无人机避障方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种无人机避障方法及装置，属于无人机技术领域。本发明专利技术通过设置内环控制系统和外环控制系统，两个系统协同控制无人机飞行，飞行过程根据实时环境数据能够精准避开所有障碍物，不影响无人机完成任务的同时，保证了无人机飞行的安全性和智能性，无人机内嵌有传感器，能够实时感知无人机的各项数据，进而能够精准识别障碍物，从而实时为无人机调整路径，在确定出无障路径后，能够通过外环控制系统和内环控制系统协同为无人机确定出期望飞行控制参数，由电机控制所述无人机的旋翼，使得无人机能够根据确定的无障路线飞行，全流程自动化进行，且计算过程简洁清晰，因而计算效率高、控制效率高，准确率高，自然地，安全性会更好。更好。更好。

【技术实现步骤摘要】
无人机避障方法及装置


[0001]本专利技术涉及无人机
，尤其涉及一种无人机避障方法及装置。

技术介绍

[0002]随着农业、电力、工业等行业级无人机市场的迅速增长，无人机关键技术也在发生日新月异的进步，如实时图传、目标识别、地形跟随等技术，使得行业级无人机越来越趋向于智能化。在诸多技术趋势中，避障能力是实现无人机安全飞行的关键。无人机自主避障能最大程度的减少因人为操作失误、视线问题造成的无人机损毁、人身事故和建筑事故等的发生。
[0003]传统无人机避障方案通常采用视觉避障方式，但受限于摄像头体积、重量、功耗等问题，无法长时间续航工作，且易受天气影响，传统方案效果有限。
[0004]避障无人机是一种配备了先进传感器和智能算法的无人机，旨在识别并规避其路径上的障碍物。这些无人机通常用于各种应用领域，例如航拍摄影、物流运输、农业监测和救援任务等。

