本发明属于无人机技术领域。更具体地，涉及一种基于激光扫描地图构建系统的四轴飞行器及其方法。
背景技术：
四轴飞行器电子系统可由传感器及飞行控制两个子系统组成；传感器系统需要对无人机状态进行精确测量或估计，其将无人机位置、速度、姿态角、角速度等飞行状态传递给飞行控制子系统，并由其实现良好的飞行控制；传感器系统可细分为姿态传感器及位置传感器两类；常用姿态传感器由三轴加速度计、三轴陀螺仪、磁力计等mems元件组成，其在室内外均可使用；位置传感器则多采用gps、北斗等卫星定位导航系统，然而该种传感器难以在gps信号微弱的楼群间及室内环境中实现精确定位；国际上为解决无gps环境下精确定位问题，常用方法可分为基于vicon等运动捕获系统定位，基于机载摄像头定位及基于机载激光雷达定位三种；利用激光雷达作为机载位置传感器，相较于其他方法，具有定位精度高、对环境依赖程度较弱、利于向室外扩展等优势，是国际控制领域研究的热点问题。
室内地图构建装置主要有固定平台和移动机器人两种，基于固定平台的室内地图构建装置可以对距离相对固定的物体进行重构，由于其不可以移动，导致分辨率单一；移动机器人与激光扫描仪等测距模块配合使用虽然也可应用于室内环境的地图构建，但是有些室内的地面环境情况复杂，例如室内环境污染、火灾或有军事威胁等，存在着轮式机器人或履带机器人的移动不便的情况，从而导致了工作效率低甚至是无法工作。而且，一般的轮式机器人因不能爬楼梯，只能在某一楼层范围内进行探索，移动范围受到了限制；具有爬楼梯能力的履带机器人体型较大，在某些转角会出现转弯不便的情况，移动速度或范围都受到了限制，无法实现复杂环境的侦察和构图，从而影响了其应用价值与使用范围。另外，在轮式机器人或履带机器人的平台上，大多数激光扫描仪被固定在某一高度，使得创建的地图被局限于某一水平面上，导致环境信息的获取量被限制了。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是克服上述现有技术的不足，提供一种基于激光扫描地图构建系统的四轴飞行器。
本发明另一目的是提供使用所述基于激光扫描地图构建系统的四轴飞行器构建室内地图的方法。
本发明上述目的通过以下技术方案实现：
一种基于激光扫描地图构建系统的四轴飞行器，包括机架、处理器模块、传感器模块；
其中，所述机架包括螺旋桨、无刷电机、支撑脚、机臂轴和载板，所述机架从下向上分别设置有三层载板，第一层和第二层载板之间设置有呈十字形交叉的四个机臂轴，形成机架主体；每个机臂轴的端部固定安装有螺旋桨和用于驱动螺旋桨转动的无刷电机，各螺旋桨和无刷电机匹配使用；所述无刷电机下方设置有支撑脚；
所述处理器模块包括设置在第二层载板上的飞控中心和树莓派，所述飞控中心与树莓派通过串口通信构成自动避障系统；
所述传感器模块包括设置在第一层载板上的超声波传感器以及设置在第三层载板中央的激光扫描仪；
所述树莓派与超声波传感器电连接构成超声测距系统；所述树莓派与激光扫描仪通过usb线电连接组成地图构建系统，通过激光扫描仪采集飞行器周围的环境信息；所述飞控中心会执行来自树莓派与地面站的控制指令，实现整个飞行器的空中飞行、悬停、定位和姿态控制。
本发明利用四轴飞行器作为移动平台，并设置有飞控中心，树莓派与超声波传感器组成测距系统，通过超声波传感器获得障碍物的相对距离，由树莓派分析飞行器与障碍物的相对距离，结合飞行器的运动状态，以规避飞行中与障碍物碰撞；树莓派与激光扫描仪组成地图构建系统，通过激光扫描仪采集飞行器周围的环境信息；树莓派与飞控中心通过串口通信构成自动避障系统，树莓派根据障碍物的距离信息向飞控中心传送飞行控制指令，基于树莓派的ros系统与粒子滤波技术对激光扫描数据处理并且采用栅格模型构建地图。
本发明有针对性的将超声波传感器测距技术、激光雷达扫描技术与四轴飞行器进行结合，发挥各自优势，同时突破未知内地面环境复杂使普通地面机器人无法进入的难题，具有根据室内环境自主规划路径与自主导航飞行能力，自主避免与室内墙壁或障碍物碰撞，同时提高室内地图构建的分辨率，具有作业能力强、智能化程度高、效率高等优点。
