CN109032162A - 一种基于激光雷达的无人机避障***及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明具体涉及一种基于激光雷达的无人机避障***及控制方法，属于无人机避障***领域。避障***包括：无人机主体、避障模块、激光雷达模块；所述无人机主体为具有独立飞行功能的多旋翼无人机；所述无人机主体的控制***包括主控制器、主板、飞行控制器和电源；控制方法包括：1)获得对应周围环境的雷达信号；2)雷达信号传送至构图程序；3)绘制出体现无人机附近环境特征的地形图；4)得出当前位置至目标位置，避开所有障碍物后的最短路线；5)得出无人机的动作要求；6)得出与其对应的控制指令，控制无人机做出相应动作。
Description
技术领域
本发明属于无人机避障***领域，具体涉及一种基于激光雷达的无人机避障***及控制方法。
背景技术
目前市面上的无人机，其避障原理多采用基于摄像头的双目避障、红外避障等方式，其缺点是，在强光或黑暗环境下避障效果受到非常大的影响，且技术门槛高，算法开发难度较大。同时，双目避障设备的购买成本较为昂贵，也为其在无人机应用上的推广带来了一定的约束。
发明内容
针对上述存在的技术问题，本发明提供一种基于激光雷达的无人机避障***，包括：无人机主体、避障模块、激光雷达模块；
所述无人机主体为具有独立飞行功能的多旋翼无人机；
所述无人机主体的控制***包括主控制器、主板、飞行控制器和电源；
所述电源通过主板分别与主控制器、飞行控制器、避障模块连接并供电；
所述主控制器通过主板与飞行控制器连接，用于执行串口收到的指令，控制飞行器姿态和移动；
所述飞行控制器用于控制无人机的飞行动作；
所述激光雷达模块与避障模块连接；
所述避障模块与主控制器连接；
所述避障模块采用Raspberry Pi 3，其装载Linux***Debian发行版作为操作***；
所述操作***上装载Indigo版本ROS机器人操作***；
所述机器人操作***上运行有飞行控制程序、激光雷达程序、导航程序、构图程序、路径规划程序；
所述激光雷达程序用于控制激光雷达模块的工作状态，并将其反馈的雷达信号传送至构图程序；
所述构图程序用于根据雷达信号，绘制出体现无人机附近环境特征的地形图；
所述路径规划程序用于根据所述地形图中的环境特征，得出当前位置至目标位置的最短路线；
所述导航程序用于根据所述最短路线，得出无人机的动作要求，使无人机按照动作要求进行飞行后，其飞行路线能够符合所述最短路线；
所述飞行控制程序用于根据所述动作要求，得出与其对应的控制指令，并通过主控制器和主板将控制指令发送至飞行控制器，从而使飞行控制器控制无人机做出相应动作。
所述主控制器采用Arduino Mega 2560单片机，运行PID程序。
所述飞行控制器为APM2.8开源飞控。
所述避障模块与主控制器之间采用USB连接。
所述基于激光雷达的无人机避障***，还包括基站，用于运行ROS机器人操作***的工具软件Rviz；所述Rviz用于观察构图程序输出的地形图，以及导航程序指示的最短路线。
所述基站采用PC或手机。
一种基于激光雷达的无人机避障***的控制方法，采用上述的基于激光雷达的无人机避障***，包括以下步骤：
步骤1，无人机飞行过程中，所述激光雷达程序控制激光雷达模块的测距核心顺时针旋转，实现对周围环境的360°全方位扫描测距检测，从而获得对应周围环境的雷达信号；
步骤2，所述激光雷达程序将激光雷达模块反馈的雷达信号传送至构图程序；
步骤3，所述构图程序根据雷达信号，绘制出体现无人机附近环境特征的地形图；
步骤4，所述路径规划程序根据所述地形图中的环境特征，得出当前位置至目标位置，避开所有障碍物后的最短路线；
步骤5，所述导航程序根据所述最短路线，得出无人机的动作要求；所述动作要求，即无人机将要进行的一系列飞行动作，在这些飞行动作的控制下，无人机飞行路线将符合所述最短路线；
步骤6，所述飞行控制程序根据所述动作要求，得出与其对应的控制指令，并通过主控制器和主板将控制指令发送至飞行控制器，从而使飞行控制器控制无人机做出相应动作。
