CN107562070B - 一种基于激光雷达的自主飞行四旋翼穿行隧道方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于激光雷达的自主飞行四旋翼穿行隧道方法，利用自主飞行四旋翼自主寻找入口并进入隧道，在隧道内部，再通过激光雷达对自主飞行四旋翼实现自主导航飞行，在飞行的同时结合自带的摄像头对隧道内部电缆及周边情况进行实时检测，最后自主飞出隧道，整个过程无须人工干预，具有良好的自主飞行及导航能力，还具有检测范围广、速度快、精确度高等特点。

Description

一种基于激光雷达的自主飞行四旋翼穿行隧道方法
技术领域
本发明属于飞行控制技术领域，更为具体地讲，涉及一种基于激光雷达的自主飞行四旋翼穿行隧道方法。
背景技术
近年来，在大型城市的发展中，以地下电缆方式取代传统的架空线路已经成为主流。统计表明，在许多现代化都市中，地下输电线路的比例已经超过70％。电缆隧道作为容纳电缆数量较多、有供安装和巡视的通道的全封闭地下构筑物，是地下电缆的最佳承载方式，随着地下电缆的普及，如何定期对封闭隧道进行检测并预防突发情况成为了急需解决的问题。
由此人们提出了利用有轨机器人或者人工进行定期检测。其中，有轨机器人主要是依托轨道进行运动的，轨道铺设在隧道顶部或底部，机器人通过自身电机的旋转或者轨道的传动，沿着轨道在隧道内穿行，并且通过机器人搭载的相关传感器对隧道进行实时检测；但隧道长度的不确定性会增加轨道铺设的成本，同时一旦隧道发生险情，轨道也极大地限制了机器人在隧道内的通过性，所以这些检测方法都有相当大的局限性，而能够对隧道进行自主，全面检测的无人装置却没有出现。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于激光雷达的自主飞行四旋翼穿行隧道方法，利用自主飞行四旋翼自主寻找入口并进入隧道，在隧道内部实现自主导航飞行，并实时检测隧道内部电缆及周边情况，最后自主飞出隧道。
为实现上述发明目的，本发明一种基于激光雷达的自主飞行四旋翼穿行隧道方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)、控制自主飞行四旋翼驶入隧道井口
(1.1)、自主飞行四旋翼上电初始化；
(1.2)、手动起飞自主飞行四旋翼，使自主飞行四旋翼离地面距离h1，再通过遥控器切换自主飞行四旋翼为定高飞行模式；
(1.3)、飞行控制模块给板载计算机一模式转换信号，使板载计算机驱动激光雷达工作；
(1.4)、激光雷达以固定频率f0给板载计算机返回当前环境的二维点云数据，板载计算机收到二维点云数据后，以频率f1建立二维地图，同时又以固定频率f0'向飞行控制模块发送通过建立二维地图所得到的自主飞行四旋翼的当前位置信息；
(1.5)、获取到自主飞行四旋翼的当前位置信息后，飞行控制模块从定高飞行模式自动切换到定点飞行模式；
(1.6)、在定点飞行模式下，板载计算机根据二维地图找到自主飞行四旋翼前方隧道井口处一点a，经过点a横向作线段，交于隧道左、右两侧墙壁于点b、c，同时纵向作线段，交于前方隧道墙壁于点d；
若ad>ab，则沿ad方向继续寻找合适目标点；若ad<ab，则沿da方向寻找合适目标点，使得目标点到隧道入口的前，左，右三面的距离相等，即ab＝ac＝ad；
(1.7)、飞行控制模块控制自主飞行四旋翼到达目标点；
(2)、控制自主飞行四旋翼从隧道井口驶入隧道入口
飞行控制模块控制自主飞行四旋翼从目标点处垂直下降至距离隧道底部h2处，即隧道入口；
(3)、飞行控制模块控制自主飞行四旋翼穿自动导航行隧道
(3.1)、飞行控制模块向板载计算机发送指令，按照步骤(1.4)所述方法重新建立二维地图，并根据新建二维地图获取自主飞行四旋翼的当前位置信息；
(3.2)、板载计算机根据新建二维地图找到距离自主飞行四旋翼机头前方l1处一点，利用该点横向作线段，交于隧道两侧墙壁，再取线段中点记为点A，若点A处有障碍物，则自主飞行四旋翼保持之前的飞行状态，若点A处无障碍物，则进入步骤(3.3)；
(3.3)、板载计算机根据新建二维地图找到距离自主飞行四旋翼机头前方l2(l2＞l1)处一点B，若点B处有障碍物，则以点A为当前目标点，控制自主飞行四旋翼自动导航到达点A，若点B处无障碍物，则进入步骤(3.4)；
