一種基於全景立體成像設備的無人機自動避障飛行系統的製作方法
2023-11-08 11:46:42 1
一種基於全景立體成像設備的無人機自動避障飛行系統的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種基於全景立體成像設備的無人機自動避障飛行系統，包括：圖像採集模塊，採用折反射式全景立體成像設備進行全方位立體場景採集；導航模塊，用於提供地理坐標信息；中央處理器模塊，根據導航模塊提供的地理坐標信息對圖像採集模塊獲取的全方位立體場景進行障礙點探測和有效飛行路徑障礙點的判斷和提取，並設計最優航跡路徑；飛行控制器模塊，根據所述中央處理器模塊設計的最優航跡路徑信息實時控制無人機上的執行機構模塊進行相應飛行動作，該系統能夠在三維環境中有效地為無人機規劃最優航跡路徑。
【專利說明】一種基於全景立體成像設備的無人機自動避障飛行系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及無人機自主控制領域，尤其涉及一種基於全景立體成像設備的無人機自動避障飛行系統。
【背景技術】
[0002]無人機飛行時，為了達到預期的偵測並避開障礙物等功能，需要對飛行環境進行態勢分析及威脅評估，規劃一條合理的航跡路徑，然後讓微型旋翼式無人機按此指定的航跡路徑飛行或飛經感興趣的地點，以完成給定的任務。而微型旋翼式無人機要完成預定的任務，只有沿著規劃的航跡路徑飛行才能實現。在給定微型旋翼式無人機飛行控制結構的情況下，需要對微型旋翼式無人機的運動狀態和飛行軌跡進行精確的數學建模和規劃控制。目前二維平面的無人機路徑規劃技術已取得了豐碩的成果和廣泛的應用，還沒有一種很好的系統能夠在三維環境中有效地規劃最優航跡路徑。
【發明內容】
[0003]本發明鑑於上述情況而作出，其目的是提供一種基於全景立體成像設備的無人機自動避障飛行系統，能夠在三維環境中有效地為無人機規劃最優航跡路徑。 [0004]本發明提供一種基於全景立體成像設備的無人機自動避障飛行系統，包括:
[0005]圖像採集模塊，採用折反射式全景立體成像設備進行全方位立體場景採集。
[0006]導航模塊，用於提供地理坐標信息。
[0007]中央處理器模塊，根據導航模塊提供的地理坐標信息對圖像採集模塊獲取的全方位立體場景進行障礙點探測和有效飛行路徑障礙點的判斷和提取，並設計最優航跡路徑。
[0008]飛行控制器模塊，根據所述中央處理器模塊設計的最優航跡路徑信息實時控制無人機上的執行機構模塊進行相應飛行動作。
[0009]其中，所述中央處理器模塊設計最優航跡路徑包括:
[0010]步驟SI，根據無人機外形尺寸建立安全飛行半徑，計算公式為:
R=-V2Za
[0011]2
9
[0012]其中，安全飛行半徑R為旋翼無人機由運動到懸停所飛行的距離，V為無人機飛行的最大速度，a為通過螺旋槳推力得出的加速度。
[0013]步驟S2，根據導航模塊與圖像採集模塊獲取的場景立體圖像進行障礙點的識別和障礙點地理位置和深度信息提取。
[0014]步驟S3，根據無人機的運動方向以及未知環境障礙點間、未知環境障礙點與無人機橢球體之間的幾何關係，進行前進方向上的無效障礙點對應的非有效路徑數據野值剔除。
[0015]步驟S4，設計最優航跡路徑。[0016]進一步地，所述設計最優航跡路徑包括:
[0017]當探測到第一障礙點，並且只有一個障礙點時，將第一障礙點到當前無人機航跡的距離與無人機安全飛行半徑進行比較，若前者較小，在以第一障礙點為中心，以安全飛行半徑為半徑構成的圓上做以無人機為原點的切線和以目標為原點的切線，取兩條切線中距離較短的為更新之後的最優航跡路徑。
[0018]進一步地，所述設計最優航跡路徑還包括:
[0019]當改變航跡後再次探測到第二障礙點，並且此時所述第一障礙點依然對航跡有影響，或者同時探測到兩個障礙點時，首先判斷第二障礙點是否對現有航跡有威脅，即它到航跡的垂直距離是否大於安全飛行半徑，如果距離小於安全飛行半徑，並且兩個障礙點在現有航跡的同側，則通過所述計算切線距離的方法計算並修改最優航跡路徑，如果兩個障礙點在現有航跡的異側，則判斷兩個障礙點之間的距離是否大於安全飛行半徑的兩倍，當兩個障礙點之間距離大於等於無人機安全飛行半徑的兩倍時，修改最優航跡路徑為從兩個障礙點之間通過，當兩個障礙點之間距離小於無人機安全飛行半徑的兩倍時，則修改最優航跡路徑為繞過第二障礙點的外側。
[0020]進一步地，所述設計最優航跡路徑還包括:
