基于M100开发平台的区域完全搜索与避障系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种基于M100开发平台的区域完全搜索与避障系统，所述系统包括：APP模块、巡航模块以及避障模块，其中APP模块负责发送起飞、降落命令，并实时显示图传画面，巡航模块包括GPS校准模块、返回基线模块和转向模块，避障模块包括判断模块和决策模块，其中判断模块负责判断是否该方向有障碍物，决策模块负责得出当前避障进行到哪个步骤。该技术方案能够在特定区域进行完全自主、全面搜索的同时实现躲避障碍物，通过对双目视觉系统的数据和超声波数据结合，提高检测障碍物的精度和效率，进而提高无人机自动避障的成功率和区域搜索的效率。

【技术实现步骤摘要】
基于M100开发平台的区域完全搜索与避障系统及方法
本专利技术涉及一种基于大疆公司M100的全方位自动避障和巡航方法，属于无人机巡航和避障

技术介绍
随着无人机的应用越来越广泛,无人机应用的环境越来越复杂,对无人机感知环境,躲避障碍物的要求越来越高。目前,无人机的避障方法主要包括TOF技术、视觉避障、超声波避障、红外线避障、雷达避障等，这些方法往往是采取其中一个，或两个方法单独进行。其中，ToF技术容易受光污染以及灰尘烟雾的影响，目标鉴别和排除能力也较弱，雷达避障基于中低频，雷达体积较大，很难在无人机上安装使用；此外，躲避障碍物的系统大多没有实现真正的自主飞行，从无人机起飞到降落的整个过程没能实现全自动，仅考虑如何躲避障碍物。目前的无人机避障系统中未考虑如何和特定区域的巡航相结合，如果仅避障，则搜索到的区域会有很大的重叠，且很有可能达不到完全的搜索。M100是大疆公司研制的一款平稳可靠、功能强大、可灵活扩展的飞行平台，可进行二次开发。其中，M100已具备5个方向的双目视觉系统和超声波系统，可以获取深度图数据和超声波数据。基于该平台的基础以及目前无人机避障存在的问题，申请人研发了一种基于大疆公司M100的全方位自动避障和巡航方法。
技术实现思路
本专利技术正是针对现有技术中存在的技术问题，提供一种基于M100开发平台的区域完全搜索与避障系统与方法，该技术方案利用手机APP控制其自动起飞降落，实时传回图像数据；结合超声波数据和深度图数据，更好的识别出不同种类的障碍物；在不同情况下调整云台的角度，实现区域完全扫描；达到了真正的自主飞行和区域的完全搜索，将巡航和避障更好地结合。为了实现上述目的，本专利技术的技术方案如下，一种基于M100开发平台的区域完全搜索与避障系统，其特征在于，所述系统包括：APP模块、巡航模块以及避障模块，其中巡航模块作为主线程，APP模块和避障模块作为子线程，在巡航模块和避障模块两个线程中，有以下变量用作信息传递，由巡航模块控制的变量有控制权(当控制权在巡航模式下时，避障模式线程不能运行，反之，巡航模式等待；只有当其中一个模式获取控制权后才可以更改数据)、飞行方向(北东坐标系下)、当前关注的图像传感器方向；由避障模块控制的变量有申请控制权、飞行高度、飞行速度、回到基线时是否安全。其中APP模块负责发送起飞、降落命令，并实时显示图传画面，巡航模块包括GPS校准模块、返回基线模块和转向模块，GPS校准模块负责GPS坐标获取和校准，返回基线模块负责避障结束后安全回到基线上，转向模块负责到达转弯处平稳调整方向并计算下一目标点，避障模块包括判断模块和决策模块，其中判断模块负责判断是否该方向有障碍物，决策模块负责得出当前避障进行到哪个步骤。所述无人机由于带宽的限制，双目视觉系统中只能传输两个方向的深度图数据具体包括：在无人机的上方、前方、左方、右方、下方都装有图像传感器和超声波传感器，5个方向的超声波数据都可以获取，但是深度图数据只能传输两个方向，在这里我们采用图像传感器1号始终传输前方的图像数据，然后根据不同情况图像传感器2号传输左方、右方或上方的深度图数据。