CN106970391A - 一种基于激光测距的uav地形检测系统 - Google Patents

一种基于激光测距的uav地形检测系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于激光测距的UAV地形检测系统，解决了现有技术检测速度慢、抗干扰能力弱，以及在恶劣环境下测量精度差的问题。本发明通过可45°‑90°来回转动的电机固定在UAV上，包括超高速激光发射模块，光速处理电路，主要用于产生激光发射的窄脉冲信号、计算激光飞行时差和确定被检测地面地形状态且包括有光源输出驱动端的高速数字信号处理芯片，用于接收激光回波的超高增益激光接收模块，精密光学模组，以及用于控制电机45°‑90°来回转动的电机控制电路。本发明结构简单、设计科学合理，使用方便，在恶劣环境下检测速度快，抗干扰能力强，测量精度高。

Description

一种基于激光测距的UAV地形检测系统
技术领域
本发明涉及一种基于激光测距的UAV地形检测系统。
背景技术
目前市面上的无人飞行器在进定高及障碍检测时大多采用红外图像技术，利用高清摄像头采集投影到地面的红外波，从而判断地面信息和高度。由于图像处理算法复杂，成本高，抗干扰能力差，遇到复杂环境，如地面低洼，大雾天气等，很难精确检测，因此，在恶劣的地形环境下，很难解决地形跟踪匹配的问题，导致UAV很难实现自动壁障和安全自动降落，因而也对UAV的安全构成了极大的威胁。本发明利用激光测距技术分别对地面进行实时高速测量。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种基于激光测距的UAV地形检测系统，该系统具有在恶劣环境下检测速度快，抗干扰能力强，测量精度高等特点，能确保UAV的安全飞行。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种基于激光测距的UAV地形检测系统，该地形检测系统通过可45°-90°来回转动的步进电机固定在UAV上，包括超高速激光发射模块，光速处理电路，用于产生激光发射的窄脉冲信号、计算激光飞行时差和确定被检测地面地形状态且包括有光源输出驱动端的高速数字信号处理芯片，用于接收激光回波的超高增益激光接收模块，精密光学模组，以及用于控制步进电机45°-90°来回转动的电机控制电路；
所述超激光发射模块包括输入端与光源输出驱动端连接的窄脉冲驱动电路和输入端与窄脉冲驱动电路输出端连接并可输出850nm不可见红外激光的大功率脉冲二极管；
所述精密光学模组包括用于发射光源的光学聚焦准直模块和用于将激光回波进行滤光和聚焦的激光回波滤光聚焦片，所述光学聚焦准直模块设于大功率脉冲二极管输出端并将大功率脉冲二极管输出激光光源聚焦后分束成三束平行激光投射出；
所述超激光接收模块包括分别用于接收三束平行激光投射后的激光回波和对接收后的信号进行超高增益放大的三路激光回波接收电路和由四通道多路复用器组成且包含有公共输出端的高速模拟开关，所述三路激光回波接收电路的输出端分别与高速模拟开关三个通道的输入端连接，所述公共输出端与光速处理电路的输入端连接，所述激光回波滤光聚焦片位于三路激光回波接收电路的接收端前；
所述电机控制电路主要包括分别与高速数字信号处理芯片连接用于高速驱动步进电机进行45°-90°均匀来回旋转和实时采集当前电机转动角度信息的电机驱动电路，以及将所采集的当前电机转动角度信息转换成电压信号后传输给高速数字信号处理芯片的电机角度反馈电路，所述高速数字信号处理芯片依靠该信号来判断当前的角度位置；
所述光速处理电路和高速数字信号处理芯片信号交互连接。
进一步地，还包括触发电路，所述大功率脉冲二极管通过触发电路与光速处理电路相连接。
进一步地，所述三路激光回波接收电路包括分别用于接收三束平行激光投射后的回波的APD光电二极管A、APD光电二极管B和APD光电二极管C，和分别与该三路APD光电二极管相连接并将该三路APD光电二极管接收到的微弱电流信号进行增益放大的增益放大电路A、增益放大电路B和增益放大电路C，所述三路增益放大电路的输出端分别与高速模拟开关三个通道的输入端连接，所述激光回波滤光聚焦片位于三个APD光电二极管的接收端前。
