基于激光雷達(dá)的四旋翼無人機自主定位及控制方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于四旋翼無人機自主飛行控制研究的【技術(shù)領(lǐng)域】，為提出一套新的基于二維激光雷達(dá)的自主定位方法，及基于此定位方法及其它機載MEMS芯片的四旋翼無人機控制系統(tǒng)設(shè)計方法，為此，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是，基于激光雷達(dá)的四旋翼無人機自主定位及控制方法，首先利用二維激光雷達(dá)進(jìn)行無人機水平方向的初步定位，利用機載氣壓計得到無人機的高度方向的初步位置值；之后利用互補濾波算法，結(jié)合機載加速度計芯片，獲得更高頻率的無人機位置信息；最后基于此位置信息，應(yīng)用于無GPS信號下的無人機控制系統(tǒng)。本發(fā)明主要應(yīng)用于無人機自主飛行控制裝置的設(shè)計制造。
【專利說明】基于激光雷達(dá)的四旋翼無人機自主定位及控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于四旋翼無人機自主飛行控制研究的【技術(shù)領(lǐng)域】，具體講，涉及四旋翼無人機自主定位及控制方法；
【背景技術(shù)】
[0002]無人駕駛飛機簡稱無人機，是一種利用無線電遙控或自身程序控制為主的不載人飛機；與載人飛機相比，無人機具有體積小、造價低、使用方便等優(yōu)點；根據(jù)其結(jié)構(gòu)設(shè)計的不同，無人機可分為固定翼和旋翼兩種類型；四旋翼無人機屬于旋翼無人機中的一種，其具有體積小巧、結(jié)構(gòu)簡單、安全性高以及對飛行空間要求低等優(yōu)點，在軍用及民用領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景，包括地形測繪、電網(wǎng)維護(hù)、航空運輸、災(zāi)難搜救以及跟蹤監(jiān)視等實際應(yīng)用；四旋翼無人機是一種典型的欠驅(qū)動、強耦合、靜不穩(wěn)定的非線性系統(tǒng)，對其進(jìn)行飛行控制研究有著重要的理論價值；國外對于四旋翼無人機研究起步較早，技術(shù)也更加成熟；例如美國賓夕法尼亞大學(xué)、麻省理工學(xué)院，佐治亞理工大學(xué)，德國弗萊堡大學(xué)，瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工及法國、澳大利亞、日本、韓國等國家的科研團(tuán)隊，已經(jīng)取得了較為深入的科研成果；現(xiàn)在正在向更加復(fù)雜的機動動作，更加完備的任務(wù)執(zhí)行方面進(jìn)行研究；近年來，國內(nèi)也在逐步開展對四旋翼無人機的研究，如中國科學(xué)院、清華大學(xué)、國防科技大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、東北大學(xué)等知名高校均進(jìn)行了一定的研究；
[0003]四旋翼無人機電子系統(tǒng)可由傳感器及飛行控制兩個子系統(tǒng)組成；傳感器系統(tǒng)需要對無人機狀態(tài)進(jìn)行精確測量或估計，其將無人機位置、速度、姿態(tài)角、角速度等飛行狀態(tài)傳遞給飛行控制子系統(tǒng)，并由其實現(xiàn)良好的飛行控制；傳感器系統(tǒng)可細(xì)分為姿態(tài)傳感器及位置傳感器兩類；常用姿態(tài)傳感器由三軸加速度計、三軸陀螺儀、磁力計等MEMS元件組成，其在室內(nèi)外均可使用；位置傳感器則多采用GPS、北斗等衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)，然而該種傳感器難以在GPS信號微弱的樓群間及室內(nèi)環(huán)境中實現(xiàn)精確定位；國際上為解決無GPS環(huán)境下精確定位問題，常用方法可分為基于VICON等運動捕獲系統(tǒng)定位，基于機載攝像頭定位及基于機載激光雷達(dá)定位三種；利用激光雷達(dá)作為機載位置傳感器，相較于其他方法，具有定位精度高、對環(huán)境依賴程度較弱、利于向室外擴(kuò)展等優(yōu)勢，是國際控制領(lǐng)域研究的熱點問題；
[0004]然而在我國針對無GPS信號環(huán)境，設(shè)計一套基于激光雷達(dá)的四旋翼無人機自主定位及控制系統(tǒng)尚處于研究起步階段，因此設(shè)計一套定位精確、功能完善、易擴(kuò)展、控制性能良好的無人機定位及控制系統(tǒng)具有極大的理論價值及意義，并可拓寬四旋翼無人機的應(yīng)用領(lǐng)域；

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明旨在克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一套新的基于二維激光雷達(dá)的自主定位方法，及基于此定位方法及其它機載MEMS芯片的四旋翼無人機控制系統(tǒng)設(shè)計方法，為此本發(fā)明采用的技術(shù)方案是，基于激光雷達(dá)的四旋翼無人機自主定位及控制方法，首先利用二維激光雷達(dá)進(jìn)行無人機水平方向的初步定位，利用機載氣壓計得到無人機的高度方向的初步位置值；之后利用互補濾波算法，結(jié)合機載加速度計芯片，獲得更高頻率的無人機位置信息；最后基于此位置信息，應(yīng)用于無GPS信號下的無人機控制系統(tǒng)。
