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    重庆时时彩球杀号: 基于小型四旋翼无人机的构图装置及方法.pdf

    关 键 词:
    基于 小型 四旋翼 无人机 构图 装置 方法
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    摘要
    申请专利号:

    CN201410182840.4

    申请日:

    2014.04.30

    公开号:

    CN103941750A

    公开日:

    2014.07.23

    当前法律状态:

    授权

    有效性:

    有权

    法律详情: 授权|||实质审查的生效IPC(主分类):G05D 1/10申请日:20140430|||公开
    IPC分类号: G05D1/10 主分类号: G05D1/10
    申请人: 东北大学
    发明人: 吴成东; 常雪枫; 王璐; 王琦
    地址: 110819 辽宁省沈阳市和平区文化路3号巷11号
    优先权:
    专利代理机构: 沈阳东大知识产权代理有限公司 21109 代理人: 梁焱
    PDF完整版下载: PDF下载
    法律状态
    申请(专利)号:

    CN201410182840.4

    授权公告号:

    ||||||

    法律状态公告日:

    2016.08.31|||2014.08.20|||2014.07.23

    法律状态类型:

    授权|||实质审查的生效|||公开

    摘要

    本发明一种基于小型四旋翼无人机的构图装置及方法,属于移动机器人定位与导航技术领域,本发明使用小型旋翼无人机可以快速地进入到移动机器人无法进入的复杂环境中,利用搭载的激光雷达根据SLAM方法实时构建出二维地图,再结合IMU等装置可以实现无人机的自主定位和导航,实现对真实复杂区域的高效探索;小型四旋翼无人机能够方便地调整高度获取不同高度水平面上的二维地图;小型悬翼无人机移动速度快,更加灵活,它的运动和建图不会受到地面上障碍物的干扰,突破了探测机器人的范围限制,具有很强的实用价值,能够实现准确快速的地图构建;与机器人环境构图相比,旋翼无人机能够更快、更灵活地实施环境侦察,而且可以获得立体空间图像。

    权利要求书

    权利要求书
    1.  一种基于小型四旋翼无人机的构图装置,包括四旋翼无人机、激光雷达、无线路由器、反光镜,其特征在于,还包括PC机、远程控制开关、机载计算机、控制器和电源,其中,所述的激光雷达设置于四旋翼无人机上端中心位置,反光镜设置于激光雷达发射端初始位置相对处,并与四旋翼无人机平面之间的夹角为45°,所述的远程控制开关、机载计算机、控制器和电源构成机载控制部分,设置于四旋翼无人机的中心位置;
    所述的激光雷达的输出端连接机载计算机的输入端,机载计算机的输出端连接控制器的输入端,控制器的四路输出端分别连接四旋翼无人机四个螺旋桨的电机输入端,在控制器与电源之间设置有远程控制开关;所述的机载计算机通过无线网络连接无线路由器,并且无线路由器通过无线网络连接PC机。

    2.  根据权利要求1所述的基于小型四旋翼无人机的构图装置,其特征在于,所述的PC机内部包括环境构图???、构图矫正??楹吐肪豆婊??,其中,
    环境构图??椋河糜诓捎猛蕉ㄎ挥氲赝脊菇ǚ椒ǜ菁す饫状锊杉降募す馐萁猩枨虻墓雇?,所述的激光数据包括扫描角度和该角度对应反射点的距离;
    构图矫正??椋河糜诟菘刂破髂诓康墓咝圆饬康ピ饬康奈奕嘶阈苯嵌群兔扛錾杞嵌榷杂Ψ瓷涞愕木嗬?,计算获得每个反射点水平方向上的距离,根据每个反射点水平方向上的距离重新进行构图,获得矫正后的环境构图;
    路径规划???;用于基于代价地图的Dijkstra最优路径算法根据获得的矫正后的环境构图获得无人机飞行路径,并将飞行路径通过机载计算机发送至控制器中。