技术实现思路

[0005]本专利技术提供了一种无人机避障方法及装置，达到提高安全性的效果。所述技术方案如下：
[0006]一方面，提供了一种无人机避障方法，无人机由内环控制系统和外环控制系统协同控制飞行，所述方法包括：
[0007]通过所述无人机的所述外环控制系统，获取所述无人机内嵌的传感器所采集到的所述无人机的实时位置和实时环境数据；
[0008]根据待执行任务、实时环境数据和所述无人机的实时位置，为所述无人机规划路线，确定所述无人机的期望路径和期望偏航角，所述期望路径为不经过所述实时环境数据中任一障碍物的路径；
[0009]通过所述无人机的所述外环控制系统，根据所述期望路径、所述期望偏航角和所述无人机的实时位置，确定所述无人机在实现所述期望偏航角的情况下沿着所述期望路径飞行所需的期望总拉力，以及期望俯仰角和期望横滚角；
[0010]通过所述无人机的所述内环控制系统，根据所述外环控制系统确定的期望俯仰角、期望横滚角以及所述期望偏航角，计算所述无人机在实现所述期望偏航角的情况下沿着所述期望路径飞行所需的期望力矩；
[0011]根据所述期望总拉力和所述期望力矩，计算所述无人机在实现所述期望偏航角的情况下沿着所述期望路径飞行所需的多个旋翼的期望转速；
[0012]将所述多个旋翼的期望转速输入所述多个旋翼所对应的电机，由所述多个旋翼所对应的电机根据所述多个旋翼的期望转速，控制所述无人机沿着所述期望路径进行飞行；
[0013]其中，所述期望俯仰角和期望横滚角通过下述公式一至公式六确定：
[0014]，公式一
[0015]，公式二
[0016]，公式三
[0017]，公式四
[0018]，公式五
[0019]，公式六
[0020]其中，为所述无人机的实时位置中实时水平位置，和分别为所述无人机的实时水平位置中的轴坐标和轴坐标，为所述无人机在水平方向上的位置变化率，为所述无人机在水平方向上的期望速度，为所述无人机在水平方向上的速度变化率，为重力加速度，为期望偏航角，为所述无人机的姿态，为期望俯仰角，为期望横滚角。
[0021]在一些实施例中，所述根据所述期望路径、所述期望偏航角和所述无人机的实时位置，确定所述无人机在实现所述期望偏航角的情况下沿着所述期望路径飞行所需的期望总拉力，包括：
[0022]根据所述无人机的实时位置中实时高度位置和所述期望路径，确定所述无人机在高度方向上的期望高度加速度；
[0023]根据所述期望高度加速度、所述无人机的质量以及拉力之间的关系，确定所述无人机的期望总拉力。
[0024]在一些实施例中，所述根据所述外环控制系统确定的期望俯仰角、期望横滚角以及所述期望偏航角，计算所述无人机在实现所述期望偏航角的情况下沿着所述期望路径飞行所需的期望力矩，包括：
[0025]根据第一关系和第二关系，根据所述无人机的期望偏航角、期望俯仰角以及期望横滚角，计算所述无人机在实现所述期望偏航角的情况下沿着所述期望路径飞行所需的期望力矩；
[0026]其中，所述第一关系为所述无人机的期望偏航角、期望俯仰角、期望横滚角以及所述无人机的旋翼的转速之间的关系，所述第二关系为所述无人机的转动惯量、旋翼的转速和作用于机体的力矩之间的关系。
[0027]在一些实施例中，所述期望总拉力通过下述公式七至公式八确定：
[0028]，公式七
[0029]，公式八
[0030]其中，为所述无人机的在高度方向上的位置变化率，为所述无人机在高度方向上的期望速度，为所述无人机在高度方向上的速度变化率，为重力加速度，为所述无人机的质量，为期望总拉力。
[0031]在一些实施例中，所述期望力矩的计算过程通过下述公式九至公式十实现：
[0032]，公式九
[0033]，公式十
[0034]其中，为旋翼的转速，为所述无人机的转动惯量，为所述无人机的旋翼作用于机体的期望力矩，为矩阵转置，为期望横滚角的一阶导数，为期望俯仰角的一阶导数，为期望偏航角的一阶导数。
[0035]在一些实施例中，所述所述根据所述期望总拉力和所述期望力矩，计算所述无人机在实现所述期望偏航角的情况下沿着所述期望路径飞行所需的多个旋翼的期望转速，包括：
[0036]获取所述无人机的拉力、力矩和旋翼的转速之间的关系；
[0037]根据所述拉力、力矩和旋翼的转速之间的关系，以及所述期望总拉力和所述期望力矩，通过下述公式十一至公式十五，计算所述无人机在实现所述期望偏航角的情况下沿着所述期望路径飞行所需的多个旋翼的期望转速；
[0038]，公式十一
[0039]，公式十二
[0040]，公式十三
[0041]，公式十四
[0042]，公式十五
[0043]其中，分别为四个旋翼的期望转速，为俯仰角力矩系数，为偏航角力矩系数，为四个旋翼的分配矩阵，为旋翼控制效率矩阵，、、、为所述旋翼控制效率矩阵的参数，为各旋翼的期望偏航角，为各旋翼的期望俯仰角，为各旋翼的期望横滚角，为所述无人机的海拔高度。
[0044]一些实施例中，所述将所述多个旋翼的期望转速输入所述多个旋翼所对应的电机，由所述多个旋翼所对应的电机根据所述多个旋翼的期望转速，控制所述无人机沿着所述期望路径进行飞行，包括：
