本發(fā)明涉及一種無人機(jī)的多傳感器融合避障控制系統(tǒng)及方法，屬于無人機(jī)融合避障技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

近年來，隨著國內(nèi)外無人機(jī)開源社區(qū)的不斷發(fā)展及無人機(jī)資本市場的大力推動(dòng)，全球范圍內(nèi)催生了一大批無人機(jī)廠商的誕生。各類無人機(jī)廣泛用于地質(zhì)偵察、森林防火、資源勘測、影視航拍、電力巡線、大型集群表演、3D建模等場景，與此同時(shí)，無人機(jī)的使用群體由專業(yè)航模愛好者擴(kuò)展到普通業(yè)余愛好者，這使得消費(fèi)群體對無人機(jī)飛行平臺的要求也在不斷提高，逐漸從穩(wěn)定飛行到復(fù)雜地形下的智能飛行轉(zhuǎn)變。在使用無人機(jī)的過程中會(huì)出現(xiàn)一系列的安全問題，如無人機(jī)與航路上障礙物相碰撞而導(dǎo)致的無人機(jī)平臺及機(jī)載設(shè)備的損毀以及對公共生命財(cái)產(chǎn)安全的威脅。

然而，雖然當(dāng)前市場上已有成熟開源飛行控制系統(tǒng)如APM、Pixhawk的大力普及，但真正工程實(shí)現(xiàn)所需專業(yè)技術(shù)門檻過高，普通無人機(jī)愛好者很難進(jìn)行二次開發(fā)和使用，即使有專業(yè)研發(fā)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行技術(shù)支持后可以實(shí)現(xiàn)避障，但隨著軟件升級的需要而進(jìn)行代碼維護(hù)的成本較高，很難推廣使用。同時(shí)，大多數(shù)商業(yè)飛控都不開源，不支持通過修改源碼以及外加傳感器來實(shí)現(xiàn)避障功能，即使個(gè)別廠家如DJI開發(fā)出支持二次開發(fā)的Guidance視覺避障系統(tǒng)，依然存在代價(jià)昂貴，調(diào)試復(fù)雜，控制接口少的問題。因此，對于大部分普通無人機(jī)愛好者來說，急需一套成本低廉、調(diào)試簡單、控制精準(zhǔn)且能在不同飛行平臺進(jìn)行通用化的無人機(jī)立體視覺避障功能的模塊。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：提供一種無人機(jī)的多傳感器融合避障控制系統(tǒng)及方法，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測周圍障礙物信息并自主實(shí)現(xiàn)躲避。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案：

一種無人機(jī)的多傳感器融合避障控制系統(tǒng)，所述無人機(jī)包括機(jī)載飛行控制系統(tǒng)、遙控信號接收機(jī)，該系統(tǒng)還包括超聲波測距傳感器、雙目測距傳感器、機(jī)載視覺處理器、融合避障處理器；所述超聲波測距傳感器實(shí)時(shí)測量無人機(jī)前方障礙物的距離信息并傳送至融合避障處理器；雙目測距傳感器實(shí)時(shí)獲取無人機(jī)前方障礙物的圖像信息并傳送至機(jī)載視覺處理器，機(jī)載視覺處理器根據(jù)圖像信息計(jì)算障礙物的深度信息同時(shí)傳送至融合避障處理器；融合避障處理器對距離信息和深度信息進(jìn)行濾波融合，得到無人機(jī)距前方障礙物的距離，根據(jù)該距離計(jì)算障礙物的威脅因子，并根據(jù)預(yù)先設(shè)定的閾值判斷障礙物是否存在威脅；當(dāng)威脅因子小于預(yù)先設(shè)定的閾值時(shí)，判斷障礙物無威脅，融合避障處理器將遙控信號接收機(jī)接收到的地面遙控信號直接傳送至機(jī)載飛行控制系統(tǒng)，由地面遙控信號控制無人機(jī)的飛行；當(dāng)威脅因子大于等于預(yù)先設(shè)定的閾值時(shí)，融合避障處理器解算避障模式通道信號，并用避障模式通道信號替換遙控信號接收機(jī)接收到的地面遙控信號中的飛行模式通道信號，由避障模式通道信號控制無人機(jī)進(jìn)行避障。