    3.  根据权利要求1所述的基于小型四旋翼无人机的构图装置,其特征在于,所述的远程控制开关包括一个电阻、一个电源接口、一个机载计算机接口、一个天线接口、一个稳压管、一个MOSFET管,其中,稳压管的输入端同时连接电源接口的输出端和机载计算机接口的输入端,稳压管的输出端连接天线接口的输入端,稳压管的输入端接地,天线接口的另一个端口同时连接MOSFET管的栅极和电阻的一端,电阻的另一端接地,MOSFET管的源极接地,MOSFET管的漏极连接机载计算机接口的输出端。

    4.  根据权利要求1所述的基于小型四旋翼无人机的构图装置,其特征在于,还设置有一个用于控制远程控制开关的??仄骱鸵桓鎏煜?,所述的天线通过天线接口连接远程控制开关,??仄鞣⑺徒艏毙藕胖撂煜?,使其强制切断控制器的电源。

    5.  采用权利要求1所述的基于小型四旋翼无人机的构图装置进行的构图方法,其特征在
    于:包括以下步骤:
    步骤1、在目标构图区域内,以无人机起飞位置作为原点建立坐标系,并根据实际需求 设置无人机的目标飞行高度和飞行速度;
    步骤2、启动无人机上升飞行,采用激光雷达发射激光并通过反射镜反射激光,根据反射的时间,计算无人机实时飞行高度,当无人机达到目标飞行高度时停止上升;
    步骤3、在目标高度,采用激光雷达进行旋转扫描,获得不同激光雷达数据,所述的激光雷达数据包括采样旋转角度和该角度对应反射点的距离,并将采激光雷达数据发送至机载计算机中;
    步骤4、机载计算机将激光雷达数据通过无线路由器发送至PC机中;
    步骤5、PC机内部的环境构图??椴捎猛蕉ㄎ挥氲赝脊菇ǚ椒ǜ菁す饫状锊杉降牟裳嵌榷杂Ψ瓷涞闼谧晗抵械奈恢媒猩枨虻墓雇?;
    步骤6、采用控制器内部的惯性测量单元测量的无人机倾斜角度,并根据每个扫描角度对应反射点的距离,计算获得每个反射点水平方向止的距离,根据每个反射点水平方向上的距离重新进行构图,获得最终的环境构图,完成构图的矫正;
    步骤7、返回执行步骤3进行多次的扫描构图,实时获得环境构图并执行步骤8;
    步骤8、根据无人机当前在坐标系中的位置和飞行速度,采用基于代价地图的Dijkstra最优路径算法根据获得的实时环境地图获得无人机实时飞行路径,并将实时飞行路径通过机载计算机发送至控制器中,所述的飞行路径终点为根据需求设定的重点扫描区域;
    步骤9、控制器根据获得的飞行路径发送控制信号至无人机四个螺旋桨的电机中,实现无人机自动飞行;
    步骤10、无人机按照飞行路径至终点后,切换为手动控制,在根据实际需求设定的高度范围内进行不同高度的实时扫描,进而完成重点区域的立体扫描构图。

    6.  根据权利要求5所述的构图方法,其特征在于,步骤8所述的采用基于代价地图的Dijkstra最优路径算法根据获得的实时环境构图获得无人机实时飞行路径,具体为:将构建的二维地图的长和宽根据需求进行平均分割,进而实现对二维地图的网格划分,根据每个网格与障碍物的距离设置每个网格的代价值,网格与障碍物距离越近代价值越大,代价值的取值范围为0~255,再采用Dijkstra算法获得代价地图上一条代价值最小的路径,即为无人机规划出来的路径。

