[发明专利]一种带激光雷达自动避障系统的无人机

权利要求书

1.一种带激光雷达自动避障系统的无人机，其特征在于：它包含机体(1)、激光雷达(2)、机翼(3)、升降装置(4)和落地架(5)，所述的激光雷达(2)设置在机体(1)上方，所述的机翼(3)环形设置在机体(1)上，所述的升降装置(4)设置在机翼(3)外端上，所述的升降装置(4)包含螺旋桨(41)、无刷直流电机(42)和调速器(43)，所述的螺旋桨(41)安装在无刷直流电机(42)上，所述的落地架(5)设置在机体(1)下，所述的机体(1)包含电源组件(11)、机载计算机(12)、定位装置(13)、飞行状态监控装置(14)。

2.根据权利要求1所述的一种带激光雷达自动避障系统的无人机，其特征在于：所述的飞行状态监控装置(14)包含惯性测量单元(141)和空速管(142)。

3.根据权利要求1所述的一种带激光雷达自动避障系统的无人机，其特征在于：所述的调速器(43)连接机载计算机(12)和无刷直流电机(42)。

4.根据权利要求1所述的一种带激光雷达自动避障系统的无人机，其特征在于：所述的电源组件(11)、机载计算机(12)、定位装置(13)、惯性测量单元(141)、空速管(142)、激光雷达(2)和调速器(43)之间电性连接。

5.根据权利要求1所述的一种带激光雷达自动避障系统的无人机，其特征在于：所述的机载计算机(12)、定位装置(13)、飞行状态监控装置(14)和激光雷达(2)之间通过串口线连接。

6.根据权利要求1所述的一种带激光雷达自动避障系统的无人机，其特征在于：所述的机载计算机(12)内安装有自动避障系统，所述的自动避障系统的运行步骤为：

1)通过激光雷达2实时采集无人机周围的场景图像和实时采集无人机和障碍物之间的距离信息，通过定位装置(13)实时采集无人机的位置信息，通过飞行状态监控装置实时采集无人机的实时飞行速度和飞行方向；

2)将所述步骤1)采集到的数据通过串口通信方式实时地将数据传至机载计算机，所述的机载计算机(12)主要用作图像处理和运行自动避障算法，机载计算机(12)将采集到的信息经过处理构建虚拟的三维场景，然后根据构建的虚拟三维场景依据避障算法进行数据分析，最后根据数据分析结果生成避障命令；

3)依据步骤2)得到的避障命令，机载计算机(12)上通过路径计算，重新生成新的安全路径，同时机载计算机(12)将避障命令发送给无人机升降装置(4)，用于执行避障动作。

7.根据权利要求6所述的一种带激光雷达自动避障系统的无人机，其特征在于：所述的自动避障算法采用人工势场算法，该方法通过人为构建一个虚拟的力势场，在该虚拟的力势场中，在无人机目标位置点处建立一个引力势场，根据引力关系，方向由无人机载体指向目标位置点，在障碍物位置点建立一个斥力势场，方向由障碍物指向无人机载体，其具体计算步骤如下：

1)建立力势场，将无人机虚拟为坐标中的点，在坐标空间中有，，式中为人工势场，U_att为引力势场，U_rep为斥力势场；

2)建立引力势场，U_att引力势场的大小与无人机和目标点之间的距离成正比，因此引力势场函数可建立为，

其中，U_att表示引力势场正比例增益系数，ρ(X,X_g)＝||X_g-X||表示无人机与目标点之间的直线距离，X_g＝(x_g,y_g)表示目标所在的位置坐标；

对引力势场函数式(a)进行负梯度计算，得到无人机在坐标中所受到的引力函数为，

3)建立斥力势场，由于斥力势场U_rep存在一个影响范围，当无人机进入到障碍物影响范围时，将受到斥力势场的影响，无人机所受斥力大小与两者之间的距离成反比，而当无人机不在障碍物影响范围时，无人机不受斥力势场影响，此时无人机只受引力势场影响，因此斥力势场函数可建立为，

式中，k_rep为斥力势场正比例增益系数，ρ(X,X₀)＝||X₀-X||表示无人机与障碍物之间的直线距离，X₀＝(x₀,y₀)表示障碍物所在的位置坐标，ρ₀表示设定的障碍物对无人机的最大影响距离；

对斥力势场函数式(c)进行负梯度计算，得到无人机在坐标中所受到的斥力函数为，

4)计算无人机载体在坐标中受到的合力F,根据公式(b)和(d)得，

F＝F_att+F_rep (e)。