一种基于区间流场的无人机避障系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于区间流场的无人机避障系统及方法，该系统包括该系统包括硬件模块、软件模块和控制模块；所述硬件模块包括多旋翼无人机、单目摄像头、四核处理器和飞行控制器，所述软件模块用一种LK金字塔稀疏光流避障算法，主要根据光流强度进行区分障碍物的区分，所述控制模块主要基于ID识别的形式，分别对8个方向进行编码。所述方法是：系统在硬件上主要采用单目摄像头获取图像序列，经Odroid U3处理器进行处理，采用串口与Pixhawk飞控进行通信，然后再执行8个控制指令：左、右、上、下、左上、左下、右上、右下避障。其中，避障算法采用LK金字塔稀疏光流，通过将流场分成层次清晰的上、中、下和左、中、右6个区间，相互对比这6个区间的流场，从而进行8个方向上的决策。

【技术实现步骤摘要】
一种基于区间流场的无人机避障系统及方法
本专利技术涉及通信
，特别涉及一种基于区间流场的无人机避障系统及方法。
技术介绍
无人机是一种无人驾驶飞机，是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机。无人机按应用领域，可分为军用与民用。军用方面，无人机分为侦察机和靶机。而其中无人机加行业应用，是无人机现在真正的刚需。目前，主要在航拍、农业植保、测绘等领域的应用，大大拓展了无人机本身的用途。所以，无人机在民用和军用方面都有广阔的应用前景。因此，随着无人机的普遍，其安全也是一个重点，也是一个难题。无人机避障作为安全的首选，能够保证无人机在不碰撞其他物体，在空中正常且有序的飞行。目前，无人机避障一般基于光设备、红外感应设备和声波设备。红外传感器是用红外线为介质的测量装置，声波设备因为穿透力强，易于获得较集中的声能，而光设备是一种可视化，能够还原周围环境的场景，属于计算机视觉领域。视觉方法在微无人机系统得到了广发的应用。例如在申请号为201410006655.X，专利技术专利名称为《一种基于光流的移动机器人避障方法》的申请文件中，该专利技术采用单目摄像头计算前后两帧图像的光流，并从光流中计算出TTC，根据TTC构建障碍地图，选择安全区域，保证机器人在充满障碍物的环境中分析障碍物分布，选择最安全的方向行走。随着计算机视觉的不断发展，基于这种光的避障设备一般都是相机。摄像头避障一般有三种方案，包括3D摄像头、双目立体视觉和单目视觉。其中3D摄像头能够获得原始的深度信息，也就是距离信息，但是这种体感摄像头往往很贵，不利于产业化。双目立体视觉也能够获取深度信息，但是提取深度信息消耗处理器资源，实时性不够好。而单目摄像头因其价格低廉易于产业化被广泛使用，且在避障方面并不需要实际的距离，采用模糊控制的原理，能够在复杂、充满障碍物的环境中游走自如。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于区间流场的无人机避障系统及方法。为了达到上述目的，本专利技术提供了一种基于区间流场的无人机避障系统，该系统包括硬件模块、软件模块和控制模块；所述硬件模块包括多旋翼无人机、单目摄像头、四核处理器和飞行控制器，所述软件模块用一种LK金字塔稀疏光流避障算法，主要根据光流强度进行区分障碍物的区分，所述控制模块主要基于ID识别的形式，分别对8个方向进行编码。所述多旋翼无人机搭载GPS接收模块，主要获取无人机位置（x,y）,在飞行中给予一定的高度；所述单目摄像头采用普通的网络摄像头或者拍照摄像头，帧率为30fps，分辨率为640*480，进行环境感知；所述四核处理区是一种OdroidU3的2G内存四核处理器，同时能够运行在典型的ubuntu等linux系统；所述飞行控制机采用Pixhawk主要控制无人机的飞行。利用自动控制系统能够对飞机的构形、飞行姿态和运动参数等实施控制。优选的，所述OdroidU3和Pixhawk采用串口通信，将处理的结果送至飞控，进行处理。所述控制模块采用3位二进制形式，分别有8种状态，为000,001,010,011,100,101,110,111，分别对应8个方向上的避障。本专利技术还提供一种基于区间流场的无人机避障方法，该方法包括下述步骤：该系统在硬件上主要采用单目摄像头获取图像序列，经OdroidU3处理器进行处理，采用串口与Pixhawk飞控进行通信，然后再执行8个控制指令：左、右、上、下、左上、左下、右上、右下避障。其中，避障算法采用LK金字塔稀疏光流，通过将流场分成层次清晰的上、中、下和左、中、右6个区间，相互对比这6个区间的流场，从而进行8个方向上的决策。所述LK金字塔稀疏光流避障算法，主要根据光流强度进行区分障碍物的区分。光流避障的原理：光流是指图像中灰度模式的运动速度，是三维速度矢量在成像平面投影形成的二维瞬时速度场。障碍物距离摄像头较近，所形成的速度矢量模值较大，即光流值较大，可以用来界定障碍物。另外，采用LK金字塔稀疏光流比稠密光流在时间上有优势。LK金字塔稀疏光流避障算法具体如下：1、无人机开机启动，进行初始化；2、给定无人机定高模式，且采用以速度V匀速做匀速直线运动向正前方飞行，连接单目摄像头，并获得前后两帧图像；3、计算并获取相邻两帧间的光流场；4、计算区间内的流场大小：（1）将此光流场分为左、中、右三个区间，分别计算这3个区间的模值suml(sumleft),sumc(sumcenter),sumr(sumright)；（2）将suml,sumc,sumr这三个模值总和相加，并取其倒数,即T=1/(suml+sumc+sumr)；（3）将此光流场分为上、中、下三个区间，分别计算这三个区间的模值sumt(sumtop),summ(summiddle),sumd(sumdown)；（4）将sumt,summ和sumd这3个模值相加，并取其倒数，即S=1/(sumt+sum+sumd)；5、规避策略，因为S、T越小，光流强度越大，距离障碍物越近，因此取一定阈值内的T、S进行决策：（1）如果T小于一定阈值，且S不小于一定阈值，则只执行左右避障：suml小于sumr和sumc，则执行左转；sumr小于suml和sumc，则执行右转；（2）如果S小于一定阈值，且T不小于一定阈值，则只执行上下避障：sumt小于summ和sumr,则执行上行；sumd小于summ和sumt,则执行下行；（3）如果T和S都小于一定阈值，则执行左上，左下，右上，右下避障：suml小于sumr和sumc，sumt小于summ和sumr,则执行左上避障；suml小于sumr和sumc，sumd小于summ和sumt,则执行左下避障；sumr小于suml和sumc，sumt小于summ和sumr,则执行右上避障；sumr小于suml和sumc，sumd小于summ和sumt,则执行右下避障。本专利技术与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：针对现有技术的不足，本专利技术提出一种基于区间流场的无人机避障系统及方法，可以为无人机导航和机器人导航领域提供一种避障方法，为导航奠定了坚实的基础。本专利技术避障方案采用的是基于相邻两帧间的流场，对流场进行区间划分，以判断无人机的前行决策，其中，提出了8个方向上的规避决策，基本包含了所有飞行器的避障措施，相较于单纯的左右、上下避障来说，是比较全面的，且实时效果显著。另外，本专利技术采用单目摄像头，这种摄像头往往比较低廉，相较于工业摄像头、3D传感器摄像头和立体视觉在经济上有一定优势，更有利于产业化。附图说明图1是本专利技术系统的总体示意图；图2是本专利技术方法LK金字塔稀疏光流避障算法实现流程图；图3是本专利技术方法流程分区间示意图；图4是本专利技术方法规避策略示意图。具体实施方式下面详细描述本专利技术的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本专利技术，而不能解释为对本专利技术的限制。参照下面的描述和附图，将清楚本专利技术的实施例的这些和其他方面。在这些描述和附图中，具体公开了本专利技术的实施例中的一些特定实施方式，来表示实施本专利技术的实施例的原理的一些方式，但是应当理解，本专利技术的实施例的范围不受此限制。相反，本专利技术的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于区间流场的无人机避障系统，其特征在于，该系统包括该系统包括硬件模块、软件模块和控制模块；所述硬件模块包括多旋翼无人机、单目摄像头、四核处理器和飞行控制器，所述软件模块用一种LK金字塔稀疏光流避障算法，主要根据光流强度进行区分障碍物的区分，所述控制模块主要基于ID识别的形式，分别对8个方向进行编码；所述多旋翼无人机搭载GPS接收模块，主要获取无人机位置（x,y）,在飞行中给予一定的高度；所述单目摄像头采用普通的网络摄像头或者拍照摄像头，帧率为30fps，分辨率为640*480，进行环境感知； 所述四核处理区是一种Odroid U3的2G内存四核处理器，同时能够运行在典型的ubuntu等linux系统；所述飞行控制机采用Pixhawk主要控制无人机的飞行，利用自动控制系统能够对飞机的构形、飞行姿态和运动参数等实施控制。

