专利名称：一种用于无人飞行器作业的自动定高的控制方法
技术领域：
本发明涉及一种用于使无人飞行器自动保持相对距地飞行高度的自动控制系统。 特别是涉及一种基于二维激光扫描仪的无人飞行器自动定高的控制方法。
背景技术：
目前，在军事上用途广泛的无人飞行器，但由于其操作简便成本低廉的缘故，在民用领域也开始得到越来越广泛的应用。但由于目前广泛出现在民用应用场合的无人飞行器功能尚较为单一，缺乏对地面状况尤其是相对地面高度有效的感知手段。尤其是在无人飞行器面对低空飞行作业时，经常由于地面障碍物造成的各种影响引发坠机的严重后果，轻则飞行器坠毁，飞行器及地面设施设备损坏，造成经济财产损失，重则可造成人员伤亡。因此能够对无人飞行器距地高度进行测量便显得尤为重要。目前常用的飞行高度测量手段是使用GPS导航或者气压高度计提供的绝对海拔高度，再对照无人飞行器经纬度位置在地图上找出该位置地高，再用绝对海拔高度减去地高得到无人飞行器距地高度。但这种方式存在以下问题首先，作为民间使用的无人飞行器系统只能获取民用级的GPS导航数据，而民用级GPS导航分辨率一般在10米左右，因此用于测量距地高度明显精度不足；而气压高度计同样也存在精度不足的问题；另一个问题是在许多场合很难获取准确的当地地形图，无法得到飞行器位置的地高数据，因此从目前来看该方法尚不足以理想的解决问题。发明内容
为了克服现有的民用无人飞行器不能有效的感知距地高度及地面地形状况，容易发生触地碰撞事故的不足，本发明提供了一种较为经济的自动定高控制装置，该控制装置可以感知无人飞行器相对地面高度及地面地形状况，自动控制无人飞行器保持作业飞行高度，避开地面突起和障碍物。
本发明所解决其问题所采用的技术方案是在无人飞行器机体上安装二维激光扫描仪，对机体前方区域地面进行照射扫描，获得机体距离地面的高度以及地形扫描数据。再将激光扫描仪获取的数据实时导入嵌入式控制板中作相关运算处理，结合由本机惯性姿态测量单元传来的本机姿态角度数据，计算出飞行方向上是否存在碰撞可能，是否具有危险障碍物。若计算结果得出飞行器前方存在碰撞隐患，则嵌入式控制板向飞行控制器发出爬升指令，控制无人飞行器提高飞行高度躲避碰撞，也可以向地面操控台提供告警信息，提醒操控者及时手动控制躲避碰撞。
本发明的有益效果是使无人飞行器具备了一定的对地面感知能力，在进行低空作业可探测到来自地面的碰撞隐患，使无人飞行器能够及时采取措施规避障碍物。
本发明的另一个目的在于，提出了一种基于二维激光扫描仪的无人飞行器对地面自动定高的作业方法，依次包括以下步骤
(I) 二维激光扫描仪安装在稳定云台上，在飞行中始终稳定保持对地面照射的角度。
(2) 二维激光扫描仪将扫描数据传送给飞行器上嵌入式控制板，由嵌入式控制板对数据进行处理，计算前方地形状况和飞行相对高度，判定是否满足作业要求。
(3)若飞行相对高度和前方地形状况满足作业要求，则无人飞行器维持原飞行状态；若不满足作业要求，存在高度过低或者前方碰撞隐患，则嵌入式控制板向无人飞行器的飞行控制器发出爬升指令，直到恢复正常作业高度，当飞行高度过高时则向飞行控制器发出下降指令，使飞行器下降到设定的作业高度范围。
具体实施方式
在图I中，二维激光扫描仪I装在机首的稳定云台上，保持稳定的对地照射姿态。 嵌入式控制板2用于对二维激光扫描仪I的数据进行分析和计算，判定当前运行状况，当判定碰撞即将发生时，将指令发给无人飞行器的飞行控制器3，控制飞行器采取爬升或悬停避免碰撞。当地面地形下降时，则将下降指令发给飞行控制器3，以保持一定的距地飞行高度。
图2是本发明中嵌入式控制板的电路原理图，控制板核心由STM32F103ZET6处理器组成，由该处理器芯片实时采集二维激光扫描仪的对地面扫描数据，并进行实时数据解算和分析，判断对地相对高度是否满足作业要求，是否存在对地碰撞隐患，并生成飞行状态调整策略传送至飞行控制器。
