侧超声波传感器14、左前方超声波传感器15，近右侧超声波传感器16、右前方超声波传感器17以180°/7的角度均匀排列在水平圆环02上，其中前左方超声波传感器07、前右方超声波传感器08、近左侧超声波传感器14、左前方超声波传感器15，近右侧超声波传感器16、右前方超声波传感器17分别用于检测前方、左前方、右前方的障碍信息。对每个超声波采集到的距离值进行滤波，将滤波后的有效数据分前、后、左、右、上、下、左前、右前8个方向进行数据融合，将融合后的数据在STM32F103控制器01中进行避障决策，并通过串口23将避障决策发本文档来自技高网...

【技术保护点】
室内四旋翼无人机360°三维避障系统，包括：三维障碍物检测模块；STM32F103控制器，水平圆环，竖直前后圆环，竖直左右圆环，右后方连接杆，右前方连接杆，左前方连接杆，左后方连接杆，串口，飞行控制器，右后方电机，右前方电机，左前方电机，左后方电机，右后方螺旋桨，右前方螺旋桨，左前方螺旋桨，左后方螺旋桨，锂电池；其特征在于，至少需要八个传感器，八个传感器的具体布置为：上方超声波传感器，下方超声波传感器，后方超声波传感器，左侧超声波传感器，右侧超声波传感器；左前方超声波传感器，前左方超声波传感器，右前方超声波传感器与左侧超声波传感器，右侧超声波传感器以45°间隔均匀分布在水平圆环上。

【技术特征摘要】
1.室内四旋翼无人机360°三维避障系统，包括：三维障碍物检测模块；STM32F103控制
器，水平圆环，竖直前后圆环，竖直左右圆环，右后方连接杆，右前方连接杆，左前方连接杆，
左后方连接杆，串口，飞行控制器，右后方电机，右前方电机，左前方电机，左后方电机，右后
方螺旋桨，右前方螺旋桨，左前方螺旋桨，左后方螺旋桨，锂电池；
其特征在于，至少需要八个传感器，八个传感器的具体布置为：上方超声波传感器，下
方超声波传感器，后方超声波传感器，左侧超声波传感器，右侧超声波传感器；左前方超声
波传感器，前左方超声波传感器，右前方超声波传感器与左侧超声波传感器，右侧超声波传
感器以45°间隔均匀分布在水平圆环上。
2.根据权利要1所述的室内四旋翼无人机360°三维避障系统，其特征在于，传感器还包
括：前右方超声波传感器，上前方超声波传感器，下前方超声波传感器，近左侧超声波传感
器，左前方超声波传感器，近右侧超声波传感器，右前方超声波传感器。
3.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：于建均，赵少琼，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：北京;11