一种基于激光雷达的无人机自动地形巡航系统的制作方法

1.本发明涉及无人机技术，具体涉及一种基于激光雷达的无人机自动地形巡航系统。


背景技术：

2.目前在勘探领域，通常采用人工训练的方式进行训练，所需要的人员和勘探设备较多，巡逻成本很高，在相对成熟的有人飞机进行勘探，其优点在于飞行高度高，速度块，作业区域广等特点，但是有人飞机的成本高，对起降条件要求苛刻，不适合一些局部区域进行巡逻勘探。
3.当前在无人机自动地形巡航技术中，大部分是基于实时图像采集，而利用图像与地形匹配计算中，图像匹配算法复杂度较高，需要高性能的机载计算机，使得无人机系统体积过于庞大、成本高、功耗大、实时性弱。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于针对现有技术的缺陷和不足，提供一种基于激光雷达的无人机自动地形巡航系统，它通过搭载的激光雷达装置实时扫描无人机与前方地形之间的距离，并将测得的数据通过主机控制模块处理，数据分析采用pid算法，使无人机具有自动地形巡航功能。
5.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案是：它包含激光雷达模块1、主机控制模块2、飞行控制模块3、定位模块4和飞行监控模块5，所述的激光雷达模块1与主机控制模块2连接，所述的飞行控制模块3与主机控制模块2连接，所述的定位模块4与主机控制模2块连接，所述的飞行监控模块5与飞行控制模块2连接，所述的激光雷达模块1包含接收单元11、发射单元12、和微控制器13，所述的接收单元11、发射单元12和与微控制器13连接，所述的主机控制模块2包含飞行控制单元21和数据处理单元22，所述的飞行控制模块3包含电机驱动单元31和无刷直流电机32，所述的无刷直流电机32连接在电机驱动单元31上，所述的飞行监控模块5包含惯性测量单元51和空速管52。
6.进一步的，所述的飞行控制单元21与电机驱动单元31电性连接。
7.进一步的，所述的数据处理单元22连接微控制器13通过串口线连接。
8.进一步的，所得定位模块4、惯性测量单元51和空速管52与数据处理单元22通过串口线连接。
9.进一步的，所述的主机控制模块2上安装有自动地形匹配巡航系统，所述的自动地形匹配巡航系统的运行步骤为：
10.1)地形数据采集，通过安装于无人机上的激光雷达实时采集无人机与地面的垂直高度h和无人机与前方地形的直线距离d，h与d的夹角为激光测距单元中设定好的角度β，无人机正常水平飞行时，取其水平方向与h夹角为α0；
11.2)地形数据处理，将所述步骤1)采集的数据，根据三角函数公式：
12.计算出无人机下方地形起伏的倾斜角度α，根据随机误差理论，取平均倾斜角度
13.3)自适应地形控制，运用pid算法，根据公式
[0014][0015]
变换得，由传递函数公式得，
[0016][0017]
利用公式(c)作为pid公式的传递函数，以无人机飞行控制模块为受控对象，以输入平均倾斜角度为pid公式的输入参数，通过的pid调节作用，使α0始终保持恒定。
[0018]
本发明的工作原理：本发明通过无人机搭载激光雷达装置，利用激光雷达发射两束不同方向的激光脉冲，其中一个激光脉冲用于测量无人机与底面的飞行高度h，另外一个激光脉冲用于测量无人机与前方地形的直线距离d,其中h与d为固定夹角β，无人机在正常飞行过程中，通过位于无人机激光雷达模块1内的微控制器13实时采集上h、d两者数据，采集的数据通过串口通信线发送至主机控制模块2，主机控制模块2调用内置的自适应地形控制的pid算法，对数据进行计算，当无人机在正常飞行时，无人机下方地形的倾斜角度为α，当无人机飞行前方监测地形为上坡地形时，α角将逐渐变小，为减少误差，取平均倾斜角度为使α0保持恒定值，运用pid调节方式，此时公式中输入数值增大，系统将调节无人机飞行控制模块，使无人机逐渐将相对于上坡地形平行飞行，使α角逐渐增大并恢复至α0，同理，当无人机飞行前方监测地形为下坡地形时，α角将逐渐变大，系统将通过pid调节方式，调节无人机飞行控制模块，使无人机将相对于下坡地形平行飞行，使α角逐渐减小并恢复至α0，从而使得，无人机在飞行过程中能跟随地形起伏自动调节飞行姿态。
[0019]
采用上述技术方案后，本发明有益效果为：本发明搭载的激光雷达具有自动化程度高、受外界环境影响小，同时采集的信息具有精度高、数据生成周期短等特点，同时系统搭载的自动自动地形巡航系统具有理论可靠，计算量少，运行速度快等特点，使该无人机能广泛应用各种地形场合。
附图说明
[0020]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可
以根据这些附图获得其他的附图。
[0021]
图1是本发明的结构示意图。
[0022]
图2是激光雷达模块1的组成机构示意图。
