无人机上的主动旋转激光雷达系统及其控制方法

文档序号:26001053发布日期:2021-07-23 21:17阅读:来源:国知局

技术特征:

1.一种无人机上的主动旋转激光雷达系统,其特征在于,该系统包括安装在无人机上的转台(1),在所述转台上安装有能够随着转台旋转的激光雷达(2),在所述激光雷达上还固定安装有imu模块(21)。

2.根据权利要求1所述的主动旋转激光雷达系统,其特征在于,

该系统还包括转台控制模块(3)和位姿解算模块(4);

通过所述转台控制模块实时判断是否需要旋转转台和转台的旋转角度;

通过所述位姿解算模块实时解算无人机的位姿。

3.根据权利要求2所述的主动旋转激光雷达系统,其特征在于,

所述转台控制模块实时调取激光雷达实扫描获得的数据图像;

在所述转台控制模块中执行如下步骤:

s1,解算数据图像中每个点的曲率,从中挑取出一定数量的边缘点和平面点,共同组成数据集;

s2,对数据集做去中心化处理,解算协方差,并通过特征值分解得到特征值和特征向量;

s3,比较特征值大小,并据此判断此次激光雷达扫描获得的数据图像是否可靠,如数据不可靠,解算出转台旋转角度δθ,并据此控制转台旋转。

4.根据权利要求3所述的主动旋转激光雷达系统,其特征在于,

在步骤s1中,所述每帧图像都包括多条扫描线,将每条扫描线分成多个部分,从每个部分中选取曲率最大的两个点作为边缘点,再从每个部分中选取曲率最小的四个点作为平面点;

优选地,将每帧图像分成6个部分。

5.一种装载有主动旋转激光雷达的无人机的控制方法,其特征在于:

该方法中,在无人机上安装转台(1),在转台(1)上设置能够随着转台旋转的激光雷达(2),在所述激光雷达上固定安装imu模块(21);

通过转台控制模块(3)实时解算安装在无人机上的转台的控制指令,

该方法中,还通过位姿解算模块(4)实时解算无人机的位姿。

6.根据权利要求5所述的装载有主动旋转激光雷达的无人机的控制方法,其特征在于:

在所述转台控制模块中执行如下步骤:

s1,解算数据图像中每个点的曲率,从中挑取出一定数量的边缘点和平面点,共同组成数据集;

s2,对数据集做去中心化处理,解算协方差,并通过特征值分解得到特征值和特征向量;

s3,比较特征值大小,并据此判断此次激光雷达扫描获得的数据图像是否可靠,如数据不可靠,解算出转台旋转角度δθ,并据此控制转台旋转。

7.根据权利要求6所述的装载有主动旋转激光雷达的无人机的控制方法,其特征在于:

在步骤s3中,通过下式(四)实时判断数据图像是否可靠:

其中,当f(λy,λz)结果为0时,认为数据图像不可靠,

当f(λy,λz)结果为1时,认为数据图像可靠;

优选地,旋转角度δθ通过下式(五)获得:

其中,

umax表示最大的特征值λmax对应的特征向量;

逆时针方向为正方向,顺时针方向为负方向。

8.根据权利要求5所述的装载有主动旋转激光雷达的无人机的控制方法,其特征在于:

所述位姿解算模块实时调取激光雷达实扫描获得的数据图像和imu模块的测量值;

在所述位姿解算模块中,通过下式(六)迭代获得无人机的位姿:

f(tk+1)=de+dh=d(六)

其中,f(tk+1)的雅克比矩阵为

式(六)的迭代过程为:

将tk+1的初始值代入到(de,dh)中,得到f(tk+1),其中是由imu模块得到的第k帧图像位姿到第k+1帧图像位姿的变换;

将得到的f(tk+1)代入到中,再次得到f(tk+1)的雅克比矩阵j,

将再次得到的j代入到-(jtj)-1jtf(tk+1)中,再次得到姿态的增量δtk+1,

将得到的姿态增量δtk+1与原值tk+1相加,得到新的姿态参数tk+1;

重复上述迭代过程,直至:

且同时满足:

de表示点到直线的距离,dh表示点到面的距离。

9.根据权利要求8所述的装载有主动旋转激光雷达的无人机的控制方法,其特征在于:

所述de和dh通过下式(七)、(八)解算获得:

其中,表示第k+1帧图像中第i个特征点转换到世界坐标系后对应特征点集合中的第i个点的坐标,

表示第k帧图像中第j个特征点转换到世界坐标系下的坐标值,

表示第k帧图像中第l个特征点转换到世界坐标系下的坐标值,

表示第k帧图像中第m个特征点转换到世界坐标系下的坐标值;

其中,点j是第k帧图像特征点在世界坐标系中离点i最近的点,

点l是点j所在扫描线中距离j最近的点,

点m是第k帧图像中离j最近的点。

10.根据权利要求9所述的主动旋转激光雷达系统,其特征在于,

通过下式(九)获得:

其中,r表示旋转矩阵,通过下式(十)实时获得:

r=i+ωsinθ+ω2(1-cosθ)(十)

i表示单位矩阵,

ω=t(k+1,i)(4:6)/||t(k+1,i)(4:6)||

θ=||t(k+1,i)(4:6)||。


技术总结
本发明公开了一种无人机上的主动旋转激光雷达系统及其控制方法,该系统及方法中设置能够旋转的激光雷达,在激光雷达主动旋转的过程中,因为IMU短期的高精准性,可以用IMU的姿态数据暂时代替激光雷达的里程计结果,在激光雷达采集到约束足够的数据时,选择使用激光雷达的里程计结果,具体来说,实时解算并判断激光雷达获得的数据图像是否可靠,在不可靠的情况下,主动旋转该激光雷达,以使得下一帧数据图像的可靠性提高,另外,通过设置特异性的非线性方程来处理激光雷达获得的数据图像,从而得到无人机的位姿,进而据此对无人机进行控制。

技术研发人员:林德福;郑章雄;吕军宁;金忍;王江;莫雳
受保护的技术使用者:北京理工大学
技术研发日:2021.03.17
技术公布日:2021.07.23
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