作為本發(fā)明系統(tǒng)的一種優(yōu)選方案，所述遙控信號接收機(jī)、超聲波測距傳感器、機(jī)載視覺處理器均通過UART與融合避障處理器連接，融合避障處理器通過UART與機(jī)載飛行控制系統(tǒng)連接。

作為本發(fā)明系統(tǒng)的一種優(yōu)選方案，所述雙目測距傳感器采用USB2.0總線傳輸協(xié)議的可變基線結(jié)構(gòu)，且初始基線距為63mm。

作為本發(fā)明系統(tǒng)的一種優(yōu)選方案，所述融合避障處理器采用STM32F407型號的芯片。

作為本發(fā)明系統(tǒng)的一種優(yōu)選方案，所述超聲波測距傳感器采用雙筒收發(fā)式結(jié)構(gòu)，型號為HC-SR04。

一種無人機(jī)的多傳感器融合避障控制方法，包括如下步驟：

步驟1，利用超聲波實(shí)時(shí)測量無人機(jī)前方障礙物的距離信息；

步驟2，利用雙目攝像頭實(shí)時(shí)獲取無人機(jī)前方障礙物的圖像信息，并根據(jù)圖像信息計(jì)算無人機(jī)前方障礙物的深度信息；

步驟3，通過濾波算法對距離信息和深度信息進(jìn)行濾波融合，并解算障礙物的威脅因子，根據(jù)威脅因子判斷障礙物是否存在威脅，當(dāng)障礙物無威脅時(shí)，將無人機(jī)接收到的地面遙控信號直接傳送至機(jī)載飛行控制系統(tǒng)；當(dāng)障礙物有威脅時(shí)，解算避障模式通道信號，并用避障模式通道信號替換地面遙控信號中的飛行模式通道信號，控制無人機(jī)進(jìn)行避障動(dòng)作。

作為本發(fā)明方法的一種優(yōu)選方案，步驟2所述根據(jù)圖像信息計(jì)算無人機(jī)前方障礙物的深度信息的具體過程為：

設(shè)定雙目測距傳感器的雙目基線距，并對雙目測距傳感器進(jìn)行離線視覺標(biāo)定，根據(jù)雙目交叉視場中對三維標(biāo)定靶的成像校正，計(jì)算雙目測距傳感器的內(nèi)外系統(tǒng)參數(shù)和焦距，利用內(nèi)外系統(tǒng)參數(shù)和焦距對圖像信息進(jìn)行實(shí)時(shí)矯正、匹配和三維重建，從而得到無人機(jī)前方障礙物的深度信息。

本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果：

1、本發(fā)明中遙控信號接收機(jī)、機(jī)載視覺處理器、超聲波測距傳感器分別與融合避障處理器相連，將障礙物警告信息和控制信號直接接入系統(tǒng)避障反饋回路，實(shí)現(xiàn)模擬人眼在回路的閉環(huán)位置控制，最終實(shí)現(xiàn)多旋翼無人機(jī)在任意室外場景的自動(dòng)感知與規(guī)避。

2、本發(fā)明提供一套簡單可行的無人機(jī)多傳感融合避障系統(tǒng)，安裝和使用都無需更改現(xiàn)有飛行控制系統(tǒng)架構(gòu)和參數(shù)，可以有效避免繁雜的避障系統(tǒng)與各類飛行控制系統(tǒng)產(chǎn)品的適配，同時(shí)實(shí)現(xiàn)無人機(jī)與障礙物的碰撞檢測與實(shí)時(shí)規(guī)避，具有較高的普遍性，適合推廣安裝在各類無人機(jī)上，結(jié)構(gòu)簡單，制造加工成本低。

