CN106226780A - 基于激光扫描雷达的多旋翼室内定位系统及实现方法 - Google Patents

基于激光扫描雷达的多旋翼室内定位系统及实现方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于激光扫描雷达的多旋翼无人机室内定位系统及实现方法，属于导航定位与控制技术领域。定位系统包括位置采集模块、无线传输模块、飞行控制模块和地面监测模块，位置采集模块包括激光扫描雷达、二轴云台和数据处理计算机。该系统的实现方法先用位置采集模块对室内环境建模，将每次扫描所得的信息与所建模型对比，识别并跟踪多旋翼无人机。通过无线传输模块将位置信息发送给多旋翼无人机，从而可进行室内导航等功能的开发，从地面监测模块实时监测多旋翼无人机的飞行数据。本发明将二维激光雷达与二轴云台相结合，实现对整个空间的扫描，相比三维雷达成本低，且具有较高的定位精度，实现简单，稳定性好。

Description

基于激光扫描雷达的多旋翼室内定位系统及实现方法
技术领域
本发明涉及一种基于激光扫描雷达的多旋翼室内定位系统及实现方法，属于导航定位与控制技术领域。
背景技术
由于科学水平的进步，无人机所涉及的领域越来越广，无论是在军事还是民用领域，都具有十分广阔的应用前景。无人机研究的第一步就是对其进行定位与导航。目前国内外研究的用于无人机的定位导航主要技术包括：惯性导航系统(Inertial NavigationSystem，INS)、全球定位系统(Global Position System，GPS)。惯性导航系统是利用陀螺加速度计等惯性元器件，通过积分得到无人机的导航参数，误差会随着时间的推移不断累加。随着科学技术的发展，以及人们对于无人机更轻便，适用范围更广的需求，现今的多旋翼无人机朝着微型化的方向发展，它的活动区域已经延伸至森林，居民区还有室内空间。而在这些区域内，噪声的干扰以及信号的不稳定，使得全球定位系统无法准确得到无人机的位置参数，从而使无人机无法正确的自主导航。所以，如何应用传感器对室内，或者更加危险多变的环境下的无人机进行定位，已经变成了各个国家的重点研究课题。其中，激光扫描雷达因为其稳定性强，结构简单，成为了当下无人机定位研究的热点。
我国用激光扫描雷达对多旋翼无人机进行室内定位的技术还是有很多不完善的地方，有显著提高的空间。所以设计一套能够进行准确定位，并且功能齐全，稳定性高的基于激光扫描雷达的多旋翼无人机室内定位系统，意义重大。
发明内容
本发明针对目前多旋翼无人机室内定位不准确、不稳定的问题，提出一种基于激光扫描雷达的多旋翼室内定位系统及实现方法，获取多旋翼无人在室内定位的相对位置，解决了多旋翼无人机室内导航的关键难点，从而可进一步开发多旋翼无人机室内导航等功能，适用于较为空旷，障碍物不多的室内环境。
本发明为解决其技术问题采用如下技术方案：
一种基于激光扫描雷达的多旋翼室内定位系统，包括位置采集模块、无线传输模块、飞行控制模块和地面监测模块，其中，位置采集模块通过无线传输模块与飞行控制模块连接，飞行控制模块通过无线传输模块与地面监测模块连接；
所述位置采集模块包括激光扫描雷达、二轴云台和数据处理计算机，数据处理计算机读取激光扫描雷达测得的位置信息和二轴云台的俯仰角，经过数据处理将俯仰角控制信号发送给二轴云台。
所述无线传输模块包括两对不同频率的无线数传。
所述无线数传的频率为433MHz和915MHz.
基于激光扫描雷达的多旋翼室内定位系统的实现方法，包括如下步骤：
步骤1，将二轴云台靠墙放置在中间位置，激光雷达置于云台顶部，给云台设置俯仰角0°～60°，激光扫描雷达在三维空间不断扫描，对采集的数据进行处理，建立室内环境模型；
步骤2，检测时将每次扫描的结果与所建模型比较，当检测到多旋翼无人机，利用云台的俯仰角、激光扫描雷达返回的数据进行几何解算，计算多旋翼无人机相对于云台和激光扫描雷达的空间三维位置信息；
步骤3，将该位置信息通过无线传输模块发送给飞行控制模块，再通过无线传输模块从地面监测模块实时监测多旋翼无人机的飞行数据。
步骤2所述的多旋翼无人机相对于云台和激光扫描雷达的空间三维位置信息的计算公式如下，以激光扫描雷达和云台所处位置为原点建立坐标系，x轴平行于墙面向右，y轴指向室内，z轴垂直于地面向上：