优选地，所述超声波传感器设置在第一层载板上的前、后、左、右、下五个正方向。位于飞行器五个正方向的超声波传感器实时检测飞行器与前方、侧面、地面或下方物体的相对距离，一方面用于与下方物体或地面保持安全距离，另一方面用于在安全距离的范围内，用户可调节飞行器在不同高度的悬停以进行扫描构建地图。
优选地，所述支撑脚由不同形状的固定板组成；不同形状的固定板之间相互卡紧。
更优选地，所述固定板包括水平设置并且与机臂轴线平行的第一固定板、竖直设置的第二固定板、水平设置并且与机臂轴线垂直的第三固定板；第一固定板用于固定无刷电机，同时与机臂轴固定连接；第二固定板卡紧第一固定板；第三固定板卡紧第二固定板。
本发明所述固定板为亚克力切割板。
优选地，第一层和第二层载板之间设有用于固定机臂轴的轴夹，所述机臂轴通过螺栓和轴夹固定连接。
优选地，第二层载板与第三层载板之间的距离为40～60mm。
更优选地，第二层载板与第三层载板之间的距离为50mm。
优选地，第一层载板、第二层载板与第三层载板之间相互平行。
优选地，第一层载板与第二层载板之间通过螺栓和轴夹连接。
优选地，第二层载板与第三层载板之间通过螺钉和铜柱连接。
优选地，所述飞控中心为pix4飞控中心。
优选地，所述飞控中心的处理器为stm32处理器。
优选地，所述机架的尺寸为420mm×420mm（包括螺旋桨的旋转范围）。
优选地，所述超声波传感器的trig引脚与树莓派主板的gpio2（pin3）连接，echo引脚先连接一个1k电阻再进一步连接树莓派主板的gpio3（pin5），在连接1k电阻与gpio3之间的线路引出一个带2k电阻的电路接到gnd，1k和2k电阻组成了一个分压电路，使gpio3脚的电压降到了3.3v左右。
优选地，所述树莓派主板的txd0（pin8）、rxd0（pin10）引脚分别与飞控中心的stm32芯片的usart1_rx（pa10）与usart1_tx（pa9）引脚电连接。
优选地，所述树莓派配置有ros操作系统。
本发明同时设置有测距系统、地图构建系统和自动避障系统，本发明还提供了使用所述的基于激光扫描地图构建系统的四轴飞行器进行构建室内地图的方法。
优选地，所述四轴飞行器在树莓派中实现粒子滤波算法，利用所得到的信息完成自身位置估计，同时基于此信息，创建所处环境的栅格地图，实现即时定位与地图构建。
具体优选地，所述即时定位与地图构建的运行方法，包括以下步骤：
s11.在树莓派8的rosgmapping包中，获取激光扫描数据传入openslamgmapping包中，为新一时刻的建图做准备；
s12.根据t-1时刻的粒子位姿数据，预测t时刻的粒子位姿，在初始值的基础上增加高斯采样的噪声估计；
s13.采用30个采样粒子，对每个粒子执行扫描匹配算法，找到每个粒子在t时刻位姿的最佳坐标，即每个粒子将会产生一个与之相对应的预测粒子，为后面每个粒子权重更新做准备；
s14.通过粒子滤波算法对预测粒子进行评价，越接近于真实状态的粒子，其权重越大，反之，与真实值相差较大的粒子，其权重越小；
s15.根据粒子权重对粒子进行筛选，筛选过程中，大量保留权重大的粒子的同时又要有一小部分权重小的粒子，就在权值较高的粒子附近加入一些新的粒子，保证粒子总数不变；
s16.将重采样后的粒子又执行扫描匹配算法得到新的预测粒子，然后将它们继续进行步骤s14和步骤s15的过程，经过这种循环迭代，最终绝大部分粒子会聚集在与真实值最接近的区域内，从而得到飞行器的准确位置，实现准确定位；同时，每个粒子都携带一个路径地图，综合整个运算过程选取最优的粒子，即可获得规划区域的栅格地图；
s17.地面站通过无线方式向飞行器发送控制指令，调整飞行器在室内的高度，重复步骤s11至步骤s16，实现不同高度上的多分辨的室内地图构建。
所述步骤s14中，飞行器在移动时，激光扫描仪会返回周围的位置信息，如果这些信息与期望值相差较大，或者在运动中某些粒子本应该没有碰到障碍或者边界，然而在运算中却到达甚至穿过了障碍点或边界，该种粒子为坏点粒子，需要降低该粒子权重。不断进行循环迭代，逐步减小误差，完成飞行器自定位和地图构建。
所述树莓派根据障碍物的距离信息向飞控中心传送飞行控制指令，包括：若检测到超声波传感器与障碍物的距离差值稳定在预设范围内，则树莓派通过指令使四轴飞行器自动悬停，等待操作者发送动作指令；若检测到某方向上的超声波传感器与障碍物的距离小于该相对方向上的障碍物距离，则所述飞控中心增大该方向上的两个无刷电机的转速，使四轴飞行器往障碍物距离较大的一方移动，从而使得四轴飞行器保持在障碍物与障碍物之间的中央范围。
