基于激光雷达的四旋翼无人机自主定位及控制方法
【专利摘要】本发明属于四旋翼无人机自主飞行控制研究的【技术领域】，为提出一套新的基于二维激光雷达的自主定位方法，及基于此定位方法及其它机载MEMS芯片的四旋翼无人机控制系统设计方法，为此，本发明采用的技术方案是，基于激光雷达的四旋翼无人机自主定位及控制方法，首先利用二维激光雷达进行无人机水平方向的初步定位，利用机载气压计得到无人机的高度方向的初步位置值；之后利用互补滤波算法，结合机载加速度计芯片，获得更高频率的无人机位置信息；最后基于此位置信息，应用于无GPS信号下的无人机控制系统。本发明主要应用于无人机自主飞行控制装置的设计制造。
【专利说明】基于激光雷达的四旋翼无人机自主定位及控制方法
【技术领域】
[0001]本发明属于四旋翼无人机自主飞行控制研究的【技术领域】，具体讲，涉及四旋翼无人机自主定位及控制方法；
【背景技术】
[0002]无人驾驶飞机简称无人机，是一种利用无线电遥控或自身程序控制为主的不载人飞机；与载人飞机相比，无人机具有体积小、造价低、使用方便等优点；根据其结构设计的不同，无人机可分为固定翼和旋翼两种类型；四旋翼无人机属于旋翼无人机中的一种，其具有体积小巧、结构简单、安全性高以及对飞行空间要求低等优点，在军用及民用领域有着广阔的应用前景，包括地形测绘、电网维护、航空运输、灾难搜救以及跟踪监视等实际应用；四旋翼无人机是一种典型的欠驱动、强耦合、静不稳定的非线性系统，对其进行飞行控制研究有着重要的理论价值；国外对于四旋翼无人机研究起步较早，技术也更加成熟；例如美国宾夕法尼亚大学、麻省理工学院，佐治亚理工大学，德国弗莱堡大学，瑞士苏黎世联邦理工及法国、澳大利亚、日本、韩国等国家的科研团队，已经取得了较为深入的科研成果；现在正在向更加复杂的机动动作，更加完备的任务执行方面进行研究；近年来，国内也在逐步开展对四旋翼无人机的研究，如中国科学院、清华大学、国防科技大学、北京航空航天大学、东北大学等知名高校均进行了一定的研究；
[0003]四旋翼无人机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；
[0004]然而在我国针对无GPS信号环境，设计一套基于激光雷达的四旋翼无人机自主定位及控制系统尚处于研究起步阶段，因此设计一套定位精确、功能完善、易扩展、控制性能良好的无人机定位及控制系统具有极大的理论价值及意义，并可拓宽四旋翼无人机的应用领域；
【发明内容】
[0005]本发明旨在克服现有技术的不足，提出一套新的基于二维激光雷达的自主定位方法，及基于此定位方法及其它机载MEMS芯片的四旋翼无人机控制系统设计方法，为此本发明采用的技术方案是，基于激光雷达的四旋翼无人机自主定位及控制方法，首先利用二维激光雷达进行无人机水平方向的初步定位，利用机载气压计得到无人机的高度方向的初步位置值；之后利用互补滤波算法，结合机载加速度计芯片，获得更高频率的无人机位置信息；最后基于此位置信息，应用于无GPS信号下的无人机控制系统。
[0006]实际上本发明所采用的定位方法由以下两个阶段完成:
[0007]第一个阶段为较低频率的三维位置裸数据获取阶段。其中平面二维位置主要使用激光雷达的定位算法，其包含三维投影、换图策略及匹配定位三个部分，产生二维平面定位裸数据；而高度方向裸数据由机载气压计芯片测量数据获取。
[0008]第二个阶段为更高频率定位数据获取阶段。其具体基于互补滤波器实现，使用机载加速度计融合第一阶段产生的裸数据，得到更新速率更高的位置数据。
[0009]基于激光雷达的水平方向初步定位具体步骤为:
[0010]I)三维环境模型向二维平面投影