进一步地，所述光学聚焦准直模块包括设于大功率脉冲二极管输出端将大功率脉冲二极管输出激光光源聚焦成发散角度低于0.5°的聚焦镜片和位于聚焦镜片后方将聚焦后的激光光源分成三束呈品字形平行激光的衍射光栅。
进一步地，所述窄脉冲驱动电路将高速数字信号处理芯片所产生的窄脉冲信号放大至调制频率为300Khz、脉宽为30ns的窄脉冲调制波，并将该窄脉冲调制波加载到大功率脉冲二极管。
进一步地，所述高速数字信号处理芯片产生控制信号并传送至电机驱动电路，电机驱动电路接收到该控制信号并将其放大后驱动电机进行45°-90°均匀来回旋转。
进一步地，所述窄脉冲调制波为方波信号。
进一步地，所述高速数字信号处理芯片设有I2C/RS232通讯接口。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明具有动态扫描的特点，该系统能在20K/S的情况下实现动态测距以及30Hz电机转动扫描，在UAV中能灵活应用。
(2)本发明具有能产生多点激光的特点，在不同环境和地形中将单点激光变成三点激光，且三点激光成品字排列，不仅使发射出去的激光稳定性更佳，而且品字形三点扫描更加密集、面积更大，从而扫面更加清晰；在UAV地形检测中，利用品字排列的三点激光模式对地形做更加精确的检测，根据三点测量距离信息可判断前端障碍形状。
(3)本发明具有发射激光峰值功率高的特点，采用脉冲式调制法通过给激光引入外加窄脉冲调制信号，将激光能量分布到激光的边频上，从而降低了光功率谱的能量密度。
(4)本发明具有测量距离可调的特点，通过改变雪崩二极管(APD)的增益，可现实对20米，40米，80米距离测量，在UAV降落过程中通过改变距离，从而实现高精度距离测量，实现UAV的平稳降落。
(5)本发明具有信号信噪比高的特点，利用窄脉冲调制法，在同等条件下回波信号更强，信号信噪比更高，更容易识别和提取。
(6)本发明输出激光具有人眼安全的特点，采用850nm近红外光，满足CLASS 1。
(7)本发明能在复杂环境工作的特点，采用高精光学滤镜，加上采用脉冲式原理，不论在室内外，高温，低温都能很好的运行。
(8)本发明结构简单、设计科学合理，使用方便，在恶劣环境下检测速度快，抗干扰能力强，测量精度高，并且具有输出线偏振激光的特点。
附图说明
图1为本发明系统框图。
图2为本发明使用状态图。
具体实施方式
下面结合附图说明和实施例对本发明作进一步说明，本发明的方式包括但不仅限于以下实施例。
实施例
如图1和2所示，本发明提供的一种基于激光测距的UAV地形检测系统，具有在恶劣环境下检测速度快，抗干扰能力强，测量精度高等特点。本基于激光测距的UAV地形检测系统通过可45°-90°来回转动的电机固定在UAV上，包括超高速激光发射模块，光速处理电路，主要用于产生激光发射的窄脉冲信号、计算激光飞行时差和确定被检测地面地形状态且包括有光源输出驱动端的高速数字信号处理芯片(DSP)，用于接收激光回波的超高增益激光接收模块，精密光学模组，以及用于控制电机45°-90°来回转动的电机控制电路。
所述超高速激光发射模块包括输入端与光源输出驱动端连接的窄脉冲驱动电路和输入端与窄脉冲驱动电路输出端连接并可输出850nm不可见红外激光的大功率脉冲二极管。
所述精密光学模组包括用于发射光源的光学聚焦准直模块和用于将激光回波进行滤光和聚焦的激光回波滤光聚焦片，所述光学聚焦准直模块设于大功率脉冲二极管输出端并将大功率脉冲二极管输出激光光源聚焦后分束成三束平行激光投射出。
所述超高增益激光接收模块包括分别用于接收三束平行激光投射后的激光回波和对接收后的信号进行超高增益放大的三路激光回波接收电路和由四通道多路复用器组成且包含有公共输出端的高速模拟开关，所述三路激光回波接收电路的输出端分别与高速模拟开关三个通道的输入端连接，所述公共输出端与光速处理电路的输入端连接，所述激光回波滤光聚焦片位于三路激光回波接收电路的接收端前。