更优选地，所述四轴飞行器两端的距离的差值稳定在预设的0～15cm范围内。
进一步优选地，自动避障系统的避障指令的优先级高于遥控飞行指令的优先级，防止人为因素导致飞行器撞上障碍物。
构建的栅格地图在树莓派的ros系统生成，通过带ros系统的用户电脑与所述树莓派的ros系统建立远程连接，运行相关指令，可在带ros系统的用户电脑实时看到飞行器携带激光扫描仪进行地图构建的过程。
本发明中，飞控中心和树莓派除了控制飞行器本身的稳定性之外，通过超声波传感器和激光扫描仪测定飞行器的姿态、航向、飞行速度，结合近处障碍物位置与分布、环境图像的特征、环境图像的分析，确定每一步的前进方向、前进速度、避障移动，把飞行器的运动计算与环境计算综合分析，以确定飞行器的飞行控制与导航路线。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明的四轴飞行器机动性能好，搭载激光扫描仪获取环境的数据速度快、效率高；超声波测距系统能够实时感知飞行器与室内障碍物的相对距离，结合飞行控制系统，实时调整飞行器保持在障碍物与障碍物之间的中间范围移动，保障其安全性，并且为路径规划提供技术基础；同时，四轴飞行器能够方便且准确地调整高度，扫描不同的水平面，获取不同高度上的二维地图，从而能够获取更多的环境信息，其具有很好的实用价值。
附图说明
图1为基于激光扫描地图构建系统的四轴飞行器的轴侧视图。
图2为基于激光扫描地图构建系统的四轴飞行器的主视图。
图3为支撑脚的结构示意图。
图4为基于激光扫描地图构建系统的四轴飞行器的电性连接示意图。
其中，1-螺旋桨；2-无刷电机；3-支撑脚；4-机臂轴；5-轴夹；6-载板；7-pix4飞控中心；8-树莓派；9-超声波传感器；10-激光扫描仪；31-第一固定板；32-第二固定板；33-第三固定板。
具体实施方式
以下结合具体实施例来进一步说明本发明，附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。
实施例1
下面对本发明的技术方案进行详细说明：
1、一种基于激光扫描地图构建系统的四轴飞行器
（1）一种基于激光扫描地图构建系统的四轴飞行器的总体结构如图1和图2所示，包括机架、处理器模块、传感器模块。该机架尺寸为420mm×420mm（包括螺旋桨的旋转范围），包括螺旋桨1、无刷电机2、支撑脚3、机臂轴4、轴夹5和载板6。
其中，螺旋桨1安装在无刷电机2上方并用六角薄螺母锁紧；支撑脚3的上方设置有无刷电机2、往机架中心方向设置有机臂轴4，该机臂轴4通过四个轴夹5与螺栓固定在第一、第二层载板的中间，呈十字形交叉形，形成了机架的主体；在第二层载板上方附加性的设置有第三层载板，第三层载板与第二层载板之间的距离为50mm。
如图3所示，支撑脚3由六块三种不同形状的固定板组成；不同形状的固定板之间相互卡紧；具体是：水平方向设置并且与机臂轴线平行的第一固定板31用于固定无刷电机2，并且同时通过三个螺栓固定连接于机臂轴4；竖直方向设置的第二固定板32用于卡紧第一固定板31；而水平方向设置并且与机臂轴4线垂直的第三固定板33用于卡紧竖直方向设置的第二固定板32。本实施例中固定板为亚克力切割板。
（2）本实施例的处理器模块包括以stm32为处理器的pix4飞控中心7和树莓派8，飞控中心7和树莓派8均设置在机架的第二层载板上；传感器模块包括设置在第一层载板的前、后、左、右、下五个正方向上的超声波传感器9和设置在第三层载板的中央激光扫描仪10；树莓派8与超声波传感器9组成测距系统，通过超声波传感器9获得障碍物的相对距离，由树莓派8分析飞行器与障碍物的相对距离，结合飞行器的运动状态，以规避飞行中与障碍物碰撞；树莓派8与激光扫描仪10组成地图构建系统，通过激光扫描仪10采集飞行器周围的环境信息；pix4飞控中心7会执行来自树莓派与地面站的控制指令；树莓派8与pix4飞控中心7通过串口通信构成自动避障系统，树莓派8根据障碍物的距离信息向pix4飞控中心7传送飞行控制指令，基于树莓派8的ros系统与粒子滤波技术对激光扫描数据处理并且采用栅格模型构建地图。
