小型旋翼无人机自主避障飞行控制系统及控制方法

摘要

本发明公开了小型旋翼无人机自主避障飞行控制系统及控制方法，包括自主飞行控制系统、地面站控制系统和人工紧急干预系统，所述自主飞行控制系统包括飞控计算机模块、障碍探测模块、导航定位模块、驱动控制模块、执行机构、姿态参考模块和无线通信链路模块，所述地面站控制系统包括无线数据传输链路模块和地面控制台，所述人工紧急干预系统包括遥控接收机和Futaba遥控器，并配有相应的小型旋翼无人机自主避障飞行控制方法。本发明把自主避障飞行控制系统分成三个部分，提供了一套集自主飞行控制系统、动态航迹规划系统和紧急情况处理进制于一体的完整的小型旋翼直升机自主避障控制系统，具有很强的飞行环境适应性和作业任务的通用性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种微小型旋翼无人机自主飞行控制领域，尤其涉及一种小型 旋翼无人机自主避障飞行控制系统及控制方法。

背景技术

近年来随着中国低空空域开放步伐的加快，极大的促进了我过通用航空的 发展，其中旋翼无人机由于具有其独特的飞行特性，更是成为国内外大学和研 究机构关注的焦点。近十几年来，旋翼无人机已被广泛于边境巡逻，森林火灾 监测，航拍摄像，环境监测，电力线巡检，军事侦察等领域。无人旋翼直升机 克服了有人驾驶飞机的不足，并且对起降条件要求简单，具有定点悬停等飞行 特性，极大的降低了使用者的购买与维护成本，提高了运载工具的实用性和安 全性。

对于旋翼无人机而言，其飞行环境一般是在1000米以下的低空空域，这样 在无人机进行空中作业时，就必然面临着高压输电线、树木、建筑物、山脉等 有形的环境信息的威胁，以及像禁飞区等人为约束的限制。由此可见，在飞行 过程中能够对各种威胁的障碍物进行及时的规避，这对在低空空域环境中飞行 的无人机来说是至关重要的。为了保证无人机的安全飞行，自动避障控制系统 是未来无人机不可或缺的重要组成部分，特别针对于运用于实际飞行作业环境 中的无人机而言，自动避障控制系统将具有非常重要的实际意义。

然而，无人机的自动避障控制系统是无人机控制领域是一个难题，目前的 大部分的研究工作都仅限于理论仿真层面，特别是针对于小型旋翼无人机的自 动避障控制系统来说，目前国内在这方面的研究还是非常有限，其有效性和实 用性更是有待验证。所以对于小型旋翼无人机的自动避障控制系统是目前急需 解决的重点和难点。以下是目前国内在这一方面研究所取得的一些成果。

专利201310036371.8《一种无人机避障控制方法》中将无人机避障控制系 统分成了无人机子系统和地面站子系统，并且在地面站子系统嵌入式监控计算 机内置电子地图，确定障碍物的地理位置，建立虚拟的障碍物多边形。此方法 简单，易于操作，可有效降低无人机碰撞障碍物的概率，大大提高无人机飞行 的安全性。但是对于障碍物只能抽象为二维平面上的多边形，这个对于复杂的 真实三维飞行环境来说是被大大简化了，因而实用性和复杂环境的适应性都还 有待提高。

专利201310036235.1《用于电力巡线的无人机多重避障控制方法》将无 人机的避障控制分成两层，在第一层避障控制中对无人机的作业区域进行规划， 建立无人机作业的安全约束环境，在第二层避障控制中采用多传感器信息融合 方法，有效的提供了无人机对障碍物信息的感知精度和可靠性。这样做的弊端 在于，在进行多传感器信息融合时，确实对周围环境探测的精度和可靠性有很 大提高，但是无形也增加了系统复杂度和无人机子系统的自身负载。这对于无 人机自主避障的实时性和无人机的负载能力提出了更高的要求。

专利201210514548.9《一种适用于山区电网巡检的专用无人直升机避障系 统及其工作流程》公开了一种山区电网巡检的专用无人直升机避障系统及工作 流程，该系统采用了机载的毫米波雷达测距传感器和避障分析模块，这周围的 环境进行探测，分析做出决策后再将相应的控制指令传递给飞控系统，避障的 策略是通过预订的几种特定的情况设定的，虽然能够满足在特定环境下的需求， 但是其在通用性、设备成本和系统自身负载方面都还有待提高。

专利201110031250.8《一种自动规避障碍物的飞行装置与方法》提供了 一种自动规避障碍物的装置，通过超声波传感器定位障碍物的距离，可以有效 降低人工在操作玩具飞行器时的碰撞风险，消除实际飞行中的安全隐患。该系 统简单容易操作，但是由于超声波传感器的探测距离和精度的限制，此装置仅 限于在玩具飞行器上的运用，很难在实际飞行作业中得到运用。