(3.4)、板载计算机在新建二维地图中取AB的连线方向为隧道的走势方向，再确定该方向上距离自主飞行四旋翼机头前方l3(l3＞l2)处一点，同样利用该点作线段，交于隧道两侧墙壁，再取线段中点记为点C，若点C处有障碍物，则以点B为当前目标点，控制自主飞行四旋翼自动导航到达点B，若点C处无障碍物，选取点C为当前目标点，并控制自主飞行四旋翼自动导航到达点C；
(3.5)、判断自主飞行四旋翼的当前位置与当前目标点的位置是否在半径为R的误差范围内，如果在误差范围内，则成功通过隧道，否则返回步骤(3.2)；
(4)、控制自主飞行四旋翼从隧道出口驶离隧道井口
飞行控制模块控制自主飞行四旋翼从隧道出口处垂直上升，直到驶离隧道井口，用户再通过遥控器切换自主飞行四旋翼为手动模式，并手动降落。
本发明的发明目的是这样实现的：
本发明基于激光雷达的自主飞行四旋翼穿行隧道方法，利用自主飞行四旋翼自主寻找入口并进入隧道，在隧道内部，再通过激光雷达对自主飞行四旋翼实现自主导航飞行，在飞行的同时结合自带的摄像头对隧道内部电缆及周边情况进行实时检测，最后自主飞出隧道，整个过程无须人工干预，具有良好的自主飞行及导航能力，还具有检测范围广、速度快、精确度高等特点。
同时，本发明基于激光雷达的自主飞行四旋翼穿行隧道方法还具有以下有益效果：
(1)、目前，隧道用检测机器人多以轨道式为主，而这种方法需要在隧道顶部或者底部铺设轨道，这样花费成本高，还具有一定的局限性，且检测范围也有限，而本发明无需铺设轨道，具有低成本的优点；
(2)、本发明在隧道内有更好地通过性，只要留有一定的空间，四旋翼便能继续在隧道内开展检测的任务，受隧道内环境的影响较小；
(3)、本发明能够替代人工下井完成检测任务，能够极大地缩短检测时间，且能够在发现险情时下井勘查，保障人员安全，具有更加安全可靠性。
附图说明
图1是隧道结构的剖面示意图；
图2是本发明基于激光雷达的自主飞行四旋翼穿行隧道方法流程图；
图3是寻找隧道入口示意图；
图4是穿行隧道示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
实施例
图1是隧道结构的剖面示意图。
在本实施例中，隧道结构的剖面图如图1所示，隧道的出入口均为三面封闭型，隧道整体接近直线，所出现的拐弯角度都比较小。针对模拟隧道结构将整个检测任务过程分为了5个步骤，分别是(1)、自主飞行四旋翼初始化，寻找隧道入口；(2)、自主飞行四旋翼沿隧道入口自主垂直下井；(3)、自主飞行四旋翼自主导航，飞行通过隧道并找到出口；(4)、自主飞行四旋翼沿隧道出口垂直上井悬停；(5)、任务完成，自主飞行四旋翼返航降落。
下面我们结合图2，对一种基于激光雷达的自主飞行四旋翼穿行隧道方法进行详细说明，具体包括以下步骤：
S1、寻找隧道入口，控制自主飞行四旋翼驶入隧道井口
S1.1、自主飞行四旋翼上电初始化；
S1.2、手动起飞自主飞行四旋翼，使自主飞行四旋翼离地面一定高度时，具体高度无要求，再通过遥控器切换自主飞行四旋翼为定高飞行模式，其中，定高飞行模式是通过自主飞行四旋翼底部安装的超声波传感器与机载加速度传感器融合来实现定高控制；
S1.3、飞行控制模块给板载计算机一模式转换信号，使板载计算机驱动激光雷达工作；
S1.4、激光雷达以固定频率10Hz给板载计算机返回当前环境的二维点云数据，板载计算机收到二维点云数据后，以2Hz的频率建立二维地图，同时又以固定频率10Hz向飞行控制模块发送通过建立二维地图所得到的自主飞行四旋翼的当前位置信息，包括自主飞行四旋翼在板载计算机所建二维地图中的坐标以及偏航角，而这又是通过自主飞行四旋翼上搭载的板载计算机利用从激光雷达获得的二维点云数据建立的二维地图与当前帧点云数据匹配得到的；
S1.5、获取到自主飞行四旋翼的当前位置信息后，飞行控制模块从定高飞行模式自动切换到定点飞行模式，其中，定点飞行模式是通过自主飞行四旋翼当前位置信息与机载加速度传感融合来实现定点控制；
S1.6、在定点飞行模式下，如图3所示，板载计算机根据二维地图找到自主飞行四旋翼前方隧道井口处一点a，经过点a横向作线段，交于隧道左、右两侧墙壁于点b、c，同时纵向作线段，交于前方隧道墙壁于点d；