    说明书

    说明书基于小型四旋翼无人机的构图装置及方法
    技术领域
    本发明属于移动机器人定位与导航技术领域,具体涉及一种基于小型四旋翼无人机的构图装置及方法。
    背景技术
    近年来,移动机器人得到的迅速的发展,移动机器人的定位和导航也越来越受到重视。实现自主定位和导航是机器人完成各种任务的重要前提,而实现定位和导航的关键在于建立起完整的地图信息,因此,二维构图对于移动机器人技术的发展具有重要的意义。随着技术的不断发展,对地图创建的要求也越来越高,尤其对于灾难现场等一些障碍比较多、结构比较复杂、对建图实时性要求高的复杂场合,传统的地图创建方法很难胜任?;诨魇泳醯牡赝即唇ǚ椒ㄖ荒艽唇ǜ叨刃畔⒌赝?,地图信息比较单一,而且对图像的处理对电脑要求较高,建图速度也不理想。针对这些情况,出现了移动机器人一边运动一边创建地图(SLAM,Simultaneous localization and mapping)的方法,这种方法在一定程度上克服了一些上述的障碍,但是依然有很多的弊端:机器人的运动都依赖履带或者轮子,在狭小的空间中实现转向会比较困难,而且机器人只能在地面上运动,容易受到地面障碍物的干扰;在多楼层环境中,机器人只能在有限的楼层范围内进行探索,很难进入到高楼层区域,移动范围受到了极大的限制,无法实现复杂环境的侦察和构图;地面移动机器人只能在地面上运动,其建立的二维地图也就局限于接近地面的高度,得到的地图信息过于单一,应用价值和使用范围爱到了很大的限制。因此,目前利用上述两种方式进行室内环境信息的感知和探索都难以达到理想的效果。
    发明内容
    针对现有技术的缺点,本发明提出一种基于小型四旋翼无人机的构图装置及方法,以达到在复杂环境中快速准确地构建出二维地图的目的。
    一种基于小型四旋翼无人机的构图装置,包括四旋翼无人机、激光雷达、无线路由器、反光镜,还包括PC机、远程控制开关、机载计算机、控制器和电源,其中,所述的激光雷达设置于四旋翼无人机上端中心位置,反光镜设置于激光雷达发射端初始位置相对处,并与四旋翼无人机平面之间的夹角为45°,所述的远程控制开关、机载计算机、控制器和电源构成机载控制部分,设置于四旋翼无人机的中心位置;
    所述的激光雷达的输出端连接机载计算机的输入端,机载计算机的输出端连接控制器的输入端,控制器的四路输出端分别连接四旋翼无人机四个螺旋桨的电机输入端,在控制器与电源之间设置有远程控制开关;所述的机载计算机通过无线网络连接无线路由器,并且无线路由器通过无线网络连接PC机。
    所述的PC机内部包括环境构图???、构图矫正??楹吐肪豆婊??,其中,
    环境构图??椋河糜诓捎猛蕉ㄎ挥氲赝脊菇ǚ椒?SLAM)根据激光雷达采集到的激光数据进行扫描区域的构图,所述的激光数据包括扫描角度和该角度对应反射点的距离;
    构图矫正??椋河糜诟菘刂破髂诓康墓咝圆饬康ピ饬康奈奕嘶阈苯嵌群兔扛錾杞嵌榷杂Ψ瓷涞愕木嗬?,计算获得每个反射点水平方向上的距离,根据每个反射点水平方向上的距离重新进行构图,获得矫正后的环境构图;
    路径规划??椋河糜诨诖鄣赝?costmap)的Dijkstra最优路径算法根据获得的矫正后的环境构图获得无人机飞行路径,并将飞行路径通过机载计算机发送至控制器中。
    所述的远程控制开关包括一个电阻、一个电源接口、一个机载计算机接口、一个天线接口、一个稳压管、一个MOSFET管,其中,稳压管的输入端同时连接电源接口的输出端和机载计算机接口的输入端,稳压管的输出端连接天线接口的输入端,稳压管的输入端接地,天线接口的另一个端口同时连接MOSFET管的栅极和电阻的一端,电阻的另一端接地,MOSFET管的源极接地,MOSFET管的漏极连接机载计算机接口的输出端。
    还设置有一个用于控制远程控制开关的??仄骱鸵桓鎏煜?,所述的天线通过天线接口连接远程控制开关,??仄鞣⑺徒艏毙藕胖撂煜?,使其强制切断控制器的电源。
