[发明专利]基于三级避障机制的果园植保无人机避障装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及山地果园植保无人机避障技术领域，尤其涉及一种基于三级避障机制的果园植保无人机避障装置及方法。

背景技术

在山地丘陵环境下，果树随地形地貌的变化而起伏不平，因此果园植保无人机在进行植保作业时飞行状态需随果园果树的变化而随时进行调整，同时，果园里往往存在着果树枝干、电线杆，高压线等潜在空中隐患，因此，植保无人机在山地果园作业风险比平地作业大大增加。

目前，在无人机避障方面，目前采用的方法主要包括通过激光雷达、图像摄像头、光流传感器或者超声波传感器来识别障碍物，并反馈给飞控，进而飞控用于控制无人机规避障碍物。但这些避障方法和技术均没有分级考虑引入远、中、近三级障碍物探测及其避障处理方法，从而降低复杂作业环境下无人机飞行的可靠性。

因此，设计出一种基于三级避障机制的果园植保无人机避障装置及方法具有较高的理论和实际意义。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种基于三级避障机制的果园植保无人机避障装置及方法，满足山地果园环境下的地形、地貌、植被在复杂多变情况下果园无人机作业可靠的需要。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种基于三级避障机制的果园植保无人机避障装置，包括均与无人机飞控连接的微波雷达、若干超声波传感器以及若干近程红外传感器阵列，所述微波雷达用于探测无人机的远距离障碍物信息，所述超声波传感器用于探测无人机周边中距离障碍物信息，所述近程红外传感器用于探测无人机近距离障碍物信息。

进一步地，所述超声波传感器和近程红外传感器阵列数量均为4个，所述微波雷达设置于无人机飞控顶部，所述超声波传感器和近程红外传感器阵列均设置于无人机机翼上；所述近程红外传感器阵列包括5个近程红外传感器，所述近红外传感器相互之间夹角为90度，用于获取近距离障碍物信息。

本发明另一目的是提供一种基于三级避障机制的果园植保无人机避障方法，包括下述步骤：

S1、在无人机飞行过程中，微波雷达对无人机360度范围内的物体进行扫描，探测物体与无人机之间的距离，并建立远距离避障指数函数；

S2、无人机持续更新远距离避障指数函数的远距离避障指数，若前行路径方向的远距离避障指数大于最小远距离避障指数的设定值，则无人机在前行路径方向的正负10度范围内，选择最小避障指数值的方向进行飞行；无人机在最小避障指数值的方向飞行时，若最小避障指数值小于设定值，则无人机持续更新远距离避障指数函数的远距离避障指数；若最小避障指数值大于等于设定值，则启动超声波传感器，建立中距离避障指数函数；

S3、无人机持续更新中距离避障指数函数的中距离避障指数，若中距离避障指数小于给定值，则关闭超声波传感器，返回步骤S2；若中距离避障指数大于另一给定值，则启动近程红外传感器阵列；

S4、近程红外传感器阵列探测周边的障碍物距离，建立近距离避障指数函数；

S5、无人机持续更新近距离避障指数函数的近距离避障指数，并根据近距离避障指数调整飞行路径；

S6、若最小近距离避障指数大于调整值，则无人机进行180度调整飞行方向，并选择最小近距离避障指数方向飞行；

S7、无人机进行180度调整飞行方向后，若此时的近距离避障指数小于调整值，则关闭近程红外传感器阵列并返回步骤S2；若此时的近距离避障指数大于等于调整值，则返回步骤S6。

进一步地，所述步骤S1的远距离避障指数函数为：

其中，α(θ)表示远距离避障指数，θ表示方向角，以正北方向为零度角，按顺时针方向进行角度的增加；d(θ)表示距离障碍物的距离。

进一步地，所述步骤S2，若当前行径方向的远距离避障指数大于0.3，0.3所述设定值，则无人机在前行路径方向的正负10度范围内，选择最小避障指数值α_min(θ)的方向进行飞行，最小避障指数值α_min(θ)为：

α_min(θ)＝min(α(θ))，

若最小避障指数值α_min(θ)小于0.30，则无人机持续更新远距离避障指数函数的远距离避障指数，最小避障指数值α_min(θ)大于等于0.30，则启动超声波传感器，建立中距离避障指数β(φ)函数，所述中距离避障指数β(φ)函数为：