[0045]将所述多个旋翼的期望转速输入所述无人机的所述多个旋翼所对应的电机；
[0046]对于每个旋翼，由所述旋翼所对应的电机根据输入的所述旋翼的期望转速，计算电机期望油门指令，并输出至电调，由所述电调根据所述期望油门指令驱动所述无人机沿着所述期望路径飞行。
[0047]一方面，提供了一种无人机避障装置，无人机由内环控制系统和外环控制系统协同控制飞行，所述装置包括：
[0048]获取模块，用于通过所述无人机的所述外环控制系统，获取所述无人机内嵌的传感器所采集到的所述无人机的实时位置和实时环境数据；
[0049]确定模块，用于根据待执行任务、实时环境本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种无人机避障方法，其特征在于，无人机由内环控制系统和外环控制系统协同控制飞行，所述方法包括：通过所述无人机的所述外环控制系统，获取所述无人机内嵌的传感器所采集到的所述无人机的实时位置和实时环境数据；根据待执行任务、实时环境数据和所述无人机的实时位置，为所述无人机规划路线，确定所述无人机的期望路径和期望偏航角，所述期望路径为不经过所述实时环境数据中任一障碍物的路径；通过所述无人机的所述外环控制系统，根据所述期望路径、所述期望偏航角和所述无人机的实时位置，确定所述无人机在实现所述期望偏航角的情况下沿着所述期望路径飞行所需的期望总拉力，以及期望俯仰角和期望横滚角；通过所述无人机的所述内环控制系统，根据所述外环控制系统确定的期望俯仰角、期望横滚角以及所述期望偏航角，计算所述无人机在实现所述期望偏航角的情况下沿着所述期望路径飞行所需的期望力矩；根据所述期望总拉力和所述期望力矩，计算所述无人机在实现所述期望偏航角的情况下沿着所述期望路径飞行所需的多个旋翼的期望转速；将所述多个旋翼的期望转速输入所述多个旋翼所对应的电机，由所述多个旋翼所对应的电机根据所述多个旋翼的期望转速，控制所述无人机沿着所述期望路径进行飞行；其中，所述期望俯仰角和期望横滚角通过下述公式一至公式六确定：，公式一，公式二，公式三，公式四，公式五，公式六其中，为所述无人机的实时位置中实时水平位置，和分别为所述无人机的实时水平位置中的轴坐标和轴坐标，为所述无人机在水平方向上的位置变化率，为所述无人机在水平方向上的期望速度，为所述无人机在水平方向上的速度变化率，为重力加速度，为期望偏航角，为所述无人机的姿态，为期望俯仰角，为期望横滚角。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述期望路径、所述期望偏航角和所述无人机的实时位置，确定所述无人机在实现所述期望偏航角的情况下沿着所述期望路径飞行所需的期望总拉力，包括：根据所述无人机的实时位置中实时高度位置和所述期望路径，确定所述无人机在高度
方向上的期望高度加速度；根据所述期望高度加速度、所述无人机的质量以及拉力之间的关系，确定所述无人机的期望总拉力。3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述期望总拉力通过下述公式七至公式八确定：，公式七，公式八其中，为所述无人机的在高度方向上的位置变化率，为所述无人机在高度方向上的期望速度，为所述无人机在高度方向上的速度变化率，为重力加速度，为所述无人机的质量，为期望总拉力。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述外环控制系统确定的期望俯仰角、期望横滚角以及所述期望偏航角，计算所述无人机在实现所述期望偏航角的情况下沿着所述期望路径飞行所需的期望力矩，包括：根据第一关系和第二关系，根据所述无人机的期望偏航角、期望俯仰角以及期望横滚角，计算所述无人机在实现所述期望偏航角的情况下沿着所述期望路径飞行所需的期望力矩；其中，所述第一关系为所述无人机的期望偏航角、期望俯仰角、期望横滚角以及所述无人机的旋翼的转速之间的关系，所述第二关系为所述无人机的转动惯量、旋翼的转速和作用于机体的力矩之间的关系。5.根据权利要求1或4所述的方法，其特征在于，所述期望力矩的计算过程通过下述公式九至公式十实现：，公式九，公式十其中，为旋翼的转速，为所述无人机的转动惯量，为所述无人机的旋翼作用于机体的期望力矩，为矩阵转置，为期望横滚角的一阶导数，为期望俯仰角的一阶导数，为期望偏航角的一阶导数。6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述期望总拉力和所述期望力矩，计算所述无人机在实现所述期...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨世惟，陈泫宇，刘瑾妍，黄鉴一，张涵，梁家瑞，唐欣怡，
申请(专利权)人：北京传火者人工智能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：