[发明专利]一种基于区间流场的无人机避障系统及方法

权利要求书

1.一种基于区间流场的无人机避障系统，其特征在于，该系统包括该系统包括硬件模块、软件模块和控制模块；所述硬件模块包括多旋翼无人机、单目摄像头、四核处理器和飞行控制器，所述软件模块用一种LK金字塔稀疏光流避障算法，主要根据光流强度进行区分障碍物的区分，所述控制模块主要基于ID识别的形式，分别对8个方向进行编码；

所述多旋翼无人机搭载GPS接收模块，主要获取无人机位置（x,y）,在飞行中给予一定的高度；

所述单目摄像头采用普通的网络摄像头或者拍照摄像头，帧率为30fps，分辨率为640*480，进行环境感知；

所述四核处理区是一种Odroid U3的2G内存四核处理器，同时能够运行在典型的ubuntu等linux系统；

所述飞行控制机采用Pixhawk主要控制无人机的飞行，利用自动控制系统能够对飞机的构形、飞行姿态和运动参数等实施控制。

2.根据权利要求1所述的一种基于区间流场的无人机避障系统，其特征在于，所述Odroid U3和Pixhawk采用串口通信，将处理的结果送至飞控，进行处理。

3. 根据权利要求1所述的一种基于区间流场的无人机避障系统，其特征在于，控制模块采用3位二进制形式，分别有8种状态，为000,001,010,011,100,101,110,111，分别对应8个方向上的避障。

4. 一种基于区间流场的无人机避障方法，其特征在于，该方法包括下述步骤：该系统在硬件上主要采用单目摄像头获取图像序列，经Odroid U3处理器进行处理，采用串口与Pixhawk飞控进行通信，然后再执行8个控制指令：左、右、上、下、左上、左下、右上、右下避障；其中，避障算法采用LK金字塔稀疏光流，通过将流场分成层次清晰的上、中、下和左、中、右6个区间，相互对比这6个区间的流场，从而进行8个方向上的决策；

所述LK金字塔稀疏光流避障算法，主要根据光流强度进行区分障碍物的区分；

光流避障的原理：光流是指图像中灰度模式的运动速度，是三维速度矢量在成像平面投影形成的二维瞬时速度场；障碍物距离摄像头较近，所形成的速度矢量模值较大，即光流值较大，可以用来界定障碍物；另外，采用LK金字塔稀疏光流比稠密光流在时间上有优势；

LK金字塔稀疏光流避障算法具体如下：

1、无人机开机启动，进行初始化；

2、给定无人机定高模式，且采用以速度V匀速做匀速直线运动向正前方飞行，连接单目摄像头，并获得前后两帧图像；

3、计算并获取相邻两帧间的光流场；

4、计算区间内的流场大小：

（1）将此光流场分为左、中、右三个区间，分别计算这3个区间的模值suml(sumleft),sumc(sumcenter),sumr(sumright)；

（2）将suml,sumc,sumr这三个模值总和相加，并取其倒数,即T=1/(suml+sumc+sumr)；

（3）将此光流场分为上、中、下三个区间，分别计算这三个区间的模值sumt(sumtop),summ(summiddle),sumd(sumdown)；

（4）将sumt,summ和sumd这3个模值相加，并取其倒数，即S=1/(sumt+sum+sumd)；

5、规避策略，因为S、T越小，光流强度越大，距离障碍物越近，因此取一定阈值内的T、S进行决策：

（1）如果T小于一定阈值，且S不小于一定阈值，则只执行左右避障：

suml小于sumr和sumc，则执行左转；

sumr小于suml和sumc，则执行右转；

（2）如果S小于一定阈值，且T不小于一定阈值，则只执行上下避障：

sumt小于summ和sumr,则执行上行；

sumd小于summ和sumt,则执行下行；

（3）如果T和S都小于一定阈值，则执行左上，左下，右上，右下避障：

suml小于sumr和sumc，sumt小于summ和sumr,则执行左上避障；

suml小于sumr和sumc，sumd小于summ和sumt,则执行左下避障；

sumr小于suml和sumc，sumt小于summ和sumr,则执行右上避障；

sumr小于suml和sumc，sumd小于summ和sumt,则执行右下避障。