x = d * c o s α * s i n β y = d * c o s α * cos β z = d * s i n α + h 0
α表示云台转过的俯仰角，d表示激光扫描雷达测得的距离，β表示相对于雷达正前方的偏转角度，向右为正，h0为云台和激光扫描雷达的高度。
本发明的有益效果如下：
1、本发明利用激光扫描雷达和二轴云台实现了多旋翼无人机的高精度室内定位，解决了室内定位的难题，在较为空旷的室内具有较好的定位效果。
2、现有的室内定位技术主要为视觉定位，多为累计误差，精度较差，易受光照变化的影响，而本发明采用高精度激光扫描雷达，且多旋翼无人机机身越小，定位精度越高。
3、本发明具有控制简单，精度高，稳定性好，速度快、易操作等优点，易于工程实现。
附图说明
图1是本发明基于激光扫描雷达的多旋翼无人机室内定位系统的整体框架图。
图2是二维激光扫描雷达的测量模型示意图。
图3是本发明基于激光扫描雷达的多旋翼无人机室内定位方法的流程图。
图4是多旋翼无人机与激光扫描雷达和二轴云台的位置关系图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本发明基于激光扫描雷达的多旋翼无人机室内定位系统，包括位置采集模块、无线传输模块、飞行控制模块和地面监测模块，位置采集模块包括激光扫描雷达、高精度二轴云台(PTU)和数据处理器。整套系统的布置如图1所示，二轴云台靠墙放置在中间位置，激光扫描雷达置于云台顶部。所采用的二维激光扫描雷达是HOKUYO的UTM-30LX，具有0.25°的角分辨率，扫描角度270°，激光扫描雷达水平放置时的测量模型如图2所示，激光扫描雷达返回的是一个数组，共1081个数据：data(扫描平面内物体到激光雷达的距离)[0]～data[1080]，结合数据序号和0.25°的角分辨率可以得到物体相对于激光扫描雷达的角度。从OA方向扫描至OB方向，共270°，实际所需的角度为0C至OD的180°，即data[180]～data[900](该180°平面内物体到激光扫描雷达的距离)。假设点P处返回的数据为data[p](P点到激光扫描雷达的距离)，则θ＝135-p*0.25，OP＝data[p](P点到激光扫描雷达的距离)，即有：
x = O P * s i n θ y = O P * cos θ
x值为负即表示该点在激光扫描雷达的左边。
给云台设置一定的俯仰角，云台从0°到60°转动，对激光扫描雷达的数据结合云台转过的俯仰角进行处理，得到室内的模型。至此，完成室内环境的建模，这是实现室内定位的准备工作。如图3基于激光扫描雷达的多旋翼无人机室内定位方法的流程图所示，每扫描一次，对比于所建模型，判断是否检测到多旋翼无人机。若检测到，取其中点，如图4所示，P点即表示多旋翼无人机中心，O点是激光扫描雷达，α代表二轴云台转过的俯仰角，β代表多旋翼无人机中心与激光扫描雷达正前方的夹角，d为测得的多旋翼无人机到激光扫描雷达的距离，以激光扫描雷达和二轴云台的位置为原点建立坐标系，x轴为平行于墙面向右，y轴指向室内，z轴垂直于地面向上。则在该坐标系下，多旋翼无人机相对于激光扫描雷达的空间位置信息x,y,z为：
x = d * c o s α * s i n β y = d * c o s α * cos β z = d * s i n α + h 0
其中h0为二轴云台和激光扫描雷达的高度。
随着多旋翼无人机的移动，调整二轴云台的俯仰角，使多旋翼无人机始终在激光扫描雷达的扫描范围内。
通过915MHz的3DR无线数传将位置信息发送给飞行控制模块，由另一对433MHz的3DR无线数传将多旋翼无人机的位置信息发送给地面监测系统，从而对多旋翼无人机的位置进行实时监测。采用两对不同频率的无线数传，有效防止无线数传之间的信息干扰。
如没有检测到多旋翼无人机，则继续转动二轴云台，直至检测到多旋翼无人机。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于激光扫描雷达的多旋翼室内定位系统，其特征在于，包括位置采集模块、无线传输模块、飞行控制模块和地面监测模块，其中，位置采集模块通过无线传输模块与飞行控制模块连接，飞行控制模块通过无线传输模块与地面监测模块连接；