附圖說明

圖1是本發(fā)明無人機(jī)的多傳感器融合避障控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)圖。

圖2是本發(fā)明無人機(jī)的多傳感器融合避障控制方法的實(shí)現(xiàn)流程圖。

圖3是本發(fā)明實(shí)施例的立體示意圖。

其中，1-動(dòng)力系統(tǒng)，2-超聲波測距傳感器，3-雙目測距傳感器，4-融合避障處理器，5-機(jī)載視覺處理器，6-機(jī)載飛行控制系統(tǒng)，7-遙控信號接收機(jī)。

具體實(shí)施方式

下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施方式，所述實(shí)施方式的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標(biāo)號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實(shí)施方式是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能解釋為對本發(fā)明的限制。

如圖1所示，一種無人機(jī)的多傳感器融合避障控制系統(tǒng)，由雙目測距傳感器3、超聲波測距傳感器2、機(jī)載視覺處理器5、融合避障處理器4組成；無人機(jī)包括機(jī)載飛行控制系統(tǒng)6、遙控信號接收機(jī)7和動(dòng)力系統(tǒng)1。其連接結(jié)構(gòu)為：雙目測距傳感器連接機(jī)載視覺處理器，超聲波測距傳感器、機(jī)載視覺處理器、遙控信號接收機(jī)分別連接融合避障處理器，融合避障控制器還與機(jī)載飛行控制系統(tǒng)相連。如圖3所示，為本發(fā)明實(shí)施例的示意圖。

本發(fā)明提供一種通用的無人機(jī)避障模塊，安裝在遙控信號接收機(jī)與無人機(jī)的機(jī)載飛行控制系統(tǒng)中間，通過雙目測距傳感器和機(jī)載視覺處理器實(shí)時(shí)探測并判斷無人機(jī)前進(jìn)方向上是否存在障礙物：如果未探測到障礙物或探測到的障礙物較遠(yuǎn)不對飛行安全構(gòu)成威脅，融合避障處理器會(huì)將解碼后的遙控信號直接傳送給無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)，這時(shí)無人機(jī)直接由地面站人員指令操控或遙控操縱。如果在前進(jìn)方向探測到的障礙物較近并判斷已經(jīng)對飛行安全構(gòu)成威脅，融合避障處理器會(huì)自動(dòng)切斷遙控信號接收機(jī)與飛行控制系統(tǒng)之間的通路，改由遙控信號接收機(jī)信號疊加融合避障處理器的避障指令信號，經(jīng)融合避障處理器處理后輸出至無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)，同時(shí)融合避障處理器會(huì)自動(dòng)根據(jù)當(dāng)前無人機(jī)與障礙物相對距離進(jìn)行避障決策，然后下發(fā)規(guī)劃后的飛行模式指令至飛行控制系統(tǒng)完成避障。當(dāng)完成避障并判斷前進(jìn)方向不存在撞機(jī)危險(xiǎn)后，融合避障處理器重新交還遙控器控制權(quán)，將無人機(jī)遙控信號與飛行控制系統(tǒng)之間的控制通路直接相連，航路恢復(fù)。

機(jī)載視覺處理器中的算法支持可變基線的雙目測距，通過增加或者縮小雙目基線距可調(diào)節(jié)雙目測距的精確量測范圍，即算法中通過首先對基線變化后的雙目攝像頭進(jìn)行離線視覺標(biāo)定，然后根據(jù)交叉視場中對三維標(biāo)定靶的成像校正，來解算出此時(shí)的雙目測距傳感器內(nèi)外系統(tǒng)參數(shù)和焦距，可根據(jù)用戶設(shè)定所需量測范圍程序進(jìn)行自動(dòng)查表設(shè)置相關(guān)初始匹配參數(shù)值，最后利用這些參數(shù)對雙目測距傳感器中的物體進(jìn)行實(shí)時(shí)矯正、匹配、三維重建，進(jìn)而得到交叉視場中的物體尺寸和距離。

