小型旋翼无人机自主避障飞行控制系统及控制方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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宄机构关注的焦 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。
[0003] 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。
[0004] 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 的研宄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宄还是非常有限，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 方面研宄所取得的一些成果。
[0005] 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。
[0006] 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。
[0007] 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 还有待提尚。
[0008] 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。
[0009] 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】
[0010] 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。
[0011] 本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
[0012] 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。
[0013] 具体地，所述导航定位模块包括GPS和高度计。
[0014]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。
[0015] 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：
[0016] 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 ;
[0017] 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 ;
[0018] 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;
[0019] 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 ;
[0020] 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。
[0021] 本发明的有益效果在于：
[0022] (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。
[0023] (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。
[0024] (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。
[0025] (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】
[0026] 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；
[0027] 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；
[0028] 图3是本发明的地形回避约束示意图；
[0029] 图4是本发明的多面体障碍物避障约束示意图；
[0030] 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；
[0031] 图6是本发明各飞行状态切换流程图。
【具体实施方式】
[0032] 下面结合附图对本发明作进一步说明：
[0033] 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