    采用基于小型四旋翼无人机的构图装置进行的构图方法,包括以下步骤:
    步骤1、在目标构图区域内,以无人机起飞位置作为原点建立坐标系,并根据实际需求设置无人机的目标飞行高度和飞行速度;
    步骤2、启动无人机上升飞行,采用激光雷达发射激光并通过反射镜反射激光,根据反射的时间,计算无人机实时飞行高度,当无人机达到目标飞行高度时停止上升;
    步骤3、在目标高度,采用激光雷达进行旋转扫描,获得不同激光雷达数据,所述的激光雷达数据包括采样旋转角度和该角度对应反射点的距离,并将采激光雷达数据发送至机载计算机中;
    步骤4、机载计算机将激光雷达数据通过无线路由器发送至PC机中;
    步骤5、PC机内部的环境构图??椴捎猛蕉ㄎ挥氲赝脊菇ǚ椒ǜ菁す饫状锊杉降牟裳嵌榷杂Ψ瓷涞闼谧晗抵械奈恢媒猩枨虻墓雇?;
    步骤6、采用控制器内部的惯性测量单元测量的无人机倾斜角度,并根据每个扫描角度对应反射点的距离,计算获得每个反射点水平方向上的距离,根据每个反射点水平方向上的距离重新进行构图,获得最终的环境构图,完成构图的矫正;
    步骤7、返回执行步骤3进行多次的扫描构图,实时获得环境构图并执行步骤8;
    步骤8、根据无人机当前在坐标系中的位置和飞行速度,采用基于代价地图的Dijkstra最 优路径算法根据获得的实时环境地图获得无人机实时飞行路径,并将实时飞行路径通过机载计算机发送至控制器中,所述的飞行路径终点为根据需求设定的重点扫描区域;
    步骤9、控制器根据获得的飞行路径发送控制信号至无人机四个螺旋桨的电机中,实现无人机自动飞行;
    步骤10、无人机按照飞行路径至终点后,切换为手动控制,在根据实际需求设定的高度范围内进行不同高度的实时扫描,进而完成重点区域的立体扫描构图。
    步骤8所述的采用基于代价地图的Dijkstra最优路径算法根据获得的实时环境构图获得无人机实时飞行路径,具体为:将构建的二维地图的长和宽根据需求进行平均分割,进而实现对二维地图的网格划分,根据每个网格与障碍物的距离设置每个网格的代价值,网格与障碍物距离越近代价值越大,代价值的取值范围为0~255,再采用Dijkstra算法获得代价地图上一条代价值最小的路径,即为无人机规划出来的路径。
    本发明优点:
    本发明一种基于小型四旋翼无人机的构图装置及方法,使用小型旋翼无人机可以快速地进入到移动机器人无法进入的复杂环境中,利用搭载的激光雷达根据SLAM方法实时构建出二维地图,再结合IMU等装置可以实现无人机的自主定位和导航,实现对真实复杂区域的高效探索;同时,小型四旋翼无人机能够方便地调整高度,获取不同高度水平面上的二维地图,从而能够获取更多的信息;小型悬翼无人机移动速度快,更加灵活,它的运动和建图不会受到地面上障碍物的干扰,不仅能原地360度调整方向,而且能够到达高楼层、火灾或者地震现场等复杂危险的区域,突破了探测机器人的范围限制,具有很强的实用价值,能够实现准确快速的地图构建;与机器人环境构图相比,旋翼无人机能够更快、更灵活地实施环境侦察,而且可以获得立体空间图像。
    附图说明
    图1为本发明一种实施例的基于小型四旋翼无人机的构图装置结构示意图;
    图2为本发明一种实施例的机载控制部分结构示意图;
    图3为本发明一种实施例的激光雷达电路原理图;
    图4为本发明一种实施例的基于小型四旋翼无人机的构图方法流程图;
    图5为本发明一种实施例的信号走向示意图;
    图6为本发明一种实施例的激光雷达的角度示意图;
    图7为本发明一种实施例的激光测高及倾斜角度原理示意图;
    图8为本发明一种实施例的建图误差分析图;
    图9为本发明一种实施例的构建的室内二维地图。
    具体实施方式
    下面结合附图对本发明一种实施例做进一步说明。
