(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010596636.2
(22)申请日 2020.06.28
(71)申请人 武汉理工大学
地址 430070 湖北省武汉市洪山区珞狮路
122号
(72)发明人 王昱 严铭 周建
(74)专利代理机构 湖北武汉永嘉专利代理有限
公司 42102
代理人 王守仁
(51)Int.Cl.
G05D 1/08(2006.01)
G05D 1/10(2006.01)
G01S 17/933(2020.01)
(54)发明名称
一种基于激光雷达和八边形空气墙算法的
(57)摘要
本发明是一种基于激光雷达和八边形空气
墙算法的无人机避障系统，包括以电信号相连的
角控制器、激光雷达模块、八边形空气墙避障算
法，其中：动力执行模块为无人机提供动力；微处
发送的指令，对两种信息做出逻辑判断，控制无
人机导航飞行；传感器模块用于解算无人机当前
的姿态角；姿态角控制器通过接收遥控器信号，
以实际的姿态角控制无人机；激光雷达模块获取
障碍物到无人机的距离和相对角度；八边形空气
墙避障算法将激光雷达采集的距离数据和角度
数据进行处理，提供精准的避障信息，实现无人
机的精准避障。本发明解决了激光雷达采集的数
据存在野值的问题。权利要求书1页 说明书5页 附图8页CN 111708375 A 2020.09.25
C N 111708375
A
1.一种基于激光雷达和八边形空气墙算法的无人机避障系统，其特征是包括以电信号相连的动力执行模块、微处理器模块、传感器模块、姿态角控制器、激光雷达模块、八边形空气墙避障算法，其中：动力执行模块为无人机提供动力；微处理器模块接收传感器模块发送的数据和遥控器发送的指令，对两种信息做出逻辑判断，控制无人机导航飞行；传感器模块用于解算无人机当前的姿态角；姿态角控制器通过接收遥控器信号，以实际的姿态角控制无人机；激光雷达模块获取障碍物到无人机的距离和相对角度；八边形空气墙避障算法将激光雷达采集的距离数据和角度数据进行处理，提供精准的避障信息，实现无人机的精准避障。
2.根据权利要求1所述的无人机避障系统，其特征是：动力执行模块由电子调速器，螺旋桨和直流无刷电机组成；将螺旋桨安装在直流无刷电机上，电机旋转带动螺旋桨旋转，为无人机提供升力；电子调速器装在微处理器与直流无刷电机之间，使微处理器能够输出足够大的PWM信号，从而驱动直流无刷电机。
3.根据权利要求1所述的无人机避障系统，其特征是：微处理器模块采用的微处理器芯片为STM32F427VIT6，其丰富的外设接口能够与采用不同通信方式的传感器和数据存储芯片进行通信。
4.根据权利要求1所述的无人机避障系统，其特征是传感器模块包括均安装在PIXHAWK 飞控板上的三轴加速度计，三轴磁力计和三轴陀螺仪，其中：三轴加速度计用于测量无人机飞行时三轴的加速度；三轴
磁力计用于测量无人机飞行时三轴的磁场强度；三轴陀螺仪用于测量无人机飞行时绕三轴的角速度。
5.根据权利要求4所述的无人机避障系统，其特征是采用六轴传感器ICM -20608-G和磁力计HMC5983，六轴传感器ICM -20608-G集成了三轴加速度计和三轴陀螺仪两个传感器，通过三轴加速度计采集的数据解算无人机的俯仰角和横滚角；通过磁力计HMC5983采集的数据解算无人机的偏航角，从而获得当前无人机飞行时的姿态角信息。
6.根据权利要求1所述的无人机避障系统，其特征是：姿态角控制器采用双闭环PID控制器，其外环设计为角度环，角度环的输入为期望的姿态角和实际的姿态角的偏差量，输出为期望的角速度；其内环设计为角速度环，角速度环的输入为期望的角速度和实际角速度的偏差量，输出为期望力矩，从而控制无人机的飞行时的姿态。
7.根据权利要求6所述的无人机避障系统，其特征是：外环设计设计中，所述期望的姿态角是遥控器输入的姿态角，所述实际的姿态角为惯性单元解算的姿态角。
8.根据权利要求6所述的无人机避障系统，其特征是：内环设计中，所述期望的角速度为角度环的输出，所述实际角速度为陀螺仪的测量值。
9.根据权利要求1所述的无人机避障系统，其特征是：激光雷达模块采用全向激光雷达SF40，其采集障碍物到无人机的距离和相对角度，为后续无人机避障提供初始数据支持。
10.根据权利要求1所述的无人机避障系统，其特征在于八边形空气墙避障算法为：通过激光雷达模块收集及合并原始距离测量值，包括存储和使用8个扇区内最近的距离和角度被；每个扇区的宽度为45度，0扇区指向前方，1扇区指向右侧，以此类推；从这些距离和角度，一个栅栏即一个二维向量数组被建立在无人机周围，栅栏点落在区与区之间的直线上，保持一定的距离；当所有8个扇区都没有检测到障碍物时，将用与相邻扇区的距离填充可用的空扇区，形成一个“杯状”栅栏，以保护无人机不撞上目标。