[0021]當探測到三個或三個以上的障礙點時，根據無人機的控制模型和每個障礙點的坐標構建以無人機重心為原點的三維空間，計算所有障礙點兩兩之間空間距離，將空間距離小於安全飛行半徑兩倍的區域剔除，並以無人機當前位置為起點，根據降維映射法在剩餘的區域內計算並選擇最優航跡路徑。
[0022]優選的，所述系統還包括數據存儲器模塊，用於存儲獲取的實時場景和障礙點信
肩、O
[0023]優選的，所述系統還包括電源模塊，為所述系統供電。
[0024]優選的，所述系統還包括通信模塊，通過無線通信將實時場景和障礙點信息發送至地面終端，用於顯示實時場景和飛行路徑信息。
[0025]優選的，所述中央處理器模塊和飛行控制模塊為AT91SAM9G45處理器，所述數據存儲模塊為加載在無人機上的SD卡裝置。
[0026]優選的，所述無人機為微型四旋翼式無人機。
[0027]本發明能夠在三維環境中有效地為無人機規劃最優航跡路徑。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0028]圖1是本發明的一種基於全景立體成像設備的無人機自動避障飛行系統的結構示意圖；
[0029]圖2是本發明的設計最優航跡路徑方法的流程處理示意圖；
[0030]圖3是本發明的計算無人機安全飛行半徑的示意圖。
【具體實施方式】
[0031]為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明了，下面結合【具體實施方式】並參照附圖，對本發明進一步詳細說明。應該理解，這些描述只是示例性的，而並非要限制本發明的範圍。此外，在以下說明中，省略了對公知結構和技術的描述，以避免不必要地混淆本發明的概念。
[0032]本發明提供一種基於全景立體成像設備的無人機自動避障飛行系統，能夠在三維環境中有效地為無人機規劃最優航跡路徑。
[0033]如圖1所示，一種基於全景立體成像設備的無人機自動避障飛行系統，包括:
[0034]圖像採集模塊1，採用折反射式全景立體成像設備進行全方位立體場景採集。
[0035]導航模塊2，用於提供地理坐標信息。
[0036]中央處理器模塊3，根據導航模塊2提供的地理坐標信息對圖像採集模塊獲取的全方位立體場景進行障礙點探測和有效飛行路徑障礙點的判斷和提取，並設計最優航跡路徑。
[0037]飛行控制器模塊4，根據中央處理器模塊3設計的最優航跡路徑信息實時控制無人機上的執行機構 模塊5進行相應飛行動作。
[0038]電源模塊6，為系統供電。
[0039]數據存儲器模塊7，用於存儲獲取的實時場景和障礙點信息。
[0040]通信模塊8，通過無線通信將實時場景和障礙點信息發送至地面終端的地面通信模塊9，並在地面顯示模塊10上顯示實時場景和飛行路徑信息。
[0041]中央處理器模塊3和飛行控制模塊5為AT91SAM9G45處理器，數據存儲模塊4為加載在無人機上的SD卡裝置。
[0042]無人機為微型四旋翼式無人機。
[0043]如圖2，圖3所示，中央處理器模塊設計最優航跡路徑包括:
[0044]步驟SI，根據無人機外形尺寸建立安全飛行半徑。計算公式為:
R= —v'/a
[0045]2
9
[0046]其中，安全飛行半徑R為旋翼無人機由運動到懸停所飛行的距離，V為無人機飛行的最大速度，a為通過螺旋槳推力得出的加速度。
[0047]步驟S2，根據導航模塊與圖像採集模塊獲取的場景立體圖像進行障礙點的識別和障礙點地理位置和深度信息提取。
[0048]步驟S3，根據無人機的運動方向以及未知環境障礙點間、未知環境障礙點與無人機橢球體之間的幾何關係，進行前進方向上的無效障礙點對應的非有效路徑數據野值剔除。
[0049]步驟S4,設計最優航跡路徑。
[0050]進一步地，所述設計最優航跡路徑包括:
[0051]當探測到第一障礙點，並且只有一個障礙點時，將第一障礙點到當前無人機航跡的距離與無人機安全飛行半徑進行比較，若前者較小，在以第一障礙點為中心，以安全飛行半徑為半徑構成的圓上做以無人機為原點的切線和以目標為原點的切線，取兩條切線中距離較短的為更新之後的最優航跡路徑。
[0052]進一步地，所述設計最優航跡路徑還包括:
[0053]當改變航跡後再次探測到第二障礙點，並且此時所述第一障礙點依然對航跡有影響，或者同時探測到兩個障礙點時，首先判斷第二障礙點是否對現有航跡有威脅，即它到航跡的垂直距離是否大於安全飛行半徑，如果距離小於安全飛行半徑，並且兩個障礙點在現有航跡的同側，則通過所述計算切線距離的方法計算並修改最優航跡路徑，如果兩個障礙點在現有航跡的異側，則判斷兩個障礙點之間的距離是否大於安全飛行半徑的兩倍，當兩個障礙點之間距離大於等於無人機安全飛行半徑的兩倍時，修改最優航跡路徑為從兩個障礙點之間通過，當兩個障礙點之間距離小於無人機安全飛行半徑的兩倍時，則修改最優航跡路徑為繞過第二障礙點的外側。