其中，所述APP端发送起飞命令，M100进入避障模式一，即APP端的数据通过局域网发送给M100，此时，M100起飞，控制权在避障模式一，调整高度后，进入巡航模式，即控制权在巡航模式具体包括：该系统分为两个线程，巡航模块作为主线程，避障模块作为子线程，控制权由巡航模块进行管理，拥有控制权的模块可以对无人机的飞行状态进行改变，无人机起始默认进入避障模式，调整高度后，巡航模式收回控制权。该系统能够在特定区域进行完全自主、全面搜索的同时实现躲避障碍物，通过对双目视觉系统的数据和超声波数据结合，提高检测障碍物的精度和效率，进而提高无人机自动避障的成功率和区域搜索的效率。一种基于M100开发平台的区域完全搜索与避障系统的方法，所述方法如下：1)APP端发送起飞命令，M100进入避障模式一，即控制权在避障模式，调整高度后，进入巡航模式，即控制权在巡航模式；巡航模式中，M100按照巡航规划出的轨迹飞行，云台按照一定角度摆动，并将拍摄到的画面实时传送到APP端；2)巡航的速度随计算的结果变化；图像传感器1号始终开启，方向为前方；结合深度图数据和超声波数据，判断前方是否有障碍物；若是，避障模式申请控制权，巡航模式在非转弯的情况下会把控制权交给避障模式，进入避障模式一；3)图像传感器2号右边开启，判断右方是否有障碍物；若是，右方不安全，M100左转直到前方无障碍物，进入“左转后”状态；若否，右方安全，M100右转直到前方无障碍物；4)进入“右转后”状态；“左(右)转后”状态中，云台在图像传感器方向和地面之间90°摆动，图像传感器2号右(左)方开启，优先判断前方是否有障碍物；若是，M100左(右)转直到前方无障碍物；若否，判断右(左)方是否安全；若否，M100继续前进；若是，M100右(左)转，判断方向是否为巡航的方向；若否，M100继续右(左)转直到方向为巡航方向；若是，M100此时为“前进”状态且偏左(右)，判断右(左)方是否有障碍物；若是，M100前进直到右(左)方无障碍物，然后向右(左)平移；若否，向右(左)平移直到回到基线上，控制权交还给巡航模式；5)当电量小于一定阈值或用户在APP上点击返航时，M100进入避障模式二；图像传感器2号上方开启，判断上方是否有障碍物；若是，M100按照避障模式一飞行，直到上方无障碍物；若否，M100上升到一定高度，直接飞回起点，任务结束。作为本专利技术的一种改进，所述步骤1)中，所述巡航模式中，M100按照预先规定的轨迹飞行，云台按照一定角度摆动，并将拍摄到的画面实时传送到APP端的步骤包括：确定飞行轨迹之前，首先要先获取到巡航区域四个顶点的GPS坐标，飞行轨迹采用蛇形迂回的方式，无人机在每走一段折线时，才会计算该线的终点和要转弯的地方，这样可以大大减少计算量；在巡航模式中，摆动的角度和无人机飞行的高度和巡航轨迹的步长密切相关，在这里固定云台左右摆动45°，飞行高度2m，这样可计算得步长，用尽量少的时间和电量达到区域的完全搜索，提高了效率。作为本专利技术的一种改进，所述步骤2)中，巡航的速度随计算的结果变化具体如下，巡航速度有三级：快速、慢速一、慢速二(实际测试中，分别采用3.5m/s、2m/s、0.7m/s)，超声波数据返回的距离有两个阈值：进入预警状态的阈值、进入避障模式的阈值(实际测试中，分别采用5m、2m，进入预警状态的阈值大于进入避障模式的阈值)。