    如图1所示,本发明实施例中基于小型四旋翼无人机的构图装置,包括四旋翼无人机1、激光雷达4、无线路由器2、反光镜6、PC机3,如图2所示,远程控制开关5-1、机载计算机5-2、控制器5-3和电源5-4,其中,所述的激光雷达4设置于四旋翼无人机1上端中心位置,反光镜6设置于激光雷达4发射端初始位置相对处,并与四旋翼无人机1平面之间的夹角为45°,所述的远程控制开关5-1、机载计算机5-2、控制器5-3和电源5-4构成机载控制部分5,设置于四旋翼无人机1的中心位置。
    本发明实施例中,激光雷达采用UTM-30LX型号,它采集其扫描平面上270度范围内的距离信息,扫描频率40Hz,最远探测距离30米;精度0.1~10m:±30mm,10~30m:±50mm;采用USB2.0与机载电脑进行通信;飞行控制器采用APM2.5.2型号;记载计算机采用树莓派2;如图2所示,激光雷达4的输出端连接机载计算机5-2的一个USB端口,机载计算机5-2的TXD、RXD和USB端口连接控制器5-3的TXD、RXD和USB端口,控制器5-3的四路输出端out1、out2、out3、out4分别连接四旋翼无人机1四个螺旋桨的电机输入端,在控制器输出端和螺旋桨之间还装有电调装置,在控制器5-3与电源5-4之间设置有远程控制开关5-1(KILLSWITCH);所述的机载计算机5-2通过无线网络WIFI连接无线路由器2,并且无线路由器2通过无线网络连接PC机3;本发明实施例中,机载计算机5-2的一个usb口插有无线网卡,通过无线网卡实现通讯。
    本发明实施例中,利用无线路由器的11(或13)信道进行数据传输。有效作用距离最大可达到300米,若采取信号增强措施则可以达到500米以上。路由器放置于待探索区域和PC机之间的中点位置处,这样能使数据的传输距离最远,最远能够达到路由器有效距离的2倍。为了提高路由器的传输效率,可以将路由器的传输功率设置为“高”,保证数据的高速传输。
    本发明实施例中,由于机载计算机配置的限制,需要将实时获取的激光数据返回到PC机上进行处理,这样做一方面减轻了机载计算机的负荷,延长无人机的电池续航时间;另一方面,在PC机上建图提高了精度,而且PC机上能够最早获取地图信息。在建图??橹泻诵氖荢LAM,为了提高建图的精度,根据IMU测量的无人机的姿态信息对获取的激光数据进行修正,进而修正建图的误差。为了保证安全,在无人机上安装KILLSWITCH,在紧急情况下对无人机强制关闭电源,保证飞行的安全。
    本发明实施例中,PC机内部包括环境构图???、构图矫正??楹吐肪豆婊??,其中,环境构图??橛糜诓捎猛蕉ㄎ挥氲赝脊菇ǚ椒?SLAM)根据激光雷达采集到的激光数据进行扫描区域的构图,所述的激光数据包括扫描角度和该角度对应反射点的距离;构图矫正??橛糜诟菘刂破髂诓康腎MU(惯性测量单元,Inertia measurement unit)测量的无人机倾斜角度和每个扫描角度对应反射点的距离,计算获得每个反射点水平方向上的距离,根据每个 反射点水平方向上的距离重新进行构图,获得矫正后的环境构图;路径规划??橛糜诨诖鄣赝嫉腄ijkstra最优路径算法根据获得的矫正后的环境构图获得无人机飞行路径,并将飞行路径通过机载计算机发送至控制器中,无人机飞行过程中需要进行自主避障,根据得到的二维地图,对无人机进行路径规划,实现无人机自主避障。
    本发明实施例中,远程控制开关包括一个电阻(47kΩ色环直插电阻)、一个电源接口J2、一个机载计算机接口J3、一个天线接口J1、一个7805稳压管Q1、一个MOSFET管(irf4410z cmos晶体管)Q2,IMU是惯性测量单元Inertial Measurement Unit,型号是MPU-6000,可以实时测量出无人机的三轴姿态角以及加速度的信息。