综上所述，就目前在旋翼无人机自主避障控制方面的技术虽然取得了一些 成果，但是在兼顾通用性，实用性，经济性方面还不是很理想，顾此失彼，在 此领域尚有很多的问题需要解决。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种小型旋翼无人机自主避 障飞行控制系统及控制方法。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

一种小型旋翼无人机自主避障飞行控制系统，包括自主飞行控制系统、地 面站控制系统和人工紧急干预系统，所述自主飞行控制系统包括飞控计算机模 块、障碍探测模块、导航定位模块、驱动控制模块、执行机构、姿态参考模块 和无线通信链路模块，所述地面站控制系统包括无线数据传输链路模块和地面 控制台，所述人工紧急干预系统包括遥控接收机和Futaba遥控器，所述飞控计 算机模块的定位信号输入端与所述导航定位模块的定位信号输出端连接，所述 飞控计算机模块的探测端与所述障碍探测模块的信号输出端连接，所述飞控计 算机模块的姿态信号输入端与所述姿态参考模块的姿态信号输入端连接，所述 飞控计算机模块的控制信号输出端与所述驱动控制模块的信号输入端连接，所 述驱动控制模块的控制信号输入端与所述执行机构的控制信号输入端连接，所 述飞控计算机模块的通信端与所述无线通信链路模块的信号端连接，所述无线 通信链路模块通过无线信号与所述无线数据传输链路模块实现信号传输，所述 无线数据传输链路模块的信号端与所述地面控制台的通信端连接，所述飞控计 算机模块的遥控端与所述遥控接收机的信号端连接，所述遥控接收机通过无线 遥控信号与所述Futaba遥控器实现遥控信号传输。

具体地，所述导航定位模块包括GPS和高度计。

自主飞行控制系统主要实现以下四个功能：姿态增稳控制、航点跟踪控制、 实时状态数据下传和根据指令做出响应。地面站控制系统主要实现以下功能： 动态航迹规划、环境信息三维显示、实时飞行航迹显示、控制指令决策与发送 等。

一种小型旋翼无人机自主避障飞行控制方法，包括以下步骤：

A1、无人机从起点飞往终点，首先地面控制台根据内置的三维数字地图和 已有的障碍信息数据建立飞行区域避障约束模型，再通过其航迹规划算法制定 一条航迹路线，并通过无线数据传输链路模块传输至无人机的无线通信链路模 块，无人机在飞行的过程中对飞行区域进行探测，如果航迹路线上未出现障碍 物，则按照航迹路线飞行，如果航迹路线上出现障碍物，则转至步骤A2；

A2、地面控制台通过无线通信接收到无人机探测到的障碍信息，地面控制 台给无人机发出控制指令，使其悬停在当前点，并根据新探测到的障碍数据建 立飞行区域避障约束模型，再通过航迹规划算法规划未来一段短时域内的安全 航迹，并将其发送至无人机，无人机继续沿短时域航迹飞行，转至步骤A3；

A3、无人机飞行至短时域航迹的终点时，无人机中的障碍探测模块持续对 飞行区域内的障碍信息进行探测，如果碰撞风险未解除，则继续步骤A2，如果 碰撞风险解除，则进行转至步骤A4；

A4、碰撞风险解除后，地面控制台消除A2步骤中建立的避障约束，并重新 规划出未来一段长时域内的安全航迹，并将其发送给无人机，转至步骤A5；

A5、在飞行过程中障碍探测模块如果再次探测到障碍物，则重复步骤A2至 A4，直至完成飞行任务。

本发明的有益效果在于：

(1)把自主避障飞行控制系统分成三个部分，提供了一套集自主飞行控制 系统、动态航迹规划系统和紧急情况处理进制于一体的完整的小型旋翼直升机 自主避障控制系统。

(2)通过三维电子地理地图来获取飞行环境的地理信息，能够方便的建立 地理环境的三维模型和可以接受实时的障碍物探测数据，并通过障碍探测模块 在飞行过程中不断对周围的障碍物信息进行更新，动态规划出一条从起点到目 标点的安全航迹，通过自主飞行控制系统按此航迹自动避障飞行，具有很强的 飞行环境适应性和作业任务的通用性。

(3)由于无人机的载荷有限，所以本系统在无人机平台上搭载的设备非常 少，只需满足基本的自主飞行能力，航迹规划在地面站控制系统中运行，障碍 物信息通过特定的数据接口接收，所以大大减少了无人机的负载设备，具有体 积小、重量轻等特点。

