阅读说明：本技术 一种无人机毫米波雷达探测系统、探测方法及无人机 (Unmanned aerial vehicle millimeter wave radar detection system, detection method and unmanned aerial vehicle ) 是由 王帅 张伟 王雨 张臣勇 车驰 李尧 于 2020-06-18 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种无人机毫米波雷达探测系统、探测方法及无人机,此探测系统包括毫米波雷达和旋转机构,所述旋转机构安装于所述无人机的机身上,所述毫米波雷达安装于所述旋转机构上,并随旋转机构同步旋转。探测方法包括步骤：在无人机飞行过程中,毫米波雷达进行旋转扫描；其中旋转扫描路径为：机身前方-机身下方-机身后方,或者机身后方-机身下方-机身前方；结合无人机飞行状态,雷达旋转扫描得到目标信息,构建飞行立体空间地图。此无人机包括机身和如上所述的无人机毫米波雷达探测系统。本发明具有结构简单、成本低、主动避障、安全可靠、飞行智能化等优点。(The invention discloses an unmanned aerial vehicle millimeter wave radar detection system, a detection method and an unmanned aerial vehicle. The detection method comprises the following steps: in the flight process of the unmanned aerial vehicle, the millimeter wave radar performs rotary scanning; wherein the rotational scan path is: the front part of the machine body, the lower part of the machine body, the rear part of the machine body, or the rear part of the machine body, the lower part of the machine body and the front part of the machine body; and (4) combining the flight state of the unmanned aerial vehicle, obtaining target information through radar rotation scanning, and constructing a flight three-dimensional space map. This unmanned aerial vehicle includes fuselage and as above unmanned aerial vehicle millimeter wave radar detection system. The invention has the advantages of simple structure, low cost, active obstacle avoidance, safety, reliability, intelligent flight and the like.)

一种无人机毫米波雷达探测系统、探测方法及无人机

技术领域

本发明主要涉及无人机技术领域，具体涉及一种无人机毫米波雷达探测系统、探测方法及无人机。

背景技术

随着科技蓬勃发展，农业、电力、工业、消防等行业级无人机越来越受到消费者追捧。同时，也对无人机的飞行智能化和安全性提出了越来越多的要求。目前的无人机智能化多包括智能探测设备和智能飞行控制算法。其中，智能探测系统一般有无人机避障方案和无人机定高方案。

其中传统无人机避障通常是被动避障，即由无人机飞手通过机载摄像头传输的实时画面，观察无人机周边环境。同时，飞手根据飞行状况和环境，及时调整飞行方案。该方案受摄像头图像传输质量和天气影响较大，并且易受飞手人为影响和飞手飞行控制技术影响，方案避障风险较大。由于雷达迅速的从军用领域转向民用领域，更多的应用领域正被一步一步挖掘出来，将雷达应用于无人机避障领域正是一种新兴产业。其能作为一种自动自主避障方案，也正被越来越多的无人机厂商青睐。如目前主流的无人机避障方案为将毫米波雷达安装在无人机机身上，可以非常好的解决无人机避障问题。毫米波雷达通过发射电磁波，并接收回波信号，做一系列的信号处理，可以得到在雷达波束范围内的障碍物信息(包括障碍物的实时距离、角度、速度等)。同时，将障碍物信息传送给无人机飞控系统，再结合无人机自身飞行状态，实时自主判断危险等级，无人机自动调节飞行状态，及时自主避障，减少了飞行事故发生，提高了飞行效率。并且，由于毫米波雷达出色的环境和天气适应能力，其在恶劣的天气环境下，也能正常的工作，最大程度上的减少由于人为失误和天气影响造成的无人机坠毁、人身安全事故等的发生。

另外，目前的无人机多会搭载测距设备，作为无人机飞行高度的主要判断依据。由于毫米波雷达卓越的性能，通常也被应用无人机定高方案中，其基本工作原理与避障方案的毫米波雷达类似。