[0023]
图3是飞行控制模块3的组成机构示意图。
[0024]
图4是飞行监控模块5的组成机构示意图。
[0025]
图5是系统pid调节流程图。
[0026]
图6是无人机飞行示意图。
[0027]
附图标记说明：激光雷达模块1、接收单元11、发射单元12、微控制器13、主机控制模块2、飞行控制单元21、数据处理单元22、飞行控制模块3、电机驱动单元31、无刷直流电机32、定位模块4、飞行监控模块5、惯性测量单元51、空速管52。
具体实施方式
[0028]
参看图1
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图6所示，本具体实施方式采用的技术方案是：它包含激光雷达模块1、主机控制模块2、飞行控制模块3、定位模块4和飞行监控模块5，所述的激光雷达模块1与主机控制模块2连接，所述的飞行控制模块3与主机控制模块2连接，所述的定位模块4实时采集无人机位置信息，所述的定位模块4与主机控制模2块连接，所述的飞行监控模块5与飞行控制模块2连接，所述的激光雷达模块1包含接收单元11、发射单元12和微控制器13，所述的接收单元11用于接收激光脉冲反射回的信号，所述的发射单元12用于发射激光脉冲，所述的接收单元11、发射单元12和与微控制器13连接，所述的主机控制模块2包含飞行控制单元21和数据处理单元22，所述的飞行控制模块3包含电机驱动单元31和无刷直流电机32，所述的无刷直流电机32连接在电机驱动单元31上，无刷直流电机32通过电机驱动单元31实现调速和正反转，所述的飞行监控模块5包含惯性测量单元51和空速管52，所述的惯性测量单元51用于测量无人机的飞行角度，所述的空速管52用于测量无人机的飞行速度。
[0029]
所述的飞行控制单元21与电机驱动单元31电性连接，所述的飞行控制单元21通过发出pwm信号驱动电机驱动单元31，
[0030]
所述的数据处理单元22连接微控制器13通过串口线连接。
[0031]
所得定位模块4、惯性测量单元51和空速管52与数据处理单元22通过串口线连接。
[0032]
所述的主机控制模块2上安装有自动地形匹配巡航系统，所述的自动地形匹配巡航系统的运行步骤为：
[0033]
1)地形数据采集，通过安装于无人机上的激光雷达实时采集无人机与地面的垂直高度h和无人机与前方地形的直线距离d，h与d的夹角为激光测距单元中设定好的角度β，无人机正常水平飞行时，取其水平方向与h夹角为α0，附图6为无人机飞行的示意图；
[0034]
2)地形数据处理，将所述步骤1)采集的数据，根据三角函数公式：
[0035]
计算出无人机下方地形起伏的倾斜角度α，根据随机误差理论，为减小误差，取平均倾斜角度
[0036]
3)自适应地形控制，运用pid算法，根据公式
[0037][0038]
式中为平均倾斜角度关于时间t的函数，对式(a)进行拉普拉斯变换得，由传递函数公式得，
[0039][0040]
利用公式(c)作为pid公式的传递函数，以无人机飞行控制模块为受控对象，以输入平均倾斜角度为pid公式的输入参数，通过的pid调节作用，使α0始终保持恒定。
[0041]
本发明通过无人机搭载激光雷达装置，利用激光雷达发射两束不同方向的激光脉冲，其中一个激光脉冲用于测量无人机与底面的飞行高度h，另外一个激光脉冲用于测量无人机与前方地形的直线距离d,其中h与d为固定夹角β，无人机在正常飞行过程中，通过位于无人机激光雷达模块1内的微控制器13实时采集上h和d两者数据，采集的数据通过串口通信线发送至主机控制模块2，主机控制模块2调用内置的自适应地形控制的pid算法，对数据进行计算，当无人机在正常飞行时，无人机下方地形的倾斜角度为α，当无人机飞行前方监测地形为上坡地形时，α角将逐渐变小，为减少误差，取平均倾斜角度为使α0保持恒定值，运用pid调节方式，此时公式中输入数值增大，系统将调节无人机飞行控制模块，飞行控制模块根据指令发送控制指令至电机驱动单元31，电机驱动单元31驱动无刷直流电机，无刷直流电机上连接无人机螺旋桨，无刷直流电机通过控制螺旋桨转速和方向，以实现无人机姿态调整和飞行速度调整，从而实现无人机逐渐将相对于上坡地形平行飞行，使α角逐渐增大并恢复至α0，同理，当无人机飞行前方监测地形为下坡地形时，α角将逐渐变大，系统将通过pid调节方式，调节无人机飞行控制模块，使无人机将相对于下坡地形平行飞行，使α角逐渐减小并恢复至α0，附图5为该自适应地形控制中pid调节流程图，综上使得，无人机在飞行过程中能跟随地形起伏自动调节飞行姿态，实现无人机自动地形巡航。
[0042]
以上所述，仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其它修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。