其工作步驟如圖2所示：

步驟1：無人機(jī)航路飛行過程中，雙目測距傳感器和超聲波測距傳感器會(huì)實(shí)時(shí)檢測前方障礙物的距離及相對于當(dāng)前機(jī)體航向的方位角，融合避障處理器通過先進(jìn)濾波算法修正解算實(shí)際障礙物與無人機(jī)距離；

步驟2：融合避障處理器會(huì)計(jì)算當(dāng)前機(jī)體前方最近障礙物的威脅因子，即融合后的障礙物距離與設(shè)定最低安全距離之差是否大于零，如果不滿足，觸發(fā)避障告警信息，轉(zhuǎn)步驟3，如滿足，轉(zhuǎn)步驟6；

步驟3：融合避障處理器會(huì)修改遙控信號接收機(jī)與機(jī)載飛行控制系統(tǒng)之間的通路，通過判斷障礙物的位置信息來進(jìn)行響應(yīng)接收機(jī)模式信號的切換，從而獲得無人機(jī)的控制權(quán)，并轉(zhuǎn)入步驟4；

步驟4：當(dāng)飛機(jī)與障礙物距離已經(jīng)達(dá)到安全距離時(shí)，觸發(fā)威脅，融合避障處理器會(huì)實(shí)時(shí)規(guī)劃飛行路徑，并控制無人機(jī)按規(guī)劃路徑飛行，下面轉(zhuǎn)入步驟5；

步驟5：當(dāng)完成繞飛障礙物后，融合避障處理器自動(dòng)切換無人機(jī)自駕航路模式，無人機(jī)通過機(jī)載航線規(guī)劃自動(dòng)導(dǎo)引回到之前執(zhí)飛航線上，并將控制權(quán)交還給用戶，至此避障告警解除，避障完成，轉(zhuǎn)步驟6；

步驟6：用戶通過地面站或遙控器繼續(xù)控制無人機(jī)飛行，回到步驟1。

本發(fā)明通過雙目-超聲波測距傳感器實(shí)時(shí)測量飛行前進(jìn)方向上的全局最近障礙物與無人機(jī)之間的相對距離，并將數(shù)據(jù)傳輸給融合避障處理器對數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理。其中采用一種先進(jìn)濾波方式對距離信息進(jìn)行處理，以獲得當(dāng)前時(shí)刻更準(zhǔn)確的障礙物威脅信息。融合避障處理器會(huì)判斷經(jīng)過處理后的障礙物相對距離和方位是否會(huì)對無人機(jī)的飛行安全構(gòu)成威脅。如果判斷未對飛行安全構(gòu)成威脅，融合避障處理器將屏蔽避障疊加控制量，并將遙控信號接收機(jī)發(fā)送來的信號直接發(fā)送給飛行控制系統(tǒng)；如果融合避障處理器發(fā)現(xiàn)前方障礙物會(huì)對無人機(jī)的飛行安全構(gòu)成巨大威脅，則會(huì)立即將距離解算后的控制量疊加到遙控信號的輸入中，通過控制模式通道來切換至剎車模式保持懸停，并實(shí)時(shí)根據(jù)障礙方位信息規(guī)劃繞飛方向，從而獲得無人機(jī)的控制權(quán)；直到按照預(yù)先規(guī)劃的繞飛航路繞開障礙物且無新的障礙威脅后，融合避障處理器自動(dòng)屏蔽距離轉(zhuǎn)化的模式控制量，實(shí)現(xiàn)遙控信號接收機(jī)與飛行控制系統(tǒng)之間的直連，將無人機(jī)的控制權(quán)交還給使用者。

以上實(shí)施例僅為說明本發(fā)明的技術(shù)思想，不能以此限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡是按照本發(fā)明提出的技術(shù)思想，在技術(shù)方案基礎(chǔ)上所做的任何改動(dòng)，均落入本發(fā)明保護(hù)范圍之內(nèi)。