(5)增加了人工紧急干预机制，设计了一套完整的飞行状态切换流程和应 急处理机制，大大提高了系统的安全性和可靠性。

附图说明

图1是本发明所述小型旋翼无人机自主避障飞行控制系统的结构框图；

图2是本发明所述小型旋翼无人机自主避障飞行控制方法的示意图；

图3是本发明的地形回避约束示意图；

图4是本发明的多面体障碍物避障约束示意图；

图5是本发明无人机和地面站控制系统的航点传送流程图；

图6是本发明各飞行状态切换流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1所示，本发明小型旋翼无人机自主避障飞行控制系统，包括自主飞 行控制系统、地面站控制系统和人工紧急干预系统，所述自主飞行控制系统包 括飞控计算机模块、障碍探测模块、导航定位模块、驱动控制模块、执行机构、 姿态参考模块和无线通信链路模块，所述地面站控制系统包括无线数据传输链 路模块和地面控制台，所述人工紧急干预系统包括遥控接收机和Futaba遥控器， 所述飞控计算机模块的定位信号输入端与所述导航定位模块的定位信号输出端 连接，所述飞控计算机模块的探测端与所述障碍探测模块的信号输出端连接， 所述飞控计算机模块的姿态信号输入端与所述姿态参考模块的姿态信号输入端 连接，所述飞控计算机模块的控制信号输出端与所述驱动控制模块的信号输入 端连接，所述驱动控制模块的控制信号输入端与所述执行机构的控制信号输入 端连接，所述飞控计算机模块的通信端与所述无线通信链路模块的信号端连接， 所述无线通信链路模块通过无线信号与所述无线数据传输链路模块实现信号传 输，所述无线数据传输链路模块的信号端与所述地面控制台的通信端连接，所 述飞控计算机模块的遥控端与所述遥控接收机的信号端连接，所述遥控接收机 通过无线遥控信号与所述Futaba遥控器实现遥控信号传输，所述导航定位模块 包括GPS和高度计。

如图2所示，本发明小型旋翼无人机自主避障飞行控制方法，包括以下步 骤：

A1、无人机从起点A飞往终点B，首先地面控制台根据内置的三维数字地图 和已有的障碍信息数据建立飞行区域避障约束模型，再通过其航迹规划算法制 定一条航迹路线AB，并通过无线数据传输链路模块传输至无人机的无线通信链 路模块，无人机在飞行的过程中对飞行区域进行探测，如果航迹路线上未出现 障碍物，则按照航迹路线飞行，如果航迹路线上出现障碍物E，则转至步骤A2；

A2、地面控制台通过无线通信接收到无人机探测到的障碍信息，地面控制 台给无人机发出控制指令，使其悬停在当前点C，并根据新探测到的障碍数据建 立飞行区域避障约束模型，再通过航迹规划算法规划未来一段短时域内的安全 航迹CF(FH、HK、KD)，并将其发送至无人机，无人机继续沿短时域航迹飞行， 转至步骤A3；

A3、无人机飞行至短时域航迹的终点(F、H、K、D)时，无人机中的障碍 探测模块持续对飞行区域内的障碍信息进行探测，如果碰撞风险未解除，则继 续步骤A2，如果碰撞风险解除，即位于D点时，则进行转至步骤A4；

A4、碰撞风险解除后，地面控制台消除A2步骤中建立的避障约束，并重新 规划出未来一段长时域内的安全航迹DB，并将其发送给无人机，转至步骤A5；

A5、在飞行过程中障碍探测模块如果再次探测到障碍物，则重复步骤A2至 A4，直至完成飞行任务。

本发明中结合Google Earth进行任务目标的获得，环境信息和飞行航迹的 三维显示，使得整个系统操作简单，效果直观，具有很强的人机交互性，其具 体实施步骤如下：

(1)在Google Earth地图上通过鼠标取点或是直接输入目标任务目标点经 纬高等坐标信息，以此获取航迹规划的任务目标。

(2)通过加载内置飞行区域的三维电子数字地图，生成航迹规划的地形回 避约束为不规则的三角网(TIN)模型。如图3所示为本发明中所采用的TIN数 字地图模型的回避约束，把三维的地形图划分为一个个不规则的三维三角形面， 每一个顶点为对应的数字高程值点，如图中的三角形abc，由于三角形的三个顶 点的高程值是已知的，所以此平面上的任一点的高程值就可以看成是一个二元 函数

H＝h(x,y)