若ad>ab，则沿ad方向继续寻找合适目标点；若ad<ab，则沿da方向寻找合适目标点，使得目标点到隧道入口的前，左，右三面的距离相等，即ab＝ac＝ad；
S1.7、飞行控制模块控制自主飞行四旋翼到达目标点，即隧道井口；
S2、控制自主飞行四旋翼从隧道井口驶入隧道入口
自主飞行四旋翼到达隧道井口后，隧道尽头的墙壁有一定的安全距离，这时需要飞行控制模块控制自主飞行四旋翼从隧道井口处垂直下降至距离隧道底部70cm处，到达隧道入口；
S3、飞行控制模块控制自主飞行四旋翼自动导航穿行隧道
S3.1、飞行控制模块向板载计算机发送指令，按照步骤S1.4所述方法重新建立二维地图，并根据新建二维地图获取自主飞行四旋翼的当前位置信息；
S3.2、板载计算机根据新建二维地图找到距离自主飞行四旋翼机头前方30cm处一点，如图4所示，利用该点横向作线段，交于隧道两侧墙壁，再取线段中点记为点a，若点a处有障碍物，则自主飞行四旋翼保持之前的飞行状态，若点a处无障碍物，则进入步骤S3.3；
S3.3、板载计算机根据新建二维地图找到距离自主飞行四旋翼机头前方40cm处一点b，若点b处有障碍物，则以点a为当前目标点，控制自主飞行四旋翼自动导航到达点a，若点b处无障碍物，则进入步骤S3.4；
S3.4、板载计算机在新建二维地图中取ab的连线方向为隧道的走势方向，再确定该方向上距离自主飞行四旋翼机头前方1m处一点，同样利用该点作线段，交于隧道两侧墙壁，再取线段中点记为点c，若点c处有障碍物，则以点b为当前目标点，控制自主飞行四旋翼自动导航到达点b，若点c处无障碍物，选取点c为当前目标点，并控制自主飞行四旋翼自动导航到达点c；
S3.5、判断自主飞行四旋翼的当前位置与当前目标点的位置是否在半径为10cm的误差范围内，如果在误差范围内，则成功通过隧道，否则返回步骤S3.2；
S4、控制自主飞行四旋翼从隧道出口驶离隧道井口
飞行控制模块控制自主飞行四旋翼从隧道出口处垂直上升，直到驶离隧道井口；
S5、自主飞行四旋翼完成整个自主飞行探测任务，用户通过遥控器给四旋翼信号切换到手动模式并手动降落。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (2)

1.一种基于激光雷达的自主飞行四旋翼穿行隧道方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)、控制自主飞行四旋翼驶入隧道井口
(1.1)、自主飞行四旋翼上电初始化；
(1.2)、手动起飞自主飞行四旋翼，使自主飞行四旋翼离地面距离h1，再通过遥控器切换自主飞行四旋翼为定高飞行模式；
(1.3)、飞行控制模块给板载计算机一模式转换信号，使板载计算机驱动激光雷达工作；
(1.4)、激光雷达以固定频率f0给板载计算机返回当前环境的二维点云数据，板载计算机收到二维点云数据后，以频率f1建立二维地图，同时又以固定频率f0'向飞行控制模块发送通过建立二维地图所得到的自主飞行四旋翼的当前位置信息；
(1.5)、获取到自主飞行四旋翼的当前位置信息后，飞行控制模块从定高飞行模式自动切换到定点飞行模式；
(1.6)、在定点飞行模式下，板载计算机根据二维地图找到自主飞行四旋翼前方隧道井口处一点a，经过点a横向作线段，交于隧道左、右两侧墙壁于点b、c，同时纵向作线段，交于前方隧道墙壁于点d；
若ad>ab，则沿ad方向继续寻找合适目标点；若ad<ab，则沿da方向寻找合适目标点，使得目标点到隧道入口的前、左、右三面的距离相等，即ab＝ac＝ad；
(1.7)、飞行控制模块控制自主飞行四旋翼到达目标点；
(2)、控制自主飞行四旋翼从隧道井口驶入隧道入口
飞行控制模块控制自主飞行四旋翼从目标点处垂直下降至距离隧道底部h2处，即隧道入口；
(3)、飞行控制模块控制自主飞行四旋翼自动导航穿行隧道
(3.1)、飞行控制模块向板载计算机发送指令，按照步骤(1.4)所述方法重新建立二维地图，并根据新建二维地图获取自主飞行四旋翼的当前位置信息；
(3.2)、板载计算机根据新建二维地图找到距离自主飞行四旋翼机头前方l1处一点，利用该点横向作线段，交于隧道两侧墙壁，再取线段中点记为点A，若点A处有障碍物，则自主飞行四旋翼保持之前的飞行状