本发明的有益效果：
本发明提出一种基于激光雷达的无人机避障***及控制方法。采用的ROS机器人操作***是一个分布式的***，只要所有ROS节pa点连接在同一个Core上，无论功能能包运行在哪个硬件上(Raspberry Pi或PC)对于***来说并无差别。这样需要运行计算量很大的功能包时，可以选择将此部分放在PC平台上运行。
激光雷达测距核心顺时针旋转，实现对周围环境的360°全方位扫描测距检测，从而获得周围环境的轮廓图，进行地形图构建和路径规划，规避障碍物。激光雷达的精准度高，分辨率高，可获得极高的角度、距离、速度分辨率；抗有源干扰能力强，与微波雷达易受自然界广泛存在的电磁波影响的情况不同，自然界中能对激光雷达起干扰作用的信号源不多，因此激光雷达抗有源干扰的能力很强。
本发明设计合理，易于实现，具有很好的实用价值。
附图说明
图1为本发明具体实施方式中所述基于激光雷达的无人机避障***的结构示意图；
图2为本发明具体实施方式中所述基于激光雷达的无人机避障***的控制方法的流程图。
图中：1、无人机主体；1-1、主控制器；1-2、主板；1-3、飞行控制器；1-4、电源；2、避障模块；3、激光雷达模块。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施实例，对本发明做出进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提出一种基于激光雷达的无人机避障***，如图1所示，包括无人机主体1、避障模块2和激光雷达模块3；
所述无人机主体1为具有独立飞行功能的多旋翼无人机；
所述无人机主体1的控制***包括主控制器1-1、主板1-2、飞行控制器1-3和电源1-4；
所述电源1-4通过主板1-2分别与主控制器1-1、飞行控制器1-3、避障模块2连接并供电；
所述主控制器1-1通过主板1-2与飞行控制器1-3连接，用于执行串口收到的指令，控制飞行器姿态和移动；
本实施例中，所述主控制器1-1采用Arduino Mega 2560单片机，运行PID程序；
所述飞行控制器1-3用于控制无人机的飞行动作；本实施例中，所述飞行控制器1-3为APM2.8开源飞控；
所述激光雷达模块3与避障模块2连接；
所述避障模块2与主控制器1-1连接；
所述避障模块2与主控制器1-1之间采用USB连接；
所述避障模块2采用Raspberry Pi 3，其装载Linux***Debian发行版作为操作***；
所述操作***上装载Indigo版本ROS机器人操作***；
所述机器人操作***上运行有飞行控制程序、激光雷达程序、导航程序、构图程序和路径规划程序；
所述激光雷达程序用于控制激光雷达模块3的工作状态，并将其反馈的雷达信号传送至构图程序；
所述构图程序根据雷达信号，绘制出体现无人机附近环境特征的地形图；
所述路径规划程序根据所述地形图中的环境特征，得出当前位置至目标位置的最短路线；
所述导航程序根据所述最短路线，得出无人机的动作要求，使无人机按照动作要求进行飞行后，其飞行路线能够符合所述最短路线；
所述飞行控制程序根据所述动作要求，得出与其对应的控制指令，并通过主控制器1-1和主板1-2将控制指令发送至飞行控制器1-3，从而使飞行控制器1-3控制无人机做出相应动作；
所述基于激光雷达的无人机避障***，还包括基站，用于运行ROS机器人操作***的工具软件Rviz；
所述Rviz用于观察构图程序输出的地形图，以及导航程序指示的最短路线；
所述基站采用PC或手机；
本发明提出一种基于激光雷达的无人机避障***的控制方法，采用上述基于激光雷达的无人机避障***，如图2所示，包括以下步骤：
步骤1，无人机飞行过程中，所述激光雷达程序控制激光雷达模块3的测距核心顺时针旋转，实现对周围环境的360°全方位扫描测距检测，从而获得对应周围环境的雷达信号；
步骤2，所述激光雷达程序将激光雷达模块3反馈的雷达信号传送至构图程序；