上述智能探测设备的系统原理图如图1所示，将避障设备和定高设备分别安装于无人机飞行装置上，用于探测无人机飞行航线上的障碍物信息和无人机飞行过程中离地面的高度。通过在飞行控制系统里面进行数据处理，可以得到无人机前方障碍物距离、角度等信息，同时还能得到无人机距下方最近障碍物高度，但是经本专利申请人的研究发现，此方案存在以下不足：

(1)目前根据定高设备，可以实时获得无人机飞行高度；根据避障设备，可以实时获得前方障碍物信息。在一定程度上，在无人机飞行控制系统中，可以根据上述信息判断无人机飞行是否安全，并进行主动避障等功能。但是无人机飞控系统只能获取到无人机飞行航线上的障碍物和飞行高度等信息，不能对整个飞行空间环境进行智能感知，这对飞行安全来说，存在潜在隐患。

(2)由于定高雷达和避障雷达都需要安装在无人机机身上，采用多款雷达，不仅探测效果有限，还有可能存在多雷达相互干扰现象，还会加大系统成本。并且由于走线繁琐，还可能会对无人机整体防水功能造成影响，同时会对无人机电池供电产生负荷。

(3)在空旷环境或地形起伏较小的环境中，无人机飞行空间环境较为干净，具有飞行潜在威胁的障碍物较为简单，此时，无人机多能实现主动避障，甚至绕障等功能。但在陡坡地、起伏山地等环境下，上述方案只能检测到飞行航线上的障碍物信息，不能立体的判断障碍物轮廓，只能进行主动刹停，而不能根据障碍物整体空间轮廓而对飞行姿态、速度等进行调整，降低了飞行效率，不能真正实现飞行智能化。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单、成本低、主动避障、安全可靠的无人机毫米波雷达探测系统、探测方法及无人机。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种无人机毫米波雷达探测系统，包括毫米波雷达和旋转机构，所述旋转机构安装于所述无人机的机身上，所述毫米波雷达安装于所述旋转机构上，并随旋转机构同步旋转。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述旋转机构为旋转云台。

本发明还公开了一种无人机，包括机身和如上所述的无人机毫米波雷达探测系统。

本发明进一步公开了一种基于如上所述的无人机毫米波雷达探测系统的探测方法，包括步骤：

在无人机飞行过程中，毫米波雷达进行旋转扫描；其中旋转扫描路径为：机身前方-机身下方-机身后方，或者机身后方-机身下方-机身前方；

结合无人机飞行状态，雷达旋转扫描得到目标信息，构建飞行立体空间地图。

作为上述技术方案的进一步改进：

在构建飞行立体空间地图后，根据飞行立体空间地图调整飞行姿态与速度，以进行主动避障。

根据无人机飞行状态，雷达旋转扫描得到目标信息的具体过程为：

毫米波雷达扫描无人机离目标的横向距离和纵向高度，构建目标在当前时刻所处空间位置；

根据多次毫米波雷达扫描结果，得到飞行立体空间地图。

所述无人机飞行状态包括无人机飞行速度、飞行姿态、旋转机构旋转角度。

所述旋转扫描路径为“机身正前方-机身正下方-机身正后方”的0-180度范围内；或者“机身正后方-机身正下方-机身正前方”的180-0度范围内。

毫米波雷达每次扫描的俯仰面覆盖角度为n度，经过180/n次旋转，扫描完机身下部180度立体空间。

在毫米波雷达旋转扫描方向为机身正下方时，可检测到机身离下方障碍物的高度实现无人机定高。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明通过旋转机构(如可旋转云台)控制毫米波雷达实现180度分段全扫描，每一次检测只针对当前旋转角度所面向的立体空间，通过多次旋转，从而实现整个立体空间的覆盖；通过已知旋转角度和已有扫描角度对应的检测信息，实时地在立体空间的每个位置对整个立体空间重构，实现飞行立体空间环境的无死角覆盖，及时预知飞行威胁，并根据环境对飞行状态进行调整，自主的实现避障、绕障等功能。本发明适用于飞行环境起伏较大、飞行空间受限和飞行障碍物不规则的地带，通过毫米波雷达构建的飞行立体空间地图，及时调整飞行状态，以飞行智能化最大程度的保证飞行安全；上述探测系统整体只需要配置一个雷达，不仅成本低，而且能够避免多个不同雷达之间的干扰。本发明采用水平宽角度、俯仰窄角度的毫米波雷达；由于水平视角更为宽泛，能及时检测到有威胁的目标；俯仰视角更为精确，能避免由于视角过大带来的虚假报警情况。