权 利 要 求 书1/1页CN 111708375 A
一种基于激光雷达和八边形空气墙算法的无人机避障系统
技术领域
[0001]本发明涉及无人机避障导航领域，具体属于一种基于激光雷达和改进的八边形空气墙避障算法的无人机避障系统。
背景技术
[0002]目前实用的无人机避障方案主要有三种：基于超声波传感器的避障方案；基于双目视觉传感器的避障方案；基于激光雷达传感器的避障方案。
[0003](1)基于超声波传感器的避障方案：
[0004]超声波传感器是应用场景最广泛的传感器，如倒车雷达等。超声波传感器具有一定的测量约束角(约10°～70°)，测量范围为4～10m。超声波传感器价格便宜，测量原理简单。但是超声波传感器发出的超声波是机械波，容易衰减和干扰，从而导致测量精度低；并且超声波传感器测量的数据少，不利于无人机平滑避障。
[0005](2)基于双目视觉传感器的避障方案：
[0006]双目视觉传感器不仅能够测量障碍物的距离，而且能够获得丰富的图像信息，并且能够对障碍物进行三维建模。双目视觉传感器具有测量范围广，精度高等优点。由于双目视觉传感器采集的是图像信息，数据处理模块的计算量和数据传输量也大，从而导致功耗高；双目视觉传感器受光线影响大，在光线暗的场景不可使用。
[0007](3)基于激光雷达传感器的避障方案：
[0008]激光雷达传感器不仅能够采集障碍物的距离，还能够采集障碍物的相对角度。具有精度高，测量范围为360°，弱光环境表现好等优点；缺点是容易受强光干扰，但是这个缺点能够通过算法弥补。
发明内容
[0009]本发明要解决的技术问题是：提供一种基于激光雷达和八边形空气墙算法的无人机避障系统，以
解决目前无人机避障系统精度低，不能够实现无人机精准避障的缺陷。[0010]本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：
[0011]本发明提供的基于激光雷达和八边形空气墙算法的无人机避障系统，具体是：包括以电信号相连的动力执行模块、微处理器模块、传感器模块、姿态角控制器、激光雷达模块、八边形空气墙避障算法，其中：动力执行模块为无人机提供动力；微处理器模块接收传感器模块发送的数据和遥控器发送的指令，对两种信息做出逻辑判断，控制无人机导航飞行；传感器模块用于解算无人机当前的姿态角；姿态角控制器通过接收遥控器信号，以实际的姿态角控制无人机；激光雷达模块获取障碍物到无人机的距离和相对角度；八边形空气墙避障算法将激光雷达采集的距离数据和角度数据进行处理，提供精准的避障信息，实现无人机的精准避障。
[0012]所述的动力执行模块由电子调速器，螺旋桨和直流无刷电机组成；将螺旋桨安装在直流无刷电机上，电机旋转带动螺旋桨旋转，为无人机提供升力；电子调速器装在微处理
器与直流无刷电机之间，由于微处理器模块输出的PWM信号的大小不足以驱动直流无刷电机转动，因此需要增加电子调速器进行功率放大，使微处理器能够输出足够大的PWM信号，从而驱动直流无刷电机。
[0013]所述的微处理器模块采用的微处理器芯片为STM32F427VIT6，其丰富的外设接口能够与采用不同通信方式的传感器和数据存储芯片进行通信。
[0014]所述的传感器模块包括三轴加速度计，三轴磁力计和三轴陀螺仪，其中：三轴加速度计安装在PIXHAWK飞控板上，用于测量无人机飞行时三轴的加速度；三轴磁力计安装在PIXHAWK飞控板上，用于测量无人机飞行时三轴的磁场强度；三轴陀螺仪安装在PIXHAWK飞控板上，用于测量无人机飞行时绕三轴的角速度。
[0015]本发明采用六轴传感器ICM-20608-G和磁力计HMC5983，六轴传感器ICM-20608-G 集成了三轴加速度计和三轴陀螺仪两个传感器，通过三轴加速度计采集的数据解算无人机的俯仰角和横滚角；通过磁力计HMC5983采集的数据解算无人机的偏航角，从而获得当前无人机飞行时的姿态角信息。
[0016]所述的姿态角控制器采用双闭环PID控制器，其外环设计为角度环，角度环的输入为期望的姿态角和实际的姿态角的偏差量，输出为期望的角速度；其内环设计为角速度环，角速度环的输入为期望的角速度和实际角速度的偏差量，输出为期望力矩，从而控制无人机的飞行时的姿态。
[0017]本发明在外环设计设计中，所述期望的姿态角是遥控器输入的姿态角，所述实际的姿态角为惯性单元解算的姿态角。
