基于激光雷达的无人机地形跟随系统及方法
【专利摘要】本发明是基于激光雷达的无人机地形跟随系统及方法，系统包括相对高度测量模块、其他传感器模块、飞行控制系统；方法包括如下步骤：第一步，激光雷达获取飞行环境的相对高度信息，雷达采集处理单元进行雷达数据的采集及预处理计算，并将处理的结果传输给飞行控制系统；第二步，基于扩展卡尔曼滤波器的传感器数据融合模块接收来自相对高度测量模块的相对高度数据信息和来自其他传感器模块的飞行状态信息，通过基于扩展卡尔曼滤波器的传感器数据融合模块进行融合处理，生成飞行指令；第三步，飞行指令经过飞行控制，经数据传输模块发送出飞行指令到无人机舵机组。本发明解决了无人机相对高度测量、定高飞行及自主起飞降落的问题。
【专利说明】
基于激光雷达的无人机地形跟随系统及方法
技术领域
[0001]本发明涉及无人机控制系统领域，尤其涉及基于激光雷达的无人机地形跟随系统及方法。
【背景技术】
[0002]无人机即无人驾驶飞行器，无人机采用卫星定位、遥感、地理空间、航空航天、自动控制、计算机辅助分析等高新技术，可服务于国土、测绘、林业、交通、水利及军事等多个领域。
[0003]近年来随着无人飞行器技术的快速发展，也使得人机技术应用于各个领域。其中在农业航空领域发挥了重要作用，典型的案例就是用于农林植物保护作业的无人驾驶飞机(简称植保无人飞行器)，植保无人飞行器的诞生对农业的影响巨大，但就目前的行业现状来看，市面上的植保无人飞行器的款式很多，但是这些机器的统一特点就是需要依靠飞控手的熟练的操作才能去作业，然而植保无人飞行器的作业环境复杂，地势高低不平，给植保无人飞行器作业提出了更高的要求。
[0004]无人飞行器的高度保持大多采用给飞行控控制器增加气压定高模块，GPS等等，但是对于地势高低不平的农田来说气压定高的便无法满足需求，需要人为的调整油门来控制无人飞行器与农作物的高度保持一致，进而达到药物喷洒均匀的要求。所以现有的植保无人飞行器气压定高还是不能适应复杂地形的作业。
[0005]此外无人飞行器在起飞和着陆过程当中，尤其是在自主飞行中的起飞和着陆中，对高度数据有高精度的要求。无人飞行器目前使用的高度计主要有气压高度计、无线电高度计、GPS高度计、超声波高度计等。气压高度计测量范围宽，但误差较大;无线电高度计测量准确，但容易受到无线电信号的干扰;GPS高度计存在信号不稳定的问题;超声波高度计测量范围太小，且易受环境温度及空气流动影响。无人飞行器在低空飞行时，尤其是在起飞和着陆时对高度的测量有很高的要求，因而迫切需要解决无人飞行器飞行时的高度测量问题。
【发明内容】
[0006]本发明为实现上述目的，提供基于激光雷达的无人机地形跟随系统，包括相对高度测量模块、其他传感器模块、飞行控制系统；
[0007]所述相对高度测量模块，包括激光雷达和雷达采集处理单元，所述激光雷达获取飞行环境的相对高度信息，所述雷达采集处理单元，包括一个ARM主芯片，负责完成雷达数据的采集及预处理计算，并将处理的结果传输给飞行控制系统；
[0008]所述其他传感器模块，包括IMU、三轴磁罗盘、GPS和气压计，用以获取无人机的飞行状态信息；
[0009]所述飞行控制系统，包括基于扩展卡尔曼滤波器的传感器数据融合模块、飞行控制器和数据传输模块;基于扩展卡尔曼滤波器的传感器数据融合模块的输出端与飞行控制器的输入端相连，飞行控制器的输出端与数据传输模块的输入端相连;基于扩展卡尔曼滤波器的传感器数据融合模块用来接收来自相对高度测量模块的相对高度数据信息和来自其他传感器模块的飞行状态信息，通过基于扩展卡尔曼滤波器的传感器数据融合模块进行融合处理，生成飞行指令，通过数据传输模块发送飞行指令，以控制无人机的舵机组实现多样地形的跟随飞行及自主起降；
[0010]所述无人机，包括舵机组，所述舵机组根据飞行控制器的飞行指令进行飞行，实现地形跟随及自主起降飞行功能。
[0011 ]进一步，所述基于激光雷达的无人机地形跟随系统，设有飞行状态指示模块，用于指示无人飞行器的飞行状态，以实现飞行状态的显示及预警。
[0012]进一步，所述的基于激光雷达的无人机地形跟随系统，还包括遥控器和地面站，所述遥控器与无人机的舵机组之间、遥控器与数据传输模块之间，数据传输模块与地面站之间，均以无线链路的方式进行通信；
[0013]进一步，所述激光雷达，由发射系统、接收系统、信息处理系统组成；
[0014]所述发射系统由激光器与光学扩束单元组成，以激光器作为发射光源，采用光电探测技术进行光学发射；
[0015]所述接收系统包括望远镜和光电探测器。