附图说明

图1为现有技术中的无人机智能探测设备的系统原理图。

图2为目前毫米波雷达检测视场角示意图。

图3为本发明的系统在实施例的方框原理图。

图4为本发明的毫米波雷达工作原理示意图。

图5为本发明的雷达立体扫描示意图。

图6为本发明中典型坡地检测示意图。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

如图3所示，本实施例的无人机毫米波雷达探测系统，包括毫米波雷达和旋转机构，旋转机构安装于无人机的机身上，毫米波雷达安装于旋转机构上，并随旋转机构同步旋转而进行旋转扫描。具体地，旋转机构可以采用旋转机构或舵机等常规结构；毫米波雷达可以采用水平大角度、俯仰小角度的毫米波雷达，其检测视场角如图2所示，其中L表示雷达水平视场角宽度，H表示雷达俯仰视场角宽度。宽水平视场角可以更多的检测到雷达横向截面的目标，及时预知威胁和最大程度地还原障碍物外部轮廓；窄俯仰视场角，在每一次检测中覆盖的空间立体区域小，避免某些处于雷达俯仰视角范围内但其又未能达到无人机飞行高度的障碍物对无人机飞行的影响。

如图3所示，本实施例中，旋转云台以一定速度进行0-180度的摆动(其中0度为无人机飞行正前方方向、90度为无人机机身正下方、180度为无人机飞行正后方方向，如图5所示)。毫米波雷达检测范围则随着旋转云台的机械旋转而同步变化。旋转云台的每一次旋转带动毫米波雷达的检测范围变化，从而得到无人机飞行航线上0-180度的目标信息，其中在0度和180度时，可以得到无人机飞行航线上的障碍物信息，其中在云台处于90度时，可以得到无人机的飞行高度信息以实现无人机定高。

具体工作流程：雷达和飞行控制系统双向通信，飞行控制系统周期性的将无人机飞行状态(如飞行速度、云台旋转角度、飞行姿态等)信息传送给毫米波雷达，毫米波雷达根据检测到的目标信息，虚拟构建飞行立体空间地图；同时将所有扫描到的目标信息上报给飞行控制系统，飞行控制系统根据上传的目标信息，智能判断无人机飞行周边环境。飞行控制系统根据雷达建立的立体地图信息，判断无人机飞行安全潜在威胁情况，及时调整飞行姿态和速度，控制无人机飞行装置实现自主避障、绕障等功能。

其中毫米波雷达的工作原理如图4所示：毫米波雷达通过发射电磁波信号，经由障碍物反射后被雷达接收，通过混频器后得到差频信号；在信号处理机中对差频信号进行信号处理，包括快速傅里叶变换(FFT)、恒虚警率检测(CFAR)、波达方向估计(DOA)、虚警管理、航迹管理等，从而得到目标的距离、速度、角度等信息，再整合目标信息，最后输出给飞行控制系统。

本发明通过可旋转云台控制毫米波雷达实现180度分段全扫描，每一次检测只针对当前旋转角度所面向的立体空间，通过多次旋转，从而实现整个立体空间的覆盖；通过已知旋转角度和已有扫描角度对应的检测信息，实时地在立体空间的每个位置对整个立体空间重构，实现飞行立体空间环境的无死角覆盖，及时预知飞行威胁，并根据环境对飞行状态进行调整，自主的实现避障、绕障等功能。

