一种利用Vicon的无人机激光定位的调试方法与流程

本发明涉及激光slam领域，具体是一种利用vicon作为参考的四旋翼无人机激光定位的调试方法。

背景技术：

vicon是一种高精度的动作捕捉系统，能够稳定且实时地获取目标的位置与姿态。vicon数据通常被用作数据集中位置及姿态的真值，以评估和调试其他定位系统的精度。基于激光雷达的室内无人机自主定位及导航的方法较室内节点定位更加灵活，但是精度却缺乏评估，而且作为高精度的室内无人机位置环和姿态环的控制调试，需要得到实时的传感器测量误差和控制响应。无人机位置、速度及姿态都可通过vicon系统进行评估。基于室内节点的定位调试方法存在一些缺点，具体如下。

1.传统的节点定位方法标定较为困难，而且系统本身存在较大的误差，不宜作为真值。

2.相对于vicon的maker小球创建刚体，节点定位的盲节点加入步骤复杂。

技术实现要素：

本发明针对现有室内无人机激光定位调试技术存在的不足，提供一种利用vicon的无人机激光定位的调试方法，采用激光数据、imu数据与vicon数据融合，在vicon位置参数控制下对slam定位误差的评估和参数优化，计算基于imu无人机的姿态环修正参数，计算基于激光和imu的slam位置环修正参数，最后在以上参数下修正位置环和姿态环的控制参数。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种利用vicon的无人机激光定位的调试方法，包括：激光数据、机载imu数据及vicon数据获取模块、数据融合模块、激光slam误差估计模块、位置环姿态环参数修正模块、输出模块。

所述的激光数据、机载imu数据及vicon数据获取模块用以采集机体运动过程中的加速度、角速度、激光数据、和机体在vicon坐标系下各种运动数据。

所述的数据融合模块与激光数据、机载imu数据及vicon数据获取模块连接，用以融合imu和激光进行激光slam定位、融合slam定位数据和vicon位置数据计算出slam定位误差和位置环误差、融合imu和vicon姿态数据计算姿态环误差。

所述的激光slam误差估计模块与数据融合模块连接，最小化位置误差，得到slam优化参数。

所述的位置环、姿态环参数修正模块与数据融合模块和激光slam误差估计模块连接，运用激光slam误差估计模块得到的优化参数进行无人机的定位，最小化位置环控制误差，优化姿态环的控制参数。

所述的输出模块与激光slam误差估计模块和位置环、姿态环参数修正模块连接，用以接收slam优化参数和无人机的两个控制环优化参数。

较优选的，所述的激光雷达数据、机载imu数据和vicon数据获取模块包括pixhawk飞控集成三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁力计、单线激光雷达、lidar-lite和vicon数据采集模块。所述的三轴陀螺仪、三轴加速度计和三轴磁力计用以测量机体坐标系下角速度、加速度和姿态角，激光数据获取模块用来获取机体坐标系下的周围障碍物环境信息以及机体的高度信息，vicon数据采集模块用来获取机体在vicon坐标系下的数据。

较优选的，所述的数据融合模块包括slam定位模块、slam误差计算模块和姿态环误差计算模块，所述slam定位模块为imu和激光融合定位模块，所述slam误差计算模块为激光定位误差计算模块，所述姿态环误差计算模块为imu和vicon姿态数据融合误差计算模块。所述的imu和激光融合定位模块使用2d激光slam融合imu平面定位再加lidar-lite组成三维定位，得到全局坐标系下的机体的位置信息。所述的激光定位误差计算模块使用vicon的位置数据配合上一模块得到的三维全局位置数据，将vicon的位置数据作为真值计算上述模块的定位误差。所述的imu和vicon姿态数据融合误差计算模块使用vicon的姿态数据关联同一时刻的imu解算的姿态数据计算其姿态解算误差。

较优选的，所述的vicon数据采集模块以30hz的采集频率采集机体的姿态、位置以及速度数据。

较优选的，所述的激光slam误差估计模块使用数据融合模块提供的slam定位误差信息对slam参数进行优化，得到一组最优参数估计值，并将结果输出。

较优选的，所述的位置环姿态环参数修正模块使用激光slam误差估计模块提供的优化参数进行定位控制，然后得出一组最优的位置环控制参数，使用数据融合模块提供的姿态解算数据完成姿态环的参数最优化，并将结果输出。

较优选的，所述的输出模块通过串口、wifi、蓝牙或usb等将计算结果输送到显示设备，所述的显示设备包括手机、电脑、或者其他便携视频显示设备。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明通过激光数据、机载imu数据及vicon数据获取模块获取载体在vicon坐标系下的位姿、机体坐标系下的周围障碍物环境信息和机体的高度信息，以及机载imu测量的机体的加速度和角速度信息。对以上数据进行融合解算，算出slam定位误差，得到slam算法的一套优化参数，之后在位置环姿态环参数修正模块中优化相应的控制参数，得出一组最优的控制参数，最后将slam的优化参数和两个环的控制参数通过输出模块输出，从而在保证高精确度要求的同时，快速的完成室内无人机激光定位的调试。

2.本方法可以在线进行无人机激光定位的调试，也可针对已经采好的数据集进行调试，大大提高了无人机激光定位的调试方法的灵活性。

3.本方法比传统无人机调试方法更加简单快速，大大减少调试时间。

附图说明

图1为本发明的整体结构原理图；

图2为本发明中激光数据、机载imu数据及vicon数据获取模块的结构原理图；

图3为本发明中数据融合模块的结构原理图；

图4为本发明中激光slam误差估计模块结构原理图；

图5为本发明中位置环姿态环参数修正模块结构原理图；

图6为本发明中输出模块结构原理图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明技术方案，并不限于本发明。