[0016]进一步，所述激光器为二氧化碳激光器、半导体激光器或波长可调谐的固体激光器中的一种。
[0017]进一步，所述光电探测器为光电倍增管、半导体光电二极管、雪崩光电二极管、红外和可见光多元探测器件的一种或多种组合。
[0018]基于激光雷达的无人机地形跟随方法，包括如下步骤:
[0019]第一步，激光雷达获取飞行环境的相对高度信息，雷达采集处理单元进行雷达数据的采集及预处理计算，并将处理的结果传输给飞行控制系统；
[0020]第二步，基于扩展卡尔曼滤波器的传感器数据融合模块接收来自相对高度测量模块的相对高度数据信息和来自其他传感器模块的飞行状态信息，通过基于扩展卡尔曼滤波器的传感器数据融合模块进行融合处理，生成飞行指令；
[0021]第三步，飞行指令经过飞行控制，经数据传输模块发送出飞行指令到无人机舵机组；
[0022]第四步，无人机的舵机组根据飞行指令实现多样地形的跟随飞行及自主起降；
[0023]第五步，飞行控制系统可通过无线链路经遥控器控制无人机的舵机组；
[0024]第六步，通过地面站获取地面端人员及计算机产生的控制命令，同时将命令通过无线链路发送给数据传输模块，以实现基于地面端数据的控制飞行。
[0025]本发明的有益效果是:本发明所述的基于激光雷达的无人机地形跟随系统及方法，系统结构简单，体积小，使用方便，而且具有相对高度测量、定高飞行及自主起飞降落的功能，有效地解决了无人飞行器飞行控制问题，具有较强的可靠性能;可以克服了现有的定高缺陷，能够保持与农作物的高度一致，使得农作物的药物喷洒均匀，从而可有效的防治病虫害的基于植保无人飞行器超声波可控定高作业系统。
【附图说明】
[0026]图1为本发明所述的基于激光雷达的无人机地形跟随系统的系统框图；
[0027]图2为本发明所述的基于扩展卡尔曼滤波器的传感器数据融合的过程图。
【具体实施方式】
[0028]以下将结合本发明的实施例参照附图进行详细叙述。
[0029]基于激光雷达的无人机地形跟随系统，包括相对高度测量模块、其他传感器模块、飞行控制系统；
[0030]所述相对高度测量模块，包括激光雷达和雷达采集处理单元，所述激光雷达获取飞行环境的相对高度信息，所述雷达采集处理单元，包括一个ARM主芯片，负责完成雷达数据的采集及预处理计算，并将处理的结果传输给飞行控制系统；
[0031]所述其他传感器模块，包括IMU、三轴磁罗盘、GPS和气压计，用以获取无人机的飞行状态信息；
[0032]所述飞行控制系统，包括基于扩展卡尔曼滤波器的传感器数据融合模块、飞行控制器和数据传输模块;基于扩展卡尔曼滤波器的传感器数据融合模块的输出端与飞行控制器的输入端相连，飞行控制器的输出端与数据传输模块的输入端相连;基于扩展卡尔曼滤波器的传感器数据融合模块用来接收来自相对高度测量模块的相对高度数据信息和来自其他传感器模块的飞行状态信息，通过基于扩展卡尔曼滤波器的传感器数据融合模块进行融合处理，生成飞行指令，通过数据传输模块发送飞行指令，以控制无人机的舵机组实现多样地形的跟随飞行及自主起降；
[0033]所述无人机，包括舵机组，所述舵机组根据飞行控制器的飞行指令进行飞行，实现地形跟随及自主起降飞行功能。
[0034]进一步，所述基于激光雷达的无人机地形跟随系统，设有飞行状态指示模块，用于指示无人飞行器的飞行状态，以实现飞行状态的显示及预警；
[0035]进一步，所述的基于激光雷达的无人机地形跟随系统，还包括遥控器和地面站，所述遥控器与无人机的舵机组之间、遥控器与数据传输模块之间，数据传输模块与地面站之间，均以无线链路的方式进行通信；
[0036]进一步，所述激光雷达，由发射系统、接收系统、信息处理系统组成。
[0037]所述发射系统由激光器与光学扩束单元组成，以激光器作为发射光源，采用光电探测技术进行光学发射；
[0038]所述接收系统包括望远镜和光电探测器。
[0039]进一步，所述激光器为二氧化碳激光器、半导体激光器或波长可调谐的固体激光器中的一种。
[0040]进一步，所述光电探测器为光电倍增管、半导体光电二极管、雪崩光电二极管、红外和可见光多元探测器件的一种或多种组合。
[0041]基于激光雷达的无人机地形跟随方法，包括如下步骤:
[0042]第一步，激光雷达获取飞行环境的相对高度信息，雷达采集处理单元进行雷达数据的采集及预处理计算，并将处理的结果传输给飞行控制系统；
[0043]第二步，基于扩展卡尔曼滤波器的传感器数据融合模块接收来自相对高度测量模块的相对高度数据信息和来自其他传感器模块的飞行状态信息，通过基于扩展卡尔曼滤波器的传感器数据融合模块进行融合处理，生成飞行指令；