本发明还公开了一种基于如上所述的无人机毫米波雷达探测系统的探测方法，包括步骤：

在无人机飞行过程中，毫米波雷达进行旋转扫描；其中旋转扫描路径为：机身前方-机身下方-机身后方，或者机身后方-机身下方-机身前方；

结合无人机飞行状态，雷达旋转扫描得到目标信息，构建飞行立体空间地图；

在构建飞行立体空间地图后，根据飞行立体空间地图调整飞行姿态与速度，以进行主动避障。

如图5所示，基于旋转云台的雷达立体扫描过程为：旋转云台以一定速度旋转，每次检测雷达的俯仰面覆盖角度为5度，在雷达每次检测范围不重叠的情况下，经过36次旋转可以扫描完180度立体空间。在扫描完0-180度空间后，云台反向旋转，重新覆盖180-0度空间，依此类推，达到雷达扫描空间的无间断运行。其中旋转云台的旋转速度可自行配置，如旋转速度过快，雷达的相邻检测俯仰覆盖区域会产生重叠，多次重叠检测判断能进一步得到目标的准确信息。以36次旋转覆盖180度空间，雷达的刷新率为36Hz(即1秒钟雷达可检测36次)为例。在1秒钟内，雷达随着云台的转动，可以覆盖整个立体180度空间。其中在云台旋转90度时，雷达可检测到无人机离下方障碍物的高度，实现无人机的定高。当然，在其它实施例中，也可以选择不同的刷新率或者每次俯仰面覆盖角度为其它角度。

在无人机升空工作时，旋转云台启动，通过旋转云台旋转带动雷达快速扫描整个飞行立体空间。每一次扫描检测都是单独的，在一次扫描周期内，将多次检测结果累积处理，就能得到飞行环境的立体空间图。以0度方向位置为起始点，本次扫描(0度->180度->0度)所有已扫描数据反馈于当前扫描位置，最终形成飞行运动立体空间图。

以飞行坡地环境为例，无人机飞行前方为斜向上的山坡，无人机下方为地面。典型坡地检测示意图如图6所示：

无人机飞行速度为V，云台由0度扫描到180度，共计N(N＝36)个扫描周期。A点为无人机初始时刻(云台处于飞行方向0度方向时，即正前方)的初始位置，雷达检测到前方坡地离无人机的横向距离为R1，目标与无人机的纵向距离为0。经过n1(n1≤36)个扫描周期后，云台旋转到某一α角度方向，无人机位于B点位置，此时雷达检测到前方坡地距离无人机斜向距离为R2，无人机水平横向飞行距离：

R3＝n1/N*V(1)

由计算可得，在B点位置扫描到目标离无人机的纵向高度H1和无人机离目标的横向距离R4分别为：

其中α为云台从A点至B点所旋转的角度；

此时可建模出两次扫描的目标空间立体图，两次检测的目标在B点位置的空间坐标分别为(R1-R3，0)，(R4,H1)。经过n2(n2≤36)个扫描周期后，无人机位于C点位置，云台旋转到β角度方向，此时雷达检测到前方坡地距离无人机斜向距离为R5。根据上面的推算，无人机横向飞行距离为：R6＝n2/N*V。在C点位置扫描到目标离无人机的纵向高度和无人机离目标的横向距离分别为：

同理推算，可得到三次检测到的目标在C点位置的空间坐标分别为(R1-R3-R6，0)，(R4-R6,H1),(R7,H2)。

由上可知，在飞行过程中的每一个扫描时刻，都能根据已知扫描的数据，构建出扫描过的目标在当前时刻所处空间位置。以此类推，经过完整扫描周期，可建模0-180度所有目标的空间坐标，从而可以得到无人机飞行环境的立体空间图。在每一个时刻，雷达都能构建出空间目标信息立体图，并将信息上传给飞行控制系统，飞行控制系统根据雷达上报的空间立体目标信息图，智能判断飞行周边环境情况，及时调整飞行方案，自主实现避障、绕障飞行。

本发明的无人机毫米波雷达探测系统及方法，通过旋转云台控制雷达做规律的圆周运动，将整个立体检测空间分解为多个小视角空间进行检测，从而实现整个空间的检测；通过多次不同的扫描角检测分解和转换，在任意时刻，可得到所有已检测目标的立体空间坐标，从而可构建出飞行立体空间地图，实时对无人机飞行状态做出调整，以此达到避障、绕障等功能。

本发明适用于飞行环境起伏较大、飞行空间受限和飞行障碍物不规则的地带，通过毫米波雷达构建的立体空间扫描图，及时调整飞行状态，以飞行智能化最大程度的保证飞行安全。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。