步骤3，所述构图程序根据雷达信号，绘制出体现无人机附近环境特征的地形图；
步骤4，所述路径规划程序根据所述地形图中的环境特征，得出当前位置至目标位置，避开所有障碍物后的最短路线；
步骤5，所述导航程序根据所述最短路线，得出无人机的动作要求；所述动作要求，即无人机将要进行的一系列飞行动作，在这些飞行动作的控制下，无人机飞行路线将符合所述最短路线；
步骤6，所述飞行控制程序根据所述动作要求，得出与其对应的控制指令，并通过主控制器1-1和主板1-2将控制指令发送至飞行控制器1-3，从而使飞行控制器1-3控制无人机做出相应动作。
Claims (7)
1.一种基于激光雷达的无人机避障***，其特征在于，包括：无人机主体、避障模块、激光雷达模块；
所述无人机主体为具有独立飞行功能的多旋翼无人机；
所述无人机主体的控制***包括主控制器、主板、飞行控制器和电源；
所述电源通过主板分别与主控制器、飞行控制器、避障模块连接并供电；
所述主控制器通过主板与飞行控制器连接，用于执行串口收到的指令，控制飞行器姿态和移动；
所述飞行控制器用于控制无人机的飞行动作；
所述激光雷达模块与避障模块连接；
所述避障模块与主控制器连接；
所述避障模块采用Raspberry Pi 3，其装载Linux***Debian发行版作为操作***；
所述操作***上装载Indigo版本ROS机器人操作***；
所述机器人操作***上运行有飞行控制程序、激光雷达程序、导航程序、构图程序、路径规划程序；
所述激光雷达程序用于控制激光雷达模块的工作状态，并将其反馈的雷达信号传送至构图程序；
所述构图程序用于根据雷达信号，绘制出体现无人机附近环境特征的地形图；
所述路径规划程序用于根据所述地形图中的环境特征，得出当前位置至目标位置的最短路线；
所述导航程序用于根据所述最短路线，得出无人机的动作要求，使无人机按照动作要求进行飞行后，其飞行路线能够符合所述最短路线；
所述飞行控制程序用于根据所述动作要求，得出与其对应的控制指令，并通过主控制器和主板将控制指令发送至飞行控制器，从而使飞行控制器控制无人机做出相应动作。
2.根据权利要求1所述的基于激光雷达的无人机避障***，其特征在于，所述主控制器采用Arduino Mega 2560单片机，运行PID程序。
3.根据权利要求1所述的基于激光雷达的无人机避障***，其特征在于，所述飞行控制器为APM2.8开源飞控。
4.根据权利要求1所述的基于激光雷达的无人机避障***，其特征在于，所述避障模块与主控制器之间采用USB连接。
5.根据权利要求1所述的基于激光雷达的无人机避障***，其特征在于，所述基于激光雷达的无人机避障***，还包括基站，用于运行ROS机器人操作***的工具软件Rviz；所述Rviz用于观察构图程序输出的地形图，以及导航程序指示的最短路线。
6.根据权利要求5所述的基于激光雷达的无人机避障***，其特征在于，所述基站采用PC或手机。
7.一种基于激光雷达的无人机避障***的控制方法，其特征在于，采用权利要求1所述的基于激光雷达的无人机避障***，包括以下步骤：
步骤1，无人机飞行过程中，所述激光雷达程序控制激光雷达模块的测距核心顺时针旋转，实现对周围环境的360°全方位扫描测距检测，从而获得对应周围环境的雷达信号；
步骤2，所述激光雷达程序将激光雷达模块反馈的雷达信号传送至构图程序；
步骤3，所述构图程序根据雷达信号，绘制出体现无人机附近环境特征的地形图；
步骤4，所述路径规划程序根据所述地形图中的环境特征，得出当前位置至目标位置，避开所有障碍物后的最短路线；
步骤5，所述导航程序根据所述最短路线，得出无人机的动作要求；所述动作要求，即无人机将要进行的一系列飞行动作，在这些飞行动作的控制下，无人机飞行路线将符合所述最短路线；
步骤6，所述飞行控制程序根据所述动作要求，得出与其对应的控制指令，并通过主控制器和主板将控制指令发送至飞行控制器，从而使飞行控制器控制无人机做出相应动作。
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