所述位置采集模块包括激光扫描雷达、二轴云台和数据处理计算机，数据处理计算机读取激光扫描雷达测得的位置信息和二轴云台的俯仰角，经过数据处理将俯仰角控制信号发送给二轴云台。
2.根据权利要求1所述的基于激光扫描雷达的多旋翼室内定位系统，其特征在于，所述无线传输模块包括两对不同频率的无线数传。
3.根据权利要求2所述的基于激光扫描雷达的多旋翼室内定位系统，其特征在于，所述无线数传的频率为433MHz和915MHz。
4.根据权利要求1所述的基于激光扫描雷达的多旋翼室内定位系统的实现方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，将二轴云台靠墙放置在中间位置，激光雷达置于云台顶部，给云台设置俯仰角0°~60°，激光扫描雷达在三维空间不断扫描，对采集的数据进行处理，检测多旋翼无人机；
步骤2，当检测到多旋翼无人机，利用云台的俯仰角、激光扫描雷达返回的数据进行几何解算，计算多旋翼无人机相对于云台和激光扫描雷达的空间三维位置信息；
步骤3，将该位置信息通过无线传输模块发送给飞行控制模块，再通过无线传输模块从地面监测模块实时监测多旋翼无人机的飞行数据。
5.如权利要求4所述的基于激光扫描雷达的多旋翼室内定位系统的实现方法，其特征在于，步骤2所述的多旋翼无人机相对于云台和激光扫描雷达的空间三维位置信息的计算公式如下，以激光扫描雷达和云台所处位置为原点建立坐标系，x轴平行于墙面向右，y轴指向室内，z轴垂直于地面向上：
表示云台转过的俯仰角，d表示激光扫描雷达测得的距离，表示相对于雷达正前方的偏转角度，向右为正，为云台和激光扫描雷达的高度。
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Cited By (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108253966A (zh) * 2016-12-28 2018-07-06 昊翔电能运动科技(昆山)有限公司 无人机飞行三维模拟显示方法
CN108303088A (zh) * 2017-01-12 2018-07-20 日之阳（北京）仪器制造有限公司 一种用于多旋翼飞行器的定位系统
CN108535736A (zh) * 2017-03-05 2018-09-14 苏州中德睿博智能科技有限公司 三维点云数据获取方法及获取系统
CN108562289A (zh) * 2018-06-07 2018-09-21 南京航空航天大学 连续多边几何环境中四旋翼飞行器激光雷达导航方法
CN108828576A (zh) * 2018-04-10 2018-11-16 上海摩软通讯技术有限公司 室内定位系统和方法
CN108919297A (zh) * 2018-05-18 2018-11-30 国网山东省电力公司青岛供电公司 一种无人机室内定位系统及方法
CN109362127A (zh) * 2018-11-12 2019-02-19 新疆联海创智信息科技有限公司 一种无线电磁信号扫描定位系统及方法
CN110520754A (zh) * 2017-01-27 2019-11-29 麻省理工学院 用于使用表面穿透雷达进行车辆定位的方法和系统
CN111436050A (zh) * 2019-01-11 2020-07-21 华为技术有限公司 无线网络通信方法、网络设备和终端
CN111486841A (zh) * 2020-05-19 2020-08-04 西安因诺航空科技有限公司 一种基于激光定位系统的无人机导航定位方法
CN112379386A (zh) * 2020-09-30 2021-02-19 中国人民解放军陆军炮兵防空兵学院 一种无人蜂群目标空间位置分布探测系统及方法
CN113029158A (zh) * 2021-04-26 2021-06-25 常州大学 基于激光与声音融合定位的旋翼飞行器及其定位方法
CN113178767A (zh) * 2021-05-28 2021-07-27 北京同方华光系统科技有限公司 一种多光束多维度扫描的激光杀毒杀菌装置和方法
CN115390051A (zh) * 2022-10-27 2022-11-25 深圳煜炜光学科技有限公司 激光雷达标定方法、装置、设备及存储介质