    如图3所示,稳压管Q1的输入端INPUT0同时连接电源接口的输出端1、2和机载计算机接口的输入端1、2,稳压管的输出端VCC连接天线接口的输入端6,稳压管Q1的输入端接地,天线接口的端口4同时连接MOSFET管Q2的栅极和电阻R1的一端,电阻R1的另一端接地,MOSFET管Q2的源极接地,MOSFET管Q2的漏极连接机载计算机接口的输出端OUTPUT1,还设置有一个用于控制远程控制开关的??仄骱鸵桓鎏煜?无线接收???2272)解码),所述的天线通过天线接口连接远程控制开关,??仄鞣⑺徒艏毙藕胖撂煜?,使其强制切断控制器的电源。
    采用基于小型四旋翼无人机的构图装置进行的构图方法,方法流程图如图4所示,信号走向示意图如图5所示,其中,空心箭头表示数据流动及方向,实心箭头表示装置连接关系;
    方法具体包括以下步骤:
    步骤1、在目标构图区域内,以无人机起飞位置作为原点(0,0)建立坐标系,并根据实际需求设置无人机的目标飞行高度和飞行速度;
    本发明实施例中,起飞位置指无人机在建筑物入口处所获取的位置,进行二维建图时需要有坐标原点,取无人机的起飞位置为坐标系的原点(0,0),同时取飞机的正前方为y轴正方向,与y轴垂直且与y轴成右手坐标系的方向为x轴正方向。另外还要根据周围环境的实际情况设置无人机的飞行高度和飞行速度,保证无人机的稳定飞行和准确建图。
    步骤2、操作人员通过??仄骺刂莆奕嘶鸱?,切换到自动模式,采用激光雷达发射激光并通过反射镜反射激光,根据反射的时间,计算无人机实时飞行高度,当无人机达到目标飞行高度时停止上升;
    本发明实施例中,与移动机器人相比,无人机的运动控制更加复杂,最明显的体现就在高度控制上;移动机器人没有高度的信息,但这也限制了它的灵活性和室内环境构图的适用性。一般在无人机上都采用GPS和气压计来测量无人机的飞行高度,但是GPS测高的精度比较低,而气压计的输出值比较容易受到气流的影响。所以这两种测高方式都无法满足室内 高度控制精度的要求。针对这种情况,本发明中采用在激光雷达侧面加一面反光镜的方式测量飞行器的高度;由于平面镜面积较小,因此只需要提取一个比较小的夹角内的激光就能用来测高,同时不会影响建图;通过几何计算,可以得到无人机的真实高度。
    在真实复杂的环境中,地面上往往存在障碍物,给高度的测量造成了一定的困难;当水平地面上突然出现障碍物时,无人机的高度会出现突然的跳变,在这个跳变点上通过与跳变之前的高度值对比即可求得障碍物的高度,进而对无人机的飞行高度进行调整。
    本发明实施例中,操作人员通过无线通信??胤苫?,即利用??仄鞣⒊鑫尴呖刂菩藕?,安装在四旋翼无人机上的机载计算机机接受信号,然后向无人机控制器输出PWM信号控制无人机的飞行。
    本发明实施例中,根据实际飞行高度和目标飞行高度,可以采取PID控制算法、模糊控制算法等使无人机达到期望的高度;本发明采用PID控制,PID控制带限幅,是一种非线性控制方式,P参数根据目标高度与测量高度之差乘以系数得到,输入为目标高度与测量并经过处理后的高度之差,输出为无人机油门控制量,反馈为测量并经过处理后的高度。
    因为激光雷达得到的数据是数字信号,PID算法中目标高度为标准值r(n),实际高度为反馈值c(n),偏差e(n)为:
    e(n)=r(n)-c(n)   (1)
    偏差依次通过比例,积分、微分环节,得到输入量为:
    u(n)=Kp{e(n)-TTiΣi=0ne(i)+TDT[e(n)-e(n-1)]}+u0---(2)]]>
    其中:Kp是比例放大系数,
    e(n)是偏差,
    T是采样周期,
    Ti是积分时间,
    TD是微分时间,
    u0是零时刻输入量;
    通过调节给定无人机的PWM脉冲信号,调整无人机的高度,直到实际高度等于目标高度,并且稳定下来,通过PID控制实现快速的无差调节。
    步骤3、在目标高度,采用激光雷达进行旋转270度范围内进行扫描,获得不同激光雷达数据,所述的激光雷达数据包括采样旋转角度和该角度对应反射点的距离,并将采激光雷达数据发送至机载计算机中;