[0018]本发明在内环设计中，所述期望的角速度为角度环的输出，所述实际角速度为陀螺仪的测量值。
[0019]所述的激光雷达模块采用全向激光雷达SF40，其采集障碍物到无人机的距离和相对角度，为后续无人机避障提供初始数据支持。
[0020]所述的八边形空气墙避障算法为：通过激光雷达模块收集及合并原始距离测量值，包括存储和使用8个扇区内最近的距离和角度被；每个扇区的宽度为45度，0扇区指向前方，1扇区指向右侧，以此类推；从这些距离和角度，一个栅栏即一个二维向量数组被建立在无人机周围，栅栏点落在区与区之间的直线上，保持一定的距离；当所有8个扇区都没有检测到障碍物时，将用与相邻扇区的距离填充可用的空扇区，形成一个“杯状”栅栏，以保护无人机不撞上目标。
[0021]本发明与现有技术相比，具有以下主要的有益效果：
[0022]在强光干扰下，激光雷达传感器会输出错误的距离数据，影响无人机精确避障。为此，本发明对激光雷达这一缺点提出后期算法上的处理：对激光雷达采集的原始数据依次使用中值滤波器，低通滤波器和滑动窗口平均滤波器进行滤波。实验证明，经过中值滤波器，低通滤波器和滑动窗口平均滤波器滤波后，距离数据中的野值点被滤除，使距离数据更加精确。使无人机能够更加精准的避障。
附图说明
[0023]图1为无人机避障系统整体方案。
[0024]图2为SF40全向激光雷达实物图。
[0025]图3为八边形空气墙避障算法。
[0026]图4为未检测出障碍物时无人机避障方法。
[0027]图5为优化前八边形空气墙避障算法采集的数据。其中：图5-1至5-8为优化前八边形空气墙避障算法采集的具体数据波形示意图。
[0028]图6为原始数据滤波过程。
[0029]图7为优化后八边形空气墙避障算法采集的数据。其中：图7-1至7-8为优化后八边形空气墙避障算法采集的具体数据波形示意图。
[0030]图8为避障程序设计流程图。
[0031]图9为正对无人机方向的障碍物距离，遥控器俯仰通道的输入值，实际俯仰角的变化图。其中：图9-1为正对无人机方向的障碍物距离，图9-2为遥控器俯仰通道的输入值，图9-3为实际俯仰角的变化图。
[0032]图2中：1.激光模块；2.无刷电机模块。
具体实施方式
[0033]本发明提供一种基于激光雷达和改进的八边形空气墙算法的无人机避障系统，该系统选择SF40全
向激光雷达传感器获取当前飞行环境中障碍物的距离和角度信息，然后采用八边形空气墙避障算法进行实时避障，最后与四旋翼无人机飞控系统结合完成四旋翼飞行器的自主避障飞行。为克服激光雷达易受强光干扰影响的缺陷，通过先后加入中值滤波器、低通滤波器、滑动窗口平均滤波器三种滤波器滤除强光下产生的干扰点，使无人机在强光下能够精准避障。
[0034]下面结合实施例和附图作进一步阐明，但不限定本发明。
[0035]本发明提供的基于激光雷达和改进的八边形空气墙避障算法的无人机避障系统，是在PIXHAWK开源飞控的基础上改进得来的，适用于无人机实际飞行过程中自主避障，尤其适用于四旋翼无人机精准躲避障碍物。
[0036]本发明提供的基于激光雷达和改进的八边形空气墙避障算法的无人机避障系统，包括以电信号相连的动力执行模块、微处理器模块、传感器模块、姿态角控制器、激光雷达模块、八边形空气墙避障算法，其中：动力执行模块为无人机提供动力；微处理器模块接收传感器模块发送的数据和遥控器发送的指令，对两种信息做出逻辑判断，控制无人机导航飞行；传感器模块包括三轴加速度计，三轴磁力计和三轴陀螺仪，用来解算无人机当前的姿态角；姿态角控制器通过接收遥控器信号，以实际的姿态角控制无人机；激光雷达模块获取障碍物到无人机的距离和相对角度；八边形空气墙避障算法将激光雷达采集的距离数据和角度数据进行处理，提供精准的避障信息，实现无人机的精准避障。
[0037]本发明有两个子避障系统，如图1所示。
[0038]所述第一个子避障系统是数据处理系统，由激光雷达，数据处理模块以及通信端口组成。其主要功能是：首先通过激光雷达获得无人机与障碍物的距离与角度，然后通过数据处理模块处理采集的数据，最后通信端口将处理后的数据发送到飞行控制系统。[0039]第二个子避障系统是飞行控制系统，由PIXHAWK飞控板和遥控器组成。其主要功能是：读取数据处理系统发送的距离与角度信息，与此同时接收遥控器发送的控制信号，然后结合数据处理系统发送的数据和遥控信号进行判断，决定无人机是执行避障姿态还是按照
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