[发明专利]一种基于区间流场的无人机避障系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及通信技术领域，特别涉及一种基于区间流场的无人机避障系统及方法。

背景技术

无人机是一种无人驾驶飞机，是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机。无人机按应用领域，可分为军用与民用。军用方面，无人机分为侦察机和靶机。而其中无人机加行业应用，是无人机现在真正的刚需。目前，主要在航拍、农业植保、测绘等领域的应用，大大拓展了无人机本身的用途。所以，无人机在民用和军用方面都有广阔的应用前景。

因此，随着无人机的普遍，其安全也是一个重点，也是一个难题。无人机避障作为安全的首选，能够保证无人机在不碰撞其他物体，在空中正常且有序的飞行。目前，无人机避障一般基于光设备、红外感应设备和声波设备。红外传感器是用红外线为介质的测量装置，声波设备因为穿透力强，易于获得较集中的声能，而光设备是一种可视化，能够还原周围环境的场景，属于计算机视觉领域。

视觉方法在微无人机系统得到了广发的应用。例如在申请号为201410006655.X，发明专利名称为《一种基于光流的移动机器人避障方法》的申请文件中，该发明采用单目摄像头计算前后两帧图像的光流，并从光流中计算出TTC，根据TTC构建障碍地图，选择安全区域，保证机器人在充满障碍物的环境中分析障碍物分布，选择最安全的方向行走。

随着计算机视觉的不断发展，基于这种光的避障设备一般都是相机。摄像头避障一般有三种方案，包括3D摄像头、双目立体视觉和单目视觉。其中3D摄像头能够获得原始的深度信息，也就是距离信息，但是这种体感摄像头往往很贵，不利于产业化。双目立体视觉也能够获取深度信息，但是提取深度信息消耗处理器资源，实时性不够好。而单目摄像头因其价格低廉易于产业化被广泛使用，且在避障方面并不需要实际的距离，采用模糊控制的原理，能够在复杂、充满障碍物的环境中游走自如。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于区间流场的无人机避障系统及方法。

为了达到上述目的，本发明提供了一种基于区间流场的无人机避障系统，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。

优选的，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。

所述控制模块采用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。

本发明还提供一种基于区间流场的无人机避障方法，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：