（3）图2为主视图，即为飞行器的前方，如图4所示，飞行器前方的超声波传感器9的trig引脚与树莓派主板8的gpio2（pin3）连接，echo引脚先连接一个1k电阻再进一步连接树莓派主板8的gpio3（pin5），在连接1k电阻与gpio3之间的线路引出一个带2k电阻的电路接到gnd，1k和2k电阻组成了一个分压电路，使gpio3脚的电压降到了3.3v左右；gpio2设为输出模式，gpio3设为输入模式，树莓派8向trig脚发送一个10us的脉冲信号，接收到这个脉冲后，hc-sr04发射出超声波，同时把echo置为高电平（在发射之前，echo一直为低电平），然后准备接收返回的超声波，接受超声波之后echo为低电平，得到超声波从发射到返回的时间间隔，进一步算出障碍物的距离；其余超声波传感器9包括右方、后方、左方、下方的超声波传感器，按上述方式连接其他的gpio脚；位于飞行器下方的超声波传感器9实时检测飞行器与地面或下方物体的相对距离，一方面用于与下方物体或地面保持安全距离，另一方面用于在安全距离的范围内，用户可调节飞行器在不同高度的悬停以进行扫描构建地图；
树莓派主板8的txd0（pin8）、rxd0（pin10）引脚分别与pix4飞控中心7的stm32芯片的usart1_rx（pa10）与usart1_tx（pa9）引脚电连接；树莓派8与飞控中心7通过串口通信，激光扫描仪10与树莓派8通过usb线进行电连接。
2、一种使用该基于激光扫描地图构建系统的四轴飞行器构建室内地图的方法，包括以下步骤：
s1.同步定位与地图构建；其中，飞行器在树莓派8的ros系统中实现粒子滤波算法，利用所得到的信息完成自身位置估计，同时基于此信息，创建所处环境的栅格地图，实现飞行器的即时定位与地图构建；
s2.路径规划与自主避障；树莓派8根据障碍物的距离信息向飞控中心7传送飞行控制指令，包括：若检测到超声波传感器9与障碍物的距离的差值稳定在在预设的0～15cm范围内，则树莓派8通过指令0x00使飞行器自动悬停，等待操作者发送动作指令；若检测到某方向上的超声波传感器9与障碍物的距离小于该相对方向上的障碍物距离，则飞控中心7增大该方向上的两个无刷电机2的转速，使飞行器往障碍物距离较大的一方移动，从而使得飞行器保持在障碍物与障碍物之间的中央范围；另外，自动避障系统的避障指令的优先级比遥控飞行指令的优先级要高，使得防止人为因素导致飞行器撞上障碍物。
具体地，步骤s1的运行步骤包括：
（1）在rosgmapping包中，获取激光扫描数据传入openslamgmapping包中，为新一时刻的建图做准备；
（2）根据t-1时刻的粒子位姿数据，预测t时刻的粒子位姿，在初始值的基础上增加高斯采样的噪声估计（noisypoint）；
（3）采用30个采样粒子，对每个粒子执行扫描匹配算法，找到每个粒子在t时刻位姿的最佳坐标，即每个粒子将会产生一个与之相对应的预测粒子，为后面每个粒子权重更新做准备；
（4）通过算法对预测粒子进行评价，越接近于真实状态的粒子，其权重越大，反之，与真实值相差较大的粒子，其权重越小，飞行器移动过程中，激光雷达会返回周围的位置信息，如果这些信息与期望值相差较大，或者在运动中某些粒子本应该没有碰到障碍或者边界，然而在运算中却到达甚至穿过了障碍点或边界，该种粒子为坏点粒子，需要降低该粒子权重；
（5）根据粒子权重对粒子进行筛选，筛选过程中，大量保留权重大的粒子的同时又要有一小部分权重小的粒子，就在权值较高的粒子附近加入一些新的粒子，保证粒子总数不变；
（6）将重采样后的粒子又执行扫描匹配算法得到新的预测粒子，然后将它们继续进行上述（4）、（5）过程，经过这种循环迭代，最终绝大部分粒子会聚集在与真实值最接近的区域内，从而得到飞行器准确的位置，实现定位；每个粒子都携带一个路径地图，综合整个运算过程选取最优的粒子，即可获得规划区域的栅格地图；
（7）地面站通过无线方式向飞行器发送控制指令，调整飞行器在室内的高度，重复步骤（1）至步骤（7），实现不同高度上的多分辨的室内地图构建。
该栅格地图在树莓派8的ros系统生成，通过带ros系统的用户电脑与树莓派8的ros系统建立远程连接，运行相关指令，可在带ros系统的用户电脑实时看到飞行器携带激光扫描仪10进行地图构建的过程。