[0011]利用机器人运动学坐标变换方法，并结合机载惯性导航单元得到的欧拉角，将激光雷达扫描得到的参考图像及当前图像投影到水平面上，在这一平面上，再利用二维平面匹配方法进行位移及角度测量，从而得到无人机在水平方向上精确的位置信息，具体步骤如下，设激光雷达在时刻t，按逆时针顺序第i条激光束在三维空间中扫描测到点P!，其在
激光雷达坐标系下定义为片=[C0s(A)^in⑷V〗，Of，其中Θ i代表该条激光束所在角度，A代表该条激光束测得的距离，与此同时根据机载惯性导航单元，测得激光雷达所处滚转角为Y、俯仰角为β，则通过(I)式，将V投影至世界坐标系中:
【权利要求】
1.一种基于激光雷达的四旋翼无人机自主定位及控制方法，其特征是，首先利用二维激光雷达进行无人机水平方向的初步定位，利用机载气压计得到无人机的高度方向的初步位置值；之后利用互补滤波算法，结合机载加速度计芯片，获得更高频率的无人机位置信息；最后基于此位置信息，应用于无GPS信号下的无人机控制系统。
2.如权利要求1所述的基于激光雷达的四旋翼无人机自主定位及控制方法，其特征是，基于激光雷达的水平方向初步定位具体步骤为: 1)三维环境模型向二维平面投影 利用机器人运动学坐标变换方法，并结合机载惯性导航单元得到的欧拉角，将激光雷达扫描得到的参考图像及当前图像投影到水平面上，在这一平面上，再利用二维平面匹配方法进行位移及角度测量，从而得到无人机在水平方向上精确的位置信息，具体步骤如下，设激光雷达在时刻t，按逆时针顺序第i条激光束在三维空间中扫描测到点if，其在激光雷达坐标系下定义为片=[coS(dSin⑷);;，0f，其中Θ i代表该条激光束所在角度，r,代表该条激光束测得的距离，与此同时根据机载惯性导航单元，测得激光雷达所处滚转角为Y、俯仰角为β，则通过(I)式，将泞投影至世界坐标系中:
3.如权利要求1所述的基于激光雷达的四旋翼无人机自主定位及控制方法，其特征是，利用720MHz ARM处理芯片执行水平方向定位方法，其输出数据更新频率介于10_20Hz之间。
4.如权利要求1所述的基于激光雷达的四旋翼无人机自主定位及控制方法，其特征是，基于机载气压计芯片的的高度方向初步定位具体为:采用无人机机载气压计芯片对无人机高度进行测量，具体为:首先有效排除无人机旋翼运转对气压计芯片附近气流的影响，即将装载气压计芯片的飞行控制系统安置于封闭性能较好的塑料盒中，并利用海绵等材料阻塞塑料盒与气压计芯片间的缝隙，从而有效排除了无人机旋翼运转对气压计芯片附近气流的影响；之后采集机载MEMS气压计测得数据，其更新频率为10Hz。
5.如权利要求1所述的基于激光雷达的四旋翼无人机自主定位及控制方法，其特征是，基于互补滤波的无人机三维位置估计具体为:采用一种三维互补滤波方法，利用机载加速度计获得的无人机三维加速度信息，对步骤1、2中的位置数据进行插值，从而提高位置数据更新频率，具体为:将无人机加速度传感器更新得到的机载坐标系下的测量值，通过坐标变换投影至世界坐标系，并通过两次积分计算，得到由加速度计估计出的IOOHz位置量传递给机载控制器进行位置控制；在水平方向上，当激光雷达匹配方法计算完毕时，计算激光雷达定位数据与加速度计估计值的差值，再通过反馈系统调整加速度积分偏置量，从而实现加速度计与激光雷达这两种异类传感器间的数据融合，互补滤波器增益b k2, k3可由时间常数τ定义如下:
【文档编号】G01C23/00GK103868521SQ201410057861
【公开日】2014年6月18日 申请日期:2014年2月20日 优先权日:2014年2月20日
【发明者】鲜斌, 张垚, 茹滨超, 宋英麟 申请人:天津大学