【技术特征摘要】
1.一种基于区间流场的无人机避障系统，其特征在于，该系统包括该系统包括硬件模块、软件模块和控制模块；所述硬件模块包括多旋翼无人机、单目摄像头、四核处理器和飞行控制器，所述软件模块用一种LK金字塔稀疏光流避障算法，主要根据光流强度进行区分障碍物的区分，所述控制模块主要基于ID识别的形式，分别对8个方向进行编码；所述多旋翼无人机搭载GPS接收模块，主要获取无人机位置（x,y）,在飞行中给予一定的高度；所述单目摄像头采用普通的网络摄像头或者拍照摄像头，帧率为30fps，分辨率为640*480，进行环境感知；所述四核处理区是一种OdroidU3的2G内存四核处理器，同时能够运行在典型的ubuntu等linux系统；所述飞行控制机采用Pixhawk主要控制无人机的飞行，利用自动控制系统能够对飞机的构形、飞行姿态和运动参数等实施控制。2.根据权利要求1所述的一种基于区间流场的无人机避障系统，其特征在于，所述OdroidU3和Pixhawk采用串口通信，将处理的结果送至飞控，进行处理。3.根据权利要求1所述的一种基于区间流场的无人机避障系统，其特征在于，控制模块采用3位二进制形式，分别有8种状态，为000,001,010,011,100,101,110,111，分别对应8个方向上的避障。4.一种基于区间流场的无人机避障方法，其特征在于，该方法包括下述步骤：该系统在硬件上主要采用单目摄像头获取图像序列，经OdroidU3处理器进行处理，采用串口与Pixhawk飞控进行通信，然后再执行8个控制指令：左、右、上、下、左上、左下、右上、右下避障；其中，避障算法采用LK金字塔稀疏光流，通过将流场分成层次清晰的上、中、下和左、中、右6个区间，相互对比这6个区间的流场，从而进行8个方向上的决策；所述LK金字塔稀疏光流避障算法，主要根据光流强度进行区分障碍物的区分；光流避障的原理：光流是指图像中灰度模式的运动速度，是三维速度矢量在成像平面投影形成的二维瞬时速度场；障碍物...

【专利技术属性】
技术研发人员：张长隆，刘琴，
申请(专利权)人：湖南基石信息技术有限公司，
类型：发明
国别省市：湖南,43