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH11287651A (ja) * 1998-04-02 1999-10-19 Kaijo Corp 屋内位置決め装置
CN104656097A (zh) * 2015-01-28 2015-05-27 武汉理工大学 基于旋转式二维激光三维重构系统的标定装置及方法
CN104833354A (zh) * 2015-05-25 2015-08-12 梁步阁 一种多基多模组网融合室内人员导航定位系统及其实施方法
CN204945409U (zh) * 2015-08-29 2016-01-06 西安希德电子信息技术股份有限公司 一种对铁路障碍进行自动监测的三维激光雷达报警系统
CN105460210A (zh) * 2015-12-04 2016-04-06 上海浦江桥隧大桥管理有限公司 用于桥梁检测的便携式六旋翼飞行器
CN205880223U (zh) * 2016-07-26 2017-01-11 南京航空航天大学 基于激光扫描雷达的多旋翼室内定位系统

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH11287651A (ja) * 1998-04-02 1999-10-19 Kaijo Corp 屋内位置決め装置
CN104656097A (zh) * 2015-01-28 2015-05-27 武汉理工大学 基于旋转式二维激光三维重构系统的标定装置及方法
CN104833354A (zh) * 2015-05-25 2015-08-12 梁步阁 一种多基多模组网融合室内人员导航定位系统及其实施方法
CN204945409U (zh) * 2015-08-29 2016-01-06 西安希德电子信息技术股份有限公司 一种对铁路障碍进行自动监测的三维激光雷达报警系统
CN105460210A (zh) * 2015-12-04 2016-04-06 上海浦江桥隧大桥管理有限公司 用于桥梁检测的便携式六旋翼飞行器
CN205880223U (zh) * 2016-07-26 2017-01-11 南京航空航天大学 基于激光扫描雷达的多旋翼室内定位系统

Cited By (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108253966B (zh) * 2016-12-28 2021-08-06 昊翔电能运动科技(昆山)有限公司 无人机飞行三维模拟显示方法
CN108253966A (zh) * 2016-12-28 2018-07-06 昊翔电能运动科技(昆山)有限公司 无人机飞行三维模拟显示方法
CN108303088A (zh) * 2017-01-12 2018-07-20 日之阳（北京）仪器制造有限公司 一种用于多旋翼飞行器的定位系统
CN110520754A (zh) * 2017-01-27 2019-11-29 麻省理工学院 用于使用表面穿透雷达进行车辆定位的方法和系统
CN108535736A (zh) * 2017-03-05 2018-09-14 苏州中德睿博智能科技有限公司 三维点云数据获取方法及获取系统
CN108828576A (zh) * 2018-04-10 2018-11-16 上海摩软通讯技术有限公司 室内定位系统和方法
CN108919297A (zh) * 2018-05-18 2018-11-30 国网山东省电力公司青岛供电公司 一种无人机室内定位系统及方法
CN108562289A (zh) * 2018-06-07 2018-09-21 南京航空航天大学 连续多边几何环境中四旋翼飞行器激光雷达导航方法
CN108562289B (zh) * 2018-06-07 2021-11-26 南京航空航天大学 连续多边几何环境中四旋翼飞行器激光雷达导航方法
CN109362127A (zh) * 2018-11-12 2019-02-19 新疆联海创智信息科技有限公司 一种无线电磁信号扫描定位系统及方法
CN111436050A (zh) * 2019-01-11 2020-07-21 华为技术有限公司 无线网络通信方法、网络设备和终端
CN111486841A (zh) * 2020-05-19 2020-08-04 西安因诺航空科技有限公司 一种基于激光定位系统的无人机导航定位方法
CN111486841B (zh) * 2020-05-19 2022-04-05 西安因诺航空科技有限公司 一种基于激光定位系统的无人机导航定位方法
CN112379386A (zh) * 2020-09-30 2021-02-19 中国人民解放军陆军炮兵防空兵学院 一种无人蜂群目标空间位置分布探测系统及方法
CN112379386B (zh) * 2020-09-30 2024-01-02 中国人民解放军陆军炮兵防空兵学院 一种无人蜂群目标空间位置分布探测系统及方法
CN113029158A (zh) * 2021-04-26 2021-06-25 常州大学 基于激光与声音融合定位的旋翼飞行器及其定位方法
CN113029158B (zh) * 2021-04-26 2023-09-22 常州大学 基于激光与声音融合定位的旋翼飞行器及其定位方法
CN113178767A (zh) * 2021-05-28 2021-07-27 北京同方华光系统科技有限公司 一种多光束多维度扫描的激光杀毒杀菌装置和方法
CN115390051A (zh) * 2022-10-27 2022-11-25 深圳煜炜光学科技有限公司 激光雷达标定方法、装置、设备及存储介质

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