在飞行过程中，设无人机某个时刻的位置为P＝(x,y,z)，则可以确定飞行器下 方的位置为Pd(x,y,h)。所以无人机飞行轨迹的地形回避约束可以表述为：

Z≥h+d

3)接收实时探测的周围障碍物数据信息，然后根据障碍物的特征，将其抽 象成多面体(建筑物，树木)、圆柱(电力塔，禁飞区)、线性面(强、高压 线)等避障模型，以如图4所示简单四边形柱体的避障约束进行说明：已知M、 N、P、Q四个点的经纬度坐标及高度，(MN连线y＝a₂x+b_2,，NP连线y＝a₃x+b₃,PQ 连线y＝a₄x+b₄,MQ连线y＝a₁x+b₁)我们得到侧面N边形的每条边的数学表达式： a_ix+b_iy+c_i＝0,i＝1…N，所以避障约束可以表示为：

满足a₁x+b₁y+c₁≤0

∪a₂x+b₂y+c₂≤0

.    .

.    .

.    .

∪a_Nx+b_Ny+c_N≤0

∪z≤Zmin

∪z≥Zmax

为了满足混合整数线性规划的计算需求，把避障约束不等式间“或”的关 系变成“与”的关系，采用Big-M方法并引入一组整数变量b_k，避障约束可以 表示为：

满足a₁x+b₁y+c₁≤Mb₁

∩a₂x+b₂y+c₂≤Mb₂

.    .

.    .

.    .

∩a_Nx+b_Ny+c_N≤Mb_n-2

∩z-Zmin≤Mb_n-1

∩Zmax-z≤Mb_n

$\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{b}_i\le n-1$

(4)通过无线通信获取无人机的飞行状态参数，初始化无人机航迹规划模 型，结合飞行任务、环境障碍物约束，运行航迹规划算法得到未来一段时域内 的安全航迹，

(5)将规划好的未来N个时域内航迹数据通过无线通信链路一次发送给无 人机，对于每一个航点具体传送流程及应答机制如图5所示：

a、地面控制计算机通过无线数据链路发送一个航点数据；

b、如果无人机收到该航点数据，则向地面控制台发出一个应答信号；

c、在规定时间内地面站收到无人机发回的应答信号则继续发送下一个航点 信息，直到发送完所有航点，结束传输过程。否则继续发送当前航点；

d、较长时间为收到无人机应答信号，结束发送过程，返回传送失败信号。

自主飞行控制系统通过GPS、高度计、姿态参考系统，获取无人机的当前状 态，并根据从地面站接收到的航迹信息和控制指令做出响应的反应。根据传感 器当时的工作状态和航迹信息，将无人机分为3种可飞行状态：1手动遥控状态、 2姿态增稳状态(悬停)、3自主飞行状态；以及两种飞行模式：1手动模式、2 自主模式。当传感器出现了严重故障或是发生特殊情况，必须切换手动模式； 当出现GPS或是高度计出现轻微故障或是当前面临危险区域，暂时无法获得可 飞航迹，此时可以保持自主模式，但是自动切换到姿态增稳状态(悬停)。为 了保证飞行的安全，每一次飞行作业都是从手动模式，手动飞行状态开始的， 当确保所有的设备，通信没问题以后才能切换到自主模式。具体流程如图6所 示：

当无人机处于手动飞行状态时，此时的控制模式一定为手动模式:，根据当 前的状态和航迹控制指令做出如下响应：

a、当姿态数据有效并且控制模式切换为自主模式时，无人机切换到姿态增 稳飞行状态，悬停在当前位置；

b、当姿态数据无效或是控制模式仍为手动模式时，保持当前手动飞行状态， 根据地面紧急情况处置点的相关操作飞行。

当无人机处于姿态增稳状态时，悬停在当前位置，此时控制模式为自主模式， 根据当前的状态和航迹控制指令做出如下响应：

a、当姿态数据无效或是控制模式切换为手动模式时，飞行状态切换到手动 飞行状态；

b、当所有传感器数据有效，航迹数据有效和自主飞行模式同时满足时，切 换到自主飞行状态；

c、当姿态数据有效，自主飞行模式有效，但是导航数据无效时，保持当前 姿态增稳飞行状态，悬停在当前点。

当无人机处于自主飞行状态时，根据航迹数据避障飞行，此时控制模式为 自主模式，根据当前的状态和航迹指令做出如下响应：

a、当航迹数据或是导航数据无效，飞行状态自动切换为姿态增稳状态；

b、当所有传感器数据有效，航迹数据有效且为自主控制模式时，保持当前 自主飞行状态，继续巡点避障飞行。

c、当姿态数据或控制模式切换为手动模式时，切换为手动飞行状态进行人 工手动飞行。

本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明的技术 方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。