    本发明实施例中,为了使用激光雷达的一部分测量值可以用于高度测量,并且不影响SLAM建图,需要把激光雷达的输出数据分离为两部分:一部分是飞行高度信息,另一部分 是用于SLAM建图的数据。如图6所示,α~β之间的角度为确定能照射到平面镜上的角度范围,γ°~270°为确定照射不到平面镜上的角度范围。
    无人机与水平面夹角(无人机的俯仰角)为α′,设测得的高度为h′,则真实对地距离h为:
    h=OC×sinα′   (3)
    由图7可知:
    OC=OB+BC=h′+d×cotα′   (4)
    其中,d为激光雷达距离反光镜的距离;OB为测得的高度,即为h′;BC为实际高度与测量高度之差;
    因此,真实距离可由如下公式算出:
    h=(h′+d×cotα′)×sinα′   (5)
    本发明实施例中,激光雷达通过USB口直接连接到机载计算机上。普通的串口传输速度较慢,因此这里选择使用USB口进行激光数据的传输,保证了数据的完整性和实时性。
    步骤4、机载计算机将激光雷达数据通过无线路由器发送至PC机中;
    步骤5、PC机内部的环境构图??椴捎肧LAM方法根据激光雷达采集到的采样旋转角度对应反射点所在坐标系中的位置进行扫描区域的构图;
    本发明实施例中,机载计算机通过WIFI接口将数据发送到PC地面站上,并在PC机上进行SLAM构图,采用SIS滤波估计无人机位姿;在室内SLAM问题中,由于真实环境中不存在可以直接利用的路标,机器人的自定位和图的匹配只能依靠从观测模型中提取的路标来完成,有些情况并不能满足局部地图中有足够多的顶点路标可供匹配,这时,需要人为的添加其它路标,采用一种交点路标的提取方法,保证能够提取到足够多的路标信息。顺序重要性采样算法(SIS)是一种蒙特卡洛方法,它基于抽取系列随机样本的加权和来计算所需后验概率密度,计算系统状态的估计值,当样本数足够大时能很好地表示后验概率密度。
    本发明实施例中,由于机载计算机配置比较低,如果将实时构图过程放在机载计算机上进行,将导致建图速度比较慢,同时会引起部分激光数据的丢失,这将来往影响建图的速度以及精确性。因此本发明中采取将激光扫描数据发送到PC机上,在PC机上进行建图的方式?;丶扑慊蚉C机之间利用WIFI进行通信,保证了激光扫描数据传输的速度,避免了数据丢失的现象。在PC机上对发送回来的激光扫描数据先后进行区域分割、直线特征提取、路标的提取等步骤进行二维地图的创建,并且对无人机的飞行路径进行规划。
    SLAM方法具体为:
    光骤5-1:从激光雷达获取激光点集数据(r,a),r表示旋转角度,a表示该角度对应的反射点距离,并将点集准换到直角坐标系下的点集(r*cosa,r*sina);
    步骤5-2:对直角坐标系下的点集进行区域分割,将在一条直线附近的点集分割到一起,将不属于任何区域附近的孤立的点去除;
    步骤5-3:对每个区域的点集拟合直线,求出直线方程,联立方程求解,得到直线的交点坐标,以该交点坐标作为路标;
    步骤5-4:对相邻两帧图像中的路标进行匹配,在两帧图像中离得最近的点认为是同一个路标;用第二帧图像中每个路标的坐标减去第一帧图像中路标的坐标,求出路标的偏移向量,将所有路标的x坐标和y坐标分别累加求平均值,得到最优偏移量;
    步骤5-5:将第一帧图像中的所有点都加上上一步中计算出的偏移量,得到局部地图;重复上述建图过程。
    对局部地图融合是指当前帧的前一帧图像中的所有点都加上计算出的最优偏移量,得到一个二维的局部地图。
    本发明实施例中,建图是一个循环迭代的过程,每个周期内根据前段数据进行数据匹配,然后依次更新位姿和全局地图。首先采集前段传感器信息,进行数据匹配,再利用SIS滤波器估计无人机位姿,然后更新全局地图;之后进入下一个运行周期,采集前段数据,根据上一周期的位姿和本周期的前段数据进行数据匹配,再利用上一周期的全局地图和本周期的数据匹配结果估计当前飞行器的位姿,然后更新全局地图。之后进入下一个周期。