本发明针对现有室内无人机激光定位调试技术存在的不足，提供一种利用vicon的无人机激光定位的调试方法，利用激光数据、imu数据与vicon数据融合，在vicon位置参数控制下对slam定位误差的评估和参数优化，计算基于imu无人机的姿态环修正参数，计算基于激光和imu的slam位置环修正参数，最后在以上参数下修正位置环和姿态环的控制参数，从而在保证高精确度要求的同时，快速的完成室内无人机激光定位的调试。

请参见图1-6，一种利用vicon的无人机激光定位的调试方法，如图1所示，包括：激光数据、机载imu数据及vicon数据获取模块100、数据融合模块101、激光slam误差估计模块102、位置环姿态环参数修正模块103、输出模块104，其中：

激光数据、机载imu数据及vicon数据获取模块100用以采集激光数据，记载imu惯性数据和载体在vicon坐标系下的位姿数据。

数据融合模块101包括slam定位模块1011、slam误差计算模块1012以及姿态环误差计算模块1013，数据融合模块101与激光数据、机载imu数据及vicon数据获取模块100连接，用于给slam定位模块1011提供激光雷达和记载imu数据，给slam误差计算模块1012提供vicon的位置数据供其完成位置误差结算，给姿态环误差计算模块1013积分提供vicon的姿态数据以及imu解算的集体姿态数据融合完成姿态误差的求解。

激光slam误差估计模块102与数据融合模块101连接，用以优化激光slam算法参数，得到精确的slam定位估计。

位置环姿态环参数修正模块103与数据融合模块101和激光slam误差估计模块102连接，用以优化位置环和姿态环的控制参数，得到精确的控制调节。

输出模块104与激光slam误差估计模块102和位置环姿态环参数修正模块103连接，将计算出来的slam优化参数和控制环调节参数输出信息显示在设备上。

现结合附图分别对激光数据、机载imu数据及vicon数据获取模块100、数据融合模块101、激光slam误差估计模块102、位置环姿态环参数修正模块103、输出模块104，和整个利用vicon的无人机激光定位调试系统的工作原理和流程进行介绍。

激光数据、机载imu数据及vicon数据获取模块100主要用来采集机体运动过程中的加速度、角速度、激光数据、和机体在vicon坐标系下各种运动数据，见图2，激光数据、机载imu数据及vicon数据获取模块100包括三轴加速度计数据采集模块1001、三轴陀螺仪数据采集模块1002、三轴磁力计数据采集模块1003、单线激光雷达数据采集模块1004、vicon数据采集模块1005和lidar-lite数据采集模块1006，在安装数据采集装置时，认为无人机上的单线激光雷达，imu，lidar-lite之间相对固定，看成一个刚体，惯性参考系和vicon的参考系之间相对位置、姿态固定。其中惯性参考系和vicon参考系的平移为0，旋转以vicon的z轴为标准。

在本发明中，vicon数据采集模块使用北京冠一科仪贸易有限公司销售的红外三维运动捕捉系统，其数据采集频率可自行设置；三轴加速度计数据采集模块1001、三轴陀螺仪数据采集模块1002、三轴磁力计数据采集模块1003是基于pixhawk内置的集成imu，采集频率大约为100hz。本发明中虽然提供了三轴加速度计1001、三轴陀螺仪1002、三轴磁力计1003和vicon数据采集模块1005的产品型号，但是也可使用其它能采集vicon信息、惯性测量信息的产品，在此不作限定。

数据融合模块101与激光数据、机载imu数据及vicon数据获取模块100连接，主要用于融合，数据融合模块101结构原理示意图请参见图3，其中包括slam定位模块1011、slam误差计算模块1012以及姿态环误差计算模块1013，其中slam定位模块1011连接三轴加速度计1001、三轴陀螺仪1002、三轴磁力计1003和单线激光雷达数据采集模块1004，由激光slam算法得到一个初始的定位效果，采用机载imu采样的机体位姿配合激光雷达进行地图构建，然后在地图里面进行无人机位置定位；slam误差计算模块1012在slam定位模块1011和vicon位置信息的融合下进行定位误差的估计；姿态环误差计算模块1013则是在vicon姿态数据分析下计算机载imu解算的姿态误差。

激光slam误差估计模块102与数据融合模块101连接，主要用于优化slam算法定位建图参数，如图4所示。激光slam误差估计模块102通过计算地图概率得出地图构建精度概率，通过vicon数据进行修正求取优化迭代次数、迭代误差、地图分辨率、滤波系数等输出到输出模块104。

位置环姿态环参数修正模块103与激光slam误差估计模块102和数据融合模块101连接，主要用于优化两环的控制参数，如图5所示。位置环姿态环参数修正模块103接收数据融合模块101提供的位姿信息以及激光slam误差估计模块102提供的优化定位参数，通过求解目标函数得到一个局部极优值，通过多次试验得到全局极优值p(x,y,z),v(x,y,z),omax(x,y,z)并输出到输出模块104。

输出模块104与激光slam误差估计模块102和位置环姿态环参数修正模块103连接，主要用于输出优化结果，并将结果在显示设备上进行显示，输出模块具体是通过串口、wifi、蓝牙或usb等将结果传给显示设备并显示，显示设备包括手机、电脑、或者其他便携视频显示设备，方便直观地得到调试结果，如图6所示。

以上所述仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形、改进及替代，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。