CN107229284B - 一种无人机避障装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种无人机避障装置和方法，该装置包括：超声阵列探测模块、信息处理模块及飞行控制模块，该无人机包括上述避障装置。其中：超声阵列探测模块包括发射换能器和接收换能器，发射换能器设置于避障装置的顶部中心位置或底部中心位置，接收换能器设置于该无人机四周的各个侧面上。该装置采用点声源进行全方位发射声波，传感器阵列接收声波，避免了现有超声避障装置存在盲区的问题，使用传感器阵列接收反射的超声波可以获得四周障碍物的位置；通过信息处理模块得到障碍物的信息，传送给无人机的飞行控制模块，对无人机进行控制，从而实现无人机自主避障的目地。
Description
技术领域
本发明涉及无人机领域，具体涉及一种无人机避障装置和方法。
背景技术
目前的无人机超声波避障方法，大多采用超声波发射器向某一方向发射超声波，遇到障碍物后进行反射，接收器接收反射的超声信号，获取障碍物的位置信息，进行避障。现有的超声避障设备大多只具有一个声波发射器和一个接收器，难以识别不同方向的障碍物。
增加超声波传感器个数以及放置位置，能够在一定程度上解决上述问题，但是由于发射声波方向的单一性，仍然会存在探测盲区，无法做到全覆盖。
发明内容
本发明的目的是解决现有无人机超声波避障装置及方法存在探测盲区，无法全覆盖障碍物的缺陷。
为实现上述目的，本发明实施例提供了一种无人机避障装置及方法，以全实现覆盖障碍物的目的。
第一方面，本发明实施例提供了一种无人机避障装置，所述装置包括：超声阵列探测模块、信息处理模块及飞行控制模块，其中：
所述超声阵列探测模块包括发射换能器和接收换能器；
所述发射换能器设置于所述避障装置的顶部中心位置或底部中心位置；
所述接收换能器设置于所述无人机四周的各个侧面上；
所述信息处理模块用于确定障碍物的位置信息；
所述飞行控制模块根据所述障碍物的位置信息控制无人机进行避障飞行。
进一步地，所述接收换能器的数量为16-32个。
所述无人机包括所述无人机避障装置。
第二方面，本发明实施例提供了一种无人机避障方法，所述方法包括如下步骤：
发射换能器经过驱动模块驱动后，启动工作并发射超声信号；
接收换能器接收反射的超声信号；
信息处理模块接收经所述接收换能器转换后的电信号并对其进行处理以确定障碍物的位置信息，并将所述障碍物的位置信息传输至飞行控制模块；
所述飞行控制模块根据所述障碍物的位置信息控制无人机进行避障飞行。
优选地，所述信息处理模块对接收到的电信号进行处理以确定障碍物的位置信息包括如下过程：
选取不在同一条直线上的4个接收传感器A1、A2、A3、A4，以其中一个A1接收传感器接收到反射的超声信号的时间为基准，分别计算出其他传感器与之时间差Τ12、Τ13、Τ14，L1、L2、L3、L4分别为障碍物点M与接收传感器A1、A2、A3、A4之间的距离，假设障碍物点M的坐标为(x,y,z)，接收源A1的坐标为(0,0,0),接收源A2的坐标为(a,0,0)，接收源A3的坐标为(0,b,0)，接收源A4的坐标为(c1,c2,0)，计算障碍物的坐标方程如下：
解方程得，
其中，
计算得到障碍物相对于A1的位置后，再根据A1所在无人机的位置，可以推算出障碍物相对于无人机的位置信息。
本发明实施例提供的无人机避障装置和方法具有以下有益效果：
使用超声阵列的方法进行探测障碍物，采用点声源进行全方位发射声波，传感器阵列接收声波，避免了现有超声避障装置存在盲区的问题，使用传感器阵列接收反射的超声波可以获得四周障碍物的位置。通过信息处理模块得到障碍物的信息，传送给无人机的飞行控制模块，对无人机进行控制，从而实现无人机自主避障的目地。
附图说明
图1为本发明一优选实施例提供的无人机避障装置各器件连接示意图；
图2为本发明一优选实施例提供的无人机避障装置立体结构示意图；
图3为本发明一优选实施例提供的无人机避障方法流程示意图；
图4为本发明一优选实施例提供的无人机避障方法定位方法示意图。
具体实施方式
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
图1为本发明一优选实施例提供的无人机避障装置各器件连接示意图。如图1所示，该避障装置包括：电源模块1、驱动模块2、发射换能器3、接收换能器4、信息处理模块5及飞行控制模块6，其中：
驱动模块2分别与电源模块1及发射换能器3连接；
其中，接收换能器的数量为16-32个。
信息处理模块5可以包括一微处理器，与接收换能器4连接并设置于避障装置内部；
飞行控制模块6可以包括一微处理器，与信息处理模块4连接并设置于避障装置内部。
其中，信息处理模块5中的单片机及飞行控制模块6中的单片机均为Nvidia TK1，也可以为具有相同功能的微处理器。