若在前进方向上没有检测到障碍物且超声波数据返回的距离大于进入预警状态的阈值，以快速前进；若在前进方向上没有检测到障碍物且超声波数据小于进入预警状态的阈值，同时大于进入避障模式的阈值时，无人机以慢速一前进，进入预警状态，即前方可能出现障碍物；若前方检测到障碍物或超声波数据小于进入避障模式的阈值，则无人机以慢速二进入避障模式；避障结束后，再通过新一轮的判断决定巡航速度；所述步骤2)中，判断前方是否有障碍物的步骤如下：首先获取最原始的深度图数据和超声波数据，超声波数据为无人机到最近障碍物的距离，深度图数据为未经处理的单通道图像；然后对获取到的深度图进行腐蚀、膨胀、二值化，其本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于M100开发平台的区域完全搜索与避障系统，其特征在于，所述系统包括：APP模块、巡航模块以及避障模块，其中APP模块负责发送起飞、降落命令，并实时显示图传画面，巡航模块包括GPS校准模块、返回基线模块和转向模块，GPS校准模块负责GPS坐标获取和校准，返回基线模块负责避障结束后安全回到基线上，转向模块负责到达转弯处平稳调整方向并计算下一目标点，避障模块包括判断模块和决策模块，其中判断模块负责判断是否该方向有障碍物，决策模块负责得出当前避障进行到哪个步骤。

【技术特征摘要】
1.一种基于M100开发平台的区域完全搜索与避障系统，其特征在于，所述系统包括：APP模块、巡航模块以及避障模块，其中APP模块负责发送起飞、降落命令，并实时显示图传画面，巡航模块包括GPS校准模块、返回基线模块和转向模块，GPS校准模块负责GPS坐标获取和校准，返回基线模块负责避障结束后安全回到基线上，转向模块负责到达转弯处平稳调整方向并计算下一目标点，避障模块包括判断模块和决策模块，其中判断模块负责判断是否该方向有障碍物，决策模块负责得出当前避障进行到哪个步骤。2.一种基于M100开发平台的区域完全搜索与避障系统的方法，其特征在于，所述方法如下：1)APP端发送起飞命令，M100进入避障模式一，即控制权在避障模式，调整高度后，进入巡航模式，即控制权在巡航模式；巡航模式中，M100按照巡航规划出的轨迹飞行，云台按照一定角度摆动，并将拍摄到的画面实时传送到APP端；2)巡航的速度随计算的结果变化；图像传感器1号始终开启，方向为前方；结合深度图数据和超声波数据，判断前方是否有障碍物；若是，避障模式申请控制权，巡航模式在非转弯的情况下会把控制权交给避障模式，进入避障模式一；3)图像传感器2号右边开启，判断右方是否有障碍物；若是，右方不安全，M100左转直到前方无障碍物，进入“左转后”状态；若否，右方安全，M100右转直到前方无障碍物；4)进入“右转后”状态；“左(右)转后”状态中，云台在图像传感器方向和地面之间90°摆动，图像传感器2号右(左)方开启，优先判断前方是否有障碍物；若是，M100左(右)转直到前方无障碍物；若否，判断右(左)方是否安全；若否，M100继续前进；若是，M100右(左)转，判断方向是否为巡航的方向；若否，M100继续右(左)转直到方向为巡航方向；若是，M100此时为“前进”状态且偏左(右)，判断右(左)方是否有障碍物；若是，M100前进直到右(左)方无障碍物，然后向右(左)平移；若否，向右(左)平移直到回到基线上，控制权交还给巡航模式；5)当电量小于一定阈值或用户在APP上点击返航时，M100进入避障模式二；图像传感器2号上方开启，判断上方是否有障碍物；若是，M100按照避障模式一飞行，直到上方无障碍物；若否，M100上升到一定高度，直接飞回起点，任务结束。3.根据权利要求2所述的基于M100开发平台的区域完全搜索与避障系统的方法，其特征在于，所述步骤1)中，所述巡航模式中，M100按照预先规定的轨迹飞行，云台按照一定角度摆动，并将拍摄到的画面实时传送到APP端的步骤包括：确定飞行轨迹之前，首先要先获取到...

【专利技术属性】
技术研发人员：牛钰茜，孔德优，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32