[0054]進一步地，所述設計最優航跡路徑還包括:
[0055]當探測到三個或三個以上的障礙點時，根據無人機的控制模型和每個障礙點的坐標構建以無人機重心為原點的三維空間，計算所有障礙點兩兩之間空間距離，將空間距離小於安全飛行半徑兩倍的區域剔除，並以無人機當前位置為起點，根據降維映射法將三維空間路徑規劃問題轉化為二維平面路徑規劃，計算出每條路徑所需距離，根據最大最小原貝U，選擇最優航跡路徑。
[0056]應當理解的是，本發明的上述【具體實施方式】僅僅用於示例性說明或解釋本發明的原理，而不構成對本發明的限制。因此，在不偏離本發明的精神和範圍的情況下所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。此外，本發明所附權利要求旨在涵蓋落入所附權利要求範圍和邊界、或者這種範圍和邊界的等同形式內的全部變化和修改例。
【權利要求】
1.一種基於全景立體成像設備的無人機自動避障飛行系統，其特徵在於，包括: 圖像採集模塊，採用折反射式全景立體成像設備進行全方位立體場景採集； 導航模塊，用於提供地理坐標信息； 中央處理器模塊，根據導航模塊提供的地理坐標信息對圖像採集模塊獲取的全方位立體場景進行障礙點探測和有效飛行路徑障礙點的判斷和提取，並設計最優航跡路徑； 飛行控制器模塊，根據所述中央處理器模塊設計的最優航跡路徑信息實時控制無人機上的執行機構模塊進行相應飛行動作。
2.根據權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述中央處理器模塊設計最優航跡路徑包括: 步驟Si，根據無人機外形尺寸建立安全飛行半徑，計算公式為:
3.根據權利要求2所述的系統，其特徵在於，步驟S4中，所述設計最優航跡路徑包括: 當探測到第一障礙點，並且只有一個障礙點時，將第一障礙點到當前無人機航跡的距離與無人機安全飛行半徑進行比較，若前者較小，在以第一障礙點為中心，以安全飛行半徑為半徑構成的圓上做以無人機為原點的切線和以目標為原點的切線，取兩條切線中距離較短的為更新之後的最優航跡路徑。
4.根據權利要求3所述的系統，其特徵在於，步驟S4中，所述設計最優航跡路徑還包括: 當改變航跡後再次探測到第二障礙點，並且此時所述第一障礙點依然對航跡有影響，或者同時探測到兩個障礙點時，首先判斷第二障礙點是否對現有航跡有威脅，即它到航跡的垂直距離是否大於安全飛行半徑，如果距離小於安全飛行半徑，並且兩個障礙點在現有航跡的同側，則通過所述計算切線距離的方法計算並修改最優航跡路徑，如果兩個障礙點在現有航跡的異側，則判斷兩個障礙點之間的距離是否大於安全飛行半徑的兩倍，當兩個障礙點之間距離大於等於無人機安全飛行半徑的兩倍時，修改最優航跡路徑為從兩個障礙點之間通過，當兩個障礙點之間距離小於無人機安全飛行半徑的兩倍時，則修改最優航跡路徑為繞過第二障礙點的外側。
5.根據權利要求4所述的系統，其特徵在於，步驟S4中，所述設計最優航跡路徑還包括: 當探測到三個或三個以上的障礙點時，根據無人機的控制模型和每個障礙點的坐標構建以無人機重心為原點的三維空間，計算所有障礙點兩兩之間空間距離，將空間距離小於安全飛行半徑兩倍的區域剔除，並以無人機當前位置為起點，根據降維映射法在剩餘的區域內計算並選擇最優航跡路徑。
6.根據權利要求1至5任意一項所述的系統，其特徵在於，所述系統還包括數據存儲器模塊，用於存儲獲取的實時場景和障礙點信息。
7.根據權利要求1至5任意一項所述的系統，其特徵在於，所述系統還包括電源模塊，為所述系統供電。
8.根據權利要求1至5任意一項所述的系統，其特徵在於，所述系統還包括通信模塊，通過無線通信將實時場景和障礙點信息發送至地面終端，用於顯示實時場景和飛行路徑信
9.根據權利要求1至5任意一項所述的系統，其特徵在於，所述中央處理器模塊和飛行控制模塊為AT91SAM9G45處理器，所述數據存儲模塊為加載在無人機上的SD卡裝置。
10.根據權利 要求1至5任意一項所述的系統，其特徵在於，所述無人機為微型四旋翼式無人機。
【文檔編號】G05D1/10GK103984357SQ201410240770
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年5月30日 優先權日:2014年5月30日
【發明者】王敏, 周樹道, 文滋木, 劉志華, 馬忠良, 常昊天 申請人:中國人民解放軍理工大學