无人机包括上述避障装置。
图2为本发明一优选实施例提供的无人机避障装置立体结构示意图。如图2所示，该避障装置的超声阵列传感器包括发射换能器3及接收换能器4。
其中：
发射换能器3是一个点声源，位于无人机避障装置顶部中心位置或顶部中心位置，向四周发射全向辐射声波以达到发射声波全方位覆盖的效果。
接收换能器4由16-32个接收换能器组成，安装在该无人机四周的各个侧面上以接收无人机周围反射的超声信号。
图3为本发明实施例提供的无人机避障方法流程图。如图3所示，该无人机进行避障工作的步骤如下：
S1：接通电源模块1，驱动模块2启动工作。
S2：发射换能器3经过驱动模块2驱动后，启动工作并发射超声信号。
S3：接收换能器4接收反射的超声信号，并将该超声信号转换为电信号并传输至信息处理模块5。
S4：信息处理模块5对接收到的电信号进行处理，采用渡越时间法，其原理是记录发射换能器3的发射时间，接收电信号并判断电信号到达的时间，确定声波的往返时间从而确定障碍物的位置信息，转化为障碍物的距离值和角度值以确定障碍物的位置信息并将障碍物的位置信息传输至飞行控制模块6。
S5：飞行控制模块6根据障碍物的位置信息控制无人机进行避障飞行。
其中，信息处理模块5采用渡越时间法对接收到的电信号进行处理以确定障碍物的位置信息包括如下过程：
如图4所示，选取不在同一条直线上的4个接收传感器A1、A2、A3、A4，以其中一个A1接收传感器接收到反射的超声信号的时间为基准，分别计算出其他传感器与之时间差Τ12、Τ13、Τ14，L1、L2、L3、L4分别为障碍物点M与接收传感器A1、A2、A3、A4之间的距离，假设障碍物点M的坐标为(x,y,z)，接收源A1的坐标为(0,0,0),接收源A2的坐标为(a,0,0)，接收源A3的坐标为(0,b,0)，接收源A4的坐标为(c1,c2,0)，计算障碍物的坐标方程如下：
解方程得，
其中，
计算得到障碍物相对于A1的位置后，再根据A1所在无人机的位置，可以推算出障碍物相对于无人机的位置信息。
本发明一优选实施例提供的无人机避障装置及方法使用超声阵列的方法进行探测障碍物，采用点声源进行全方位发射声波，传感器阵列接收声波，避免了现有超声避障装置存在盲区的问题，使用传感器阵列接收反射的超声波可以获得四周障碍物的位置。通过信息处理模块得到障碍物的信息，传送给无人机的飞行控制模块，对无人机进行控制，从而实现无人机自主避障的目标。
专业人员应该还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种无人机避障装置，其特征在于，所述装置包括：超声阵列探测模块、信息处理模块及飞行控制模块，其中：
所述超声阵列探测模块包括发射换能器和接收换能器；
所述发射换能器为一个点声源，设置于所述避障装置的顶部中心位置或底部中心位置，用于发射全向辐射声波；
所述接收换能器设置于所述无人机四周的各个侧面上；
所述信息处理模块用于确定障碍物的位置信息；
所述飞行控制模块根据所述障碍物的位置信息控制无人机进行避障飞行。
2.根据权利要求1所述的无人机避障装置，其特征在于，所述接收换能器的数量为16-32个。
3.一种无人机，其特征在于，所述无人机包括如权利要求1所述的无人机避障装置。
4.一种无人机避障方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
发射换能器经过驱动模块驱动后，启动工作并发射超声信号；其中，所述发射换能器为一个点声源，所述超声信号为全向辐射声波；
接收换能器接收反射的超声信号；
信息处理模块接收经所述接收换能器转换后的电信号并对其进行处理以确定障碍物的位置信息，并将所述障碍物的位置信息传输至飞行控制模块；
所述飞行控制模块根据所述障碍物的位置信息控制无人机进行避障飞行。
5.根据权利要求4所述的无人机避障方法，其特征在于，所述信息处理模块对接收到的电信号进行处理以确定障碍物的位置信息包括如下过程：
选取不在同一条直线上的4个接收传感器A1、A2、A3、A4，以其中一个A1接收传感器接收到反射的信号的时间为基准，分别计算出其他传感器与之时间差T12、T13、T14，L1、L2、L3、L4分别为障碍物点M与接收传感器A1、A2、A3、A4之间的距离，假设障碍物点M的坐标为(x,y,z)，接收源A1的坐标为(0,0,0),接收源A2的坐标为(a,0,0)，接收源A3的坐标为(0,b,0)，接收源A4的坐标为(c1,c2,0)，计算障碍物的坐标方程如下
解方程得，
其中，
计算得到障碍物相对于A1的位置后，再根据A1所在无人机的位置，可以推算出障碍物相对于无人机的位置信息。
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