所述电机控制电路主要包括分别与高速数字信号处理芯片连接用于高速驱动步进电机进行45°-90°均匀来回旋转和实时采集当前电机转动角度信息的电机驱动电路，以及将所采集的当前电机转动角度信息转换成电压信号后传输给高速数字信号处理芯片的电机角度反馈电路，所述高速数字信号处理芯片产生控制信号并传送至电机驱动电路，电机驱动电路接收到该控制信号并将其放大后驱动电机进行45°-90°均匀来回旋转，所述高速数字信号处理芯片依靠电机角度反馈电路实时传送的信号来判断当前的角度位置。
所述光速处理电路和高速数字信号处理芯片(DSP)信号交互连接。
还包括触发电路，所述大功率脉冲二极管通过触发电路与光速处理电路相连接。
所述三路激光回波接收电路包括分别用于接收三束平行激光投射后的回波的APD光电二极管A、APD光电二极管B和APD光电二极管C，和分别与该三路APD光电二极管相连接并将该三路APD光电二极管接收到的微弱电流信号进行增益放大的增益放大电路A、增益放大电路B和增益放大电路C，所述三路增益放大电路的输出端分别与高速模拟开关三个通道的输入端连接，所述激光回波滤光聚焦片位于三个APD光电二极管的接收端前。
所述光学聚焦准直模块包括设于大功率脉冲二极管输出端将大功率脉冲二极管输出激光光源聚焦成发散角度低于0.5°的聚焦镜片和位于聚焦镜片后方将聚焦后的激光光源分成三束呈品字形平行激光的衍射光栅。
所述窄脉冲驱动电路将高速数字信号处理芯片(DSP)所产生的窄脉冲信号放大至调制频率为300Khz、脉宽为30ns的窄脉冲调制波，并将该窄脉冲调制波加载到大功率脉冲二极管。
所述窄脉冲调制波为方波信号，所述高速数字信号处理芯片(DSP)设有I2C/RS232通讯接口。
本发明的高速数字信号处理芯片(DSP)产生的窄脉冲信号，该窄脉冲信号经过窄脉冲驱动电路后被放大至调制频率为300Khz、脉宽为30ns的窄脉冲调制波，该窄脉冲调制波被加载至大功率脉冲二极管并驱动大功率脉冲二极管输出850nm不可见红外激光，所述850nm不可见红外激光经过聚焦镜片聚焦成发散角度低于0.5°的激光束后再经过衍射光栅分成三束呈品字形平行激光投射至被检测地形；本发明采用三点呈品字形的激光对被检测地形进行检查，当遇到凹凸地面或恶劣地形时，通过三点呈品字形的激光同时投射可以对凹凸地面或恶劣地形进行扫描，相比于现有单点激光扫描，不仅使发射出去的激光稳定性更佳，而且品字形三点扫描更加密集、面积更大，从而扫面更加清晰，判断前端障碍形状更加准确。简单地说，当遇到地面凹凸时，如果是单点激光有可能直接打在了凹面里面，该处本身就是个坑，因为单点激光一次只能扫描一个点，如果是三点品字形激光，就可以扫描到三个点，这样轮廓就更加清晰；当遇到复杂地形时，如杂草或者树木，单点激光有可能直接打在了树木上，而三点品字形激光则可以更加清楚的将杂草或者树木的轮廓扫描出来。
同时地，被投射出的三束激光经过激光回波滤光聚焦片聚焦后分别被三个APD光电二极管接收并转化成微弱电流信号输出至相对应的增益放大电路进行转换放大得到较大的电压信号，此电压信号进行信号恒比鉴别得到稳定的TTL信号，三路TTL信号分别输入高速模拟开关控制，由处理器控制高速模拟的输出，并选择和分配三路回波输出给光速处理电路。
高速模拟开关是由四通道多路复用器组成，三路回波信号的TTL分别接高速模拟开关的输入端，模拟开关的公共输出端接光速处理电路的输入端，控制器控制模拟开关的地址选通端来控制由那一路信号输出，这样就能很好的分离三路回波信号。
光速处理电路处理三路激光回波信号并计算出三束激光点的距离信息，由高速数字信号处理芯片(DSP)进行数据运算并确定当前地形状态。高速数字信号处理芯片再根据算法确定出地面安全信息。
本发明在运行过程中如图2所示，将电机安装于UAV上且与UAV水平成45°夹角，并将本地形检测系统安装于可45°-90°来回转动的电机上。电机水平45°-90°夹角进行来回旋转，本地形检测系统就进行水平45°-90°夹角来回旋转进行扫描，当UAV垂直时距离为d1，与UAV45°夹角时距离为dn，dn为飞行前方物体检查，d1为UAV地面高度检查，d1...dn为45°-90°扫描的地形距离，根据多点测量距离和当前的角度信息，即可测算出当前检查地形的状态。
本发明结构简单、设计科学合理，使用方便，在恶劣环境下检测速度快，抗干扰能力强，测量精度高，适用范围广，适于广泛推广应用。