控制板使用SL811HST芯片作为USB接口驱动，将二维激光扫描仪的扫描数据通过 USB端口传给STM32F103ZET6处理器。同时使用SN65VHD230芯片作为CAN总线接口驱动， 通过CAN总线与无人飞行器的飞行控制器进行数据通讯。
在图3中显示了系统运作的场景，二维激光扫描仪在无人飞行器运行时保持对前方地面的照射，获取二维扫描信息，判明前方地形状态。
图4是自动定高算法示意图。图3中坐标原点0代表二维激光扫描仪激光出发原点，以0为原点的坐标系横轴V为飞行器飞行的方向，实际运算中可从无人飞行器的惯性测量平台获取，a角为二维激光扫描仪照射平面与飞行器飞行方向V之间的夹角，也可从惯性测量平台的输出信息中得到。OA则为二维激光扫描仪的扫描光束照射至地表产生的测量光束，s平行于V，代表安全边界，s和V之间的距离h由二维激光扫描仪在机体上安装的相对位置和机体轮廓尺寸、一定的安全裕度确定，则设OA与s之间的交点B与原点0相连的线段OB长度为1，有h
I=-sin a
设OA长度为I'，则I'即为二维激光扫描仪实时扫描出的距离结果，由此可知当/'>/=!时，此时判断飞行器距地高度安全，可以调整飞行高度至r = I ;当 Sina厂</= J一时，此时判断飞行器飞行高度过低，出现碰撞隐患，应爬升至r彡I。 sma
上面所述的实施例仅仅对本发明的优选实施方式进行了描述，并非对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计构思前提下，本领域的技术人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图I是本发明的结构示意图2是本发明的嵌入式控制板电路原理图3是本发明的运作示意图4是本发明的算法示意图。
权利要求
1.一种用于无人飞行器作业自动定高的方法，其特征是所述方法利用二维激光扫描仪、嵌入式控制板和飞行控制器等装置，利用嵌入式控制板通过接收二维激光扫描仪的输出数据，通过本方法中所述计算公式，计算出无人飞行器距地高度并判断是否存在与障碍物碰撞可能；若判断存在障碍物碰撞可能，通过飞行控制器自动控制无人飞行器躲避碰撞， 保持作业高度。
2.根据权利要求I所述的无人飞行器作业自动定高的方法，其特征是所述二维激光扫描仪安装在无人飞行器的稳定云台上，并在无人飞行器飞行中保持与大地坐标系的相对姿态角。
3.一种基于二维激光扫描仪的无人飞行器对地面自动定高的作业方法，依次包括以下步骤(1)二维激光扫描仪安装在稳定云台上，在飞行中始终稳定保持对地面照射的角度；(2)二维激光扫描仪将扫描数据传送给飞行器上嵌入式控制板，由嵌入式控制板对数据进行处理，计算前方地形状况和飞行相对高度，判定是否满足作业要求；(3)若飞行相对高度和前方地形状况满足作业要求，则无人飞行器维持原飞行状态； 若不满足作业要求，存在高度过低或者前方碰撞隐患，则嵌入式控制板向无人飞行器的飞行控制器发出爬升指令，直到恢复正常作业高度，当飞行高度过高时则向飞行控制器发出下降指令，使飞行器下降到设定的作业高度范围。
全文摘要
本发明提供了一种基于二维激光扫描仪的无人飞行器作业自动定高的方法。所解决其问题所采用的技术方案是在无人飞行器机体上安装二维激光扫描仪，对机体前方区域地面进行照射扫描，获得机体距离地面的高度以及地形扫描数据。再将激光扫描仪获取的数据实时导入嵌入式控制板中作相关运算处理，结合由本机惯性姿态测量单元传来的本机姿态角度数据，计算出飞行方向上是否存在碰撞可能，是否具有危险障碍物。若计算结果得出飞行器前方存在碰撞隐患，则嵌入式控制板向飞行控制器发出爬升指令。本发明的有益效果是使无人飞行器具备了一定的对地面感知能力，在进行低空作业可探测到来自地面的碰撞隐患，使无人飞行器能够及时采取措施规避障碍物。
文档编号G05D1/04GK102541066SQ20111042256
公开日2012年7月4日 申请日期2011年12月16日 优先权日2011年12月16日
发明者张旭, 李贺春 申请人:新时代集团国防科技研究中心