    步骤6、采用控制器内部的惯性测量单元测量的无人机倾斜角度,并根据每个扫描角度对应反射点的距离,计算获得每个反射点水平方向上的距离,根据每个反射点水平方向上的距离重新进行构图,获得最终的环境构图,完成构图的矫正;
    本发明实施例中,无人机在实际飞行时,有时候控制不稳定会出现机体倾斜的情况,在这种情况下测得的距离是不准确的,因此需要进行修正,采用IMU获得无人机实时的姿态信息,然后根据IMU的数据对激光雷达测得的距离进行矫正,修正误差,提高建图的精度。
    由于对无人机的飞行控制不能够做到绝对的精确,因此无人机在飞行的过程中总会产生倾斜的现象,这将给激光数据带来误差,如附图7和图8所示,此时需要对误差进行矫正。
    设无人机的俯仰角为α′,测得的距离为:
    AB=s′   (6)
    根据几何关系可以求得真实距离AC为:
    s=s′×cosα′   (7)
    在建图时根据公式对距离进行矫正。
    步骤7、返回执行步骤3进行多次的扫描构图,实时获得环境构图并执行步骤8;
    步骤8、根据无人机当前在坐标系中的位置和飞行速度,采用基于costmap的Dijkstra最 优路径算法根据获得的实时环境构图获得无人机实时飞行路径,并将实时飞行路径通过机载计算机发送至控制器中,所述的飞行路径终点为根据需求设定的重点扫描区域;
    所述的采用基于costmap的Dijkstra算法根据获得的实时环境构图获得无人机实时飞行路径,具体为:将构建的二维地图的长和宽根据需求进行平均分割,进而实现对二维地图的网格划分,根据网格离障碍物的远近构建costmap(代价地图),在障碍物附近的网格的cost值最大为255,随着距离的增大cost逐渐减小,最小为0,然后利用Dijkstra算法在costmap上计算出一条代价最小的路径,即为无人机规划出来的路径;
    所述的cost值是指无人机在某一个网格内撞击到障碍物的风险值,cost值越大,风险越高;
    具体方法如下:
    (1)在构建的二维地图中划分出一个一个的网格,网格的边长为无人机直径在地图中
    对应的长度;
    (2)根据网格离障碍物的远近构建costmap,在障碍物附近的网格的cost值最大为255,
    随着距离的增大cost逐渐减小,最小为0;
    (3)然后利用Dijkstra算法在costmap上计算出一条代价最小的路径,即为无人机规划
    出来的路径。
    为骤9、控制器根据获得的飞行路径发送控制信号至无人机四个螺旋桨的电机中,实现无人机自动飞行;
    步骤10、无人机按照飞行路径至终点后,切换为手动控制,在根据实际需求设定的高度范围内进行不同高度的实时扫描,进而完成重点区域的立体扫描构图。
    本发明实施例中,对重点区域的立体扫描采取定点增高的方式,即:控制无人机保持在指定位置上,控制无人机以合适的高度间隔,从贴近地面开始逐步升高直至顶部,在每一个高度上都进行激光扫描并获得多个层析图像;将这些层析图像在PC地面站上进行合成,就构成了精确的立体空间图。
    重点区域的立体扫描过程如下:
    (1)用??仄鹘奕嘶谢坏绞侄刂颇J?;
    (2)手动控制无人机飞行到需要重点探索的区域,将无人机飞行高度降到接近地面的位置处作为起始高度,并设置终止高度,开始建图;
    (3)从起始高度开始,每间隔10cm进行一次二维平面建图,同时加上高度信息,将这些层析图像在PC地面站上进行合成若达到终止高度,结束建图,否则重复进行(3);
    (4)得到区域的三维构图。
    图9为本发明实施例构建的室内二维地图,综上,小型四旋翼无人机构图系统是一种稳定有效的系统,比传统的移动地面机器人更加灵活,适应性更强,得到的二维地图也更精确,同时能够实现无人机的自主定位和导航,是一种实时有效的构图方法。

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