上述实施例仅为本发明的优选实施方式之一，不应当用于限制本发明的保护范围，但凡在本发明的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本发明一致的，均应当包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于激光测距的UAV地形检测系统，其特征在于：该地形检测系统通过可45°-90°来回转动的步进电机固定在UAV上，包括超高速激光发射模块，光速处理电路，用于产生激光发射的窄脉冲信号、计算激光飞行时差和确定被检测地面地形状态且包括有光源输出驱动端的高速数字信号处理芯片，用于接收激光回波的超高增益激光接收模块，精密光学模组，以及用于控制步进电机45°-90°来回转动的电机控制电路；
所述超激光发射模块包括输入端与光源输出驱动端连接的窄脉冲驱动电路和输入端与窄脉冲驱动电路输出端连接并可输出850nm不可见红外激光的大功率脉冲二极管；
所述精密光学模组包括用于发射光源的光学聚焦准直模块和用于将激光回波进行滤光和聚焦的激光回波滤光聚焦片，所述光学聚焦准直模块设于大功率脉冲二极管输出端并将大功率脉冲二极管输出激光光源聚焦后分束成三束平行激光投射出；
所述超激光接收模块包括分别用于接收三束平行激光投射后的激光回波和对接收后的信号进行超高增益放大的三路激光回波接收电路和由四通道多路复用器组成且包含有公共输出端的高速模拟开关，所述三路激光回波接收电路的输出端分别与高速模拟开关三个通道的输入端连接，所述公共输出端与光速处理电路的输入端连接，所述激光回波滤光聚焦片位于三路激光回波接收电路的接收端前；
所述电机控制电路主要包括分别与高速数字信号处理芯片连接用于高速驱动步进电机进行45°-90°均匀来回旋转和实时采集当前电机转动角度信息的电机驱动电路，以及将所采集的当前电机转动角度信息转换成电压信号后传输给高速数字信号处理芯片的电机角度反馈电路，所述高速数字信号处理芯片依靠该信号来判断当前的角度位置；
所述光速处理电路和高速数字信号处理芯片信号交互连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于激光测距的UAV地形检测系统，其特征在于：还包括触发电路，所述大功率脉冲二极管通过触发电路与光速处理电路相连接。
3.根据权利要求2所述的一种基于激光测距的UAV地形检测系统，其特征在于：所述三路激光回波接收电路包括分别用于接收三束平行激光投射后的回波的APD光电二极管A、APD光电二极管B和APD光电二极管C，和分别与该三路APD光电二极管相连接并将该三路APD光电二极管接收到的微弱电流信号进行增益放大的增益放大电路A、增益放大电路B和增益放大电路C，所述三路增益放大电路的输出端分别与高速模拟开关三个通道的输入端连接，所述激光回波滤光聚焦片位于三个APD光电二极管的接收端前。
4.根据权利要求3所述的一种基于激光测距的UAV地形检测系统，其特征在于：所述光学聚焦准直模块包括设于大功率脉冲二极管输出端将大功率脉冲二极管输出激光光源聚焦成发散角度低于0.5°的聚焦镜片和位于聚焦镜片后方将聚焦后的激光光源分成三束呈品字形平行激光的衍射光栅。
5.根据权利要求4所述的一种基于激光测距的UAV地形检测系统，其特征在于：所述窄脉冲驱动电路将高速数字信号处理芯片所产生的窄脉冲信号放大至调制频率为300Khz、脉宽为30ns的窄脉冲调制波，并将该窄脉冲调制波加载到大功率脉冲二极管。
6.根据权利要求5所述的一种基于激光测距的UAV地形检测系统，其特征在于：所述高速数字信号处理芯片产生控制信号并传送至电机驱动电路，电机驱动电路接收到该控制信号并将其放大后驱动电机进行45°-90°均匀来回旋转。
7.根据权利要求6所述的一种基于激光测距的UAV地形检测系统，其特征在于：所述窄脉冲调制波为方波信号。
8.根据权利要求7所述的一种基于激光测距的UAV地形检测系统，其特征在于：所述高速数字信号处理芯片设有I2C/RS232通讯接口。
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