[0044]第三步，飞行指令经过飞行控制，经数据传输模块发送出飞行指令到无人机舵机组；
[0045]第四步，无人机的舵机组根据飞行指令实现多样地形的跟随飞行及自主起降；
[0046]第五步，飞行控制系统可通过无线链路经遥控器控制无人机的舵机组；
[0047]第六步，通过地面站获取地面端人员及计算机产生的控制命令，同时将命令通过无线链路发送给数据传输模块，以实现基于地面端数据的控制飞行。
[0048]无人飞行器控制系统基于yC/OS-1I提供的系统调度为基础，根据无人飞行器直升机飞行控制工作原理，通过采集的传感器信息、存储的相关状态和数据以及无线电测控终端发过来的上行遥控或地面站规划的指令与数据，经判断、运算和处理之后，输出指令给伺服执行机构即舵机系统，控制操纵无人飞行器的舵面、发动机的油门，以控制无人直升机的飞行。
[0049]以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
【主权项】
1.基于激光雷达的无人机地形跟随系统，其特征在于，包括相对高度测量模块、其他传感器模块、飞行控制系统； 所述相对高度测量模块，包括激光雷达和雷达采集处理单元，所述激光雷达获取飞行环境的相对高度信息，所述雷达采集处理单元，包括一个ARM主芯片，负责完成雷达数据的采集及预处理计算，并将处理的结果传输给飞行控制系统； 所述其他传感器模块，包括MU、三轴磁罗盘、GPS和气压计，用以获取无人机的飞行状态?目息; 所述飞行控制系统，包括基于扩展卡尔曼滤波器的传感器数据融合模块、飞行控制器和数据传输模块;基于扩展卡尔曼滤波器的传感器数据融合模块的输出端与飞行控制器的输入端相连，飞行控制器的输出端与数据传输模块的输入端相连;基于扩展卡尔曼滤波器的传感器数据融合模块用来接收来自相对高度测量模块的相对高度数据信息和来自其他传感器模块的飞行状态信息，通过基于扩展卡尔曼滤波器的传感器数据融合模块进行融合处理，生成飞行指令，通过数据传输模块发送飞行指令，以控制无人机的舵机组实现多样地形的跟随飞行及自主起降； 所述无人机，包括舵机组，所述舵机组根据飞行控制器的飞行指令进行飞行，实现地形跟随及自主起降飞行功能。2.根据权利要求1所述的基于激光雷达的无人机地形跟随系统，其特征在于，所述基于激光雷达的无人机地形跟随系统，设有飞行状态指示模块，用于指示无人飞行器的飞行状态，以实现飞行状态的显示及预警。3.根据权利要求1或2所述的基于激光雷达的无人机地形跟随系统，其特征在于，所述的基于激光雷达的无人机地形跟随系统，还包括遥控器和地面站，所述遥控器与无人机的舵机组之间、遥控器与数据传输模块之间，数据传输模块与地面站之间，均以无线链路的方式进行通信。4.根据权利要求1或2所述的基于激光雷达的无人机地形跟随系统，其特征在于，所述激光雷达由发射系统、接收系统、信息处理系统组成； 所述发射系统由激光器与光学扩束单元组成，以激光器作为发射光源，采用光电探测技术进行光学发射； 所述接收系统包括望远镜和光电探测器。5.根据权利要求4所述的基于激光雷达的无人机地形跟随系统，其特征在于，所述激光器为二氧化碳激光器、半导体激光器或波长可调谐的固体激光器中的一种。6.根据权利要求4所述的基于激光雷达的无人机地形跟随系统，其特征在于，所述光电探测器为光电倍增管、半导体光电二极管、雪崩光电二极管、红外和可见光多元探测器件的一种或多种组合。7.基于激光雷达的无人机地形跟随方法，其特征在于，包括如下步骤: 第一步，激光雷达获取飞行环境的相对高度信息，雷达采集处理单元进行雷达数据的采集及预处理计算，并将处理的结果传输给飞行控制系统； 第二步，基于扩展卡尔曼滤波器的传感器数据融合模块接收来自相对高度测量模块的相对高度数据信息和来自其他传感器模块的飞行状态信息，通过基于扩展卡尔曼滤波器的传感器数据融合模块进行融合处理，生成飞行指令； 第三步，飞行指令经过飞行控制，经数据传输模块发送出飞行指令到无人机舵机组； 第四步，无人机的舵机组根据飞行指令实现多样地形的跟随飞行及自主起降； 第五步，飞行控制系统可通过无线链路经遥控器控制无人机的舵机组； 第六步，通过地面站获取地面端人员及计算机产生的控制命令，同时将命令通过无线链路发送给数据传输模块，以实现基于地面端数据的控制飞行。
【文档编号】G05D1/10GK105824322SQ201610312261
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年5月11日
【发明人】齐俊桐, 卢翔
【申请人】飞智控（天津）科技有限公司, 一飞智控(天津)科技有限公司