[0006]實際上本發(fā)明所采用的定位方法由以下兩個階段完成:
[0007]第一個階段為較低頻率的三維位置裸數(shù)據(jù)獲取階段。其中平面二維位置主要使用激光雷達(dá)的定位算法，其包含三維投影、換圖策略及匹配定位三個部分，產(chǎn)生二維平面定位裸數(shù)據(jù)；而高度方向裸數(shù)據(jù)由機載氣壓計芯片測量數(shù)據(jù)獲取。
[0008]第二個階段為更高頻率定位數(shù)據(jù)獲取階段。其具體基于互補濾波器實現(xiàn)，使用機載加速度計融合第一階段產(chǎn)生的裸數(shù)據(jù)，得到更新速率更高的位置數(shù)據(jù)。
[0009]基于激光雷達(dá)的水平方向初步定位具體步驟為:
[0010]I)三維環(huán)境模型向二維平面投影
[0011]利用機器人運動學(xué)坐標(biāo)變換方法，并結(jié)合機載慣性導(dǎo)航單元得到的歐拉角，將激光雷達(dá)掃描得到的參考圖像及當(dāng)前圖像投影到水平面上，在這一平面上，再利用二維平面匹配方法進(jìn)行位移及角度測量，從而得到無人機在水平方向上精確的位置信息，具體步驟如下，設(shè)激光雷達(dá)在時刻t，按逆時針順序第i條激光束在三維空間中掃描測到點P!，其在
激光雷達(dá)坐標(biāo)系下定義為片=[C0s(A)^in⑷V〗，Of，其中Θ i代表該條激光束所在角度，A代表該條激光束測得的距離，與此同時根據(jù)機載慣性導(dǎo)航單元，測得激光雷達(dá)所處滾轉(zhuǎn)角為Y、俯仰角為β，則通過(I)式，將V投影至世界坐標(biāo)系中:
【權(quán)利要求】
1.一種基于激光雷達(dá)的四旋翼無人機自主定位及控制方法，其特征是，首先利用二維激光雷達(dá)進(jìn)行無人機水平方向的初步定位，利用機載氣壓計得到無人機的高度方向的初步位置值；之后利用互補濾波算法，結(jié)合機載加速度計芯片，獲得更高頻率的無人機位置信息；最后基于此位置信息，應(yīng)用于無GPS信號下的無人機控制系統(tǒng)。
2.如權(quán)利要求1所述的基于激光雷達(dá)的四旋翼無人機自主定位及控制方法，其特征是，基于激光雷達(dá)的水平方向初步定位具體步驟為: 1)三維環(huán)境模型向二維平面投影 利用機器人運動學(xué)坐標(biāo)變換方法，并結(jié)合機載慣性導(dǎo)航單元得到的歐拉角，將激光雷達(dá)掃描得到的參考圖像及當(dāng)前圖像投影到水平面上，在這一平面上，再利用二維平面匹配方法進(jìn)行位移及角度測量，從而得到無人機在水平方向上精確的位置信息，具體步驟如下，設(shè)激光雷達(dá)在時刻t，按逆時針順序第i條激光束在三維空間中掃描測到點if，其在激光雷達(dá)坐標(biāo)系下定義為片=[coS(dSin⑷);;，0f，其中Θ i代表該條激光束所在角度，r,代表該條激光束測得的距離，與此同時根據(jù)機載慣性導(dǎo)航單元，測得激光雷達(dá)所處滾轉(zhuǎn)角為Y、俯仰角為β，則通過(I)式，將濘投影至世界坐標(biāo)系中:
3.如權(quán)利要求1所述的基于激光雷達(dá)的四旋翼無人機自主定位及控制方法，其特征是，利用720MHz ARM處理芯片執(zhí)行水平方向定位方法，其輸出數(shù)據(jù)更新頻率介于10_20Hz之間。
4.如權(quán)利要求1所述的基于激光雷達(dá)的四旋翼無人機自主定位及控制方法，其特征是，基于機載氣壓計芯片的的高度方向初步定位具體為:采用無人機機載氣壓計芯片對無人機高度進(jìn)行測量，具體為:首先有效排除無人機旋翼運轉(zhuǎn)對氣壓計芯片附近氣流的影響，即將裝載氣壓計芯片的飛行控制系統(tǒng)安置于封閉性能較好的塑料盒中，并利用海綿等材料阻塞塑料盒與氣壓計芯片間的縫隙，從而有效排除了無人機旋翼運轉(zhuǎn)對氣壓計芯片附近氣流的影響；之后采集機載MEMS氣壓計測得數(shù)據(jù)，其更新頻率為10Hz。
5.如權(quán)利要求1所述的基于激光雷達(dá)的四旋翼無人機自主定位及控制方法，其特征是，基于互補濾波的無人機三維位置估計具體為:采用一種三維互補濾波方法，利用機載加速度計獲得的無人機三維加速度信息，對步驟1、2中的位置數(shù)據(jù)進(jìn)行插值，從而提高位置數(shù)據(jù)更新頻率，具體為:將無人機加速度傳感器更新得到的機載坐標(biāo)系下的測量值，通過坐標(biāo)變換投影至世界坐標(biāo)系，并通過兩次積分計算，得到由加速度計估計出的IOOHz位置量傳遞給機載控制器進(jìn)行位置控制；在水平方向上，當(dāng)激光雷達(dá)匹配方法計算完畢時，計算激光雷達(dá)定位數(shù)據(jù)與加速度計估計值的差值，再通過反饋系統(tǒng)調(diào)整加速度積分偏置量，從而實現(xiàn)加速度計與激光雷達(dá)這兩種異類傳感器間的數(shù)據(jù)融合，互補濾波器增益b k2, k3可由時間常數(shù)τ定義如下:
【文檔編號】G01C23/00GK103868521SQ201410057861
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2014年2月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月20日
【發(fā)明者】鮮斌, 張垚, 茹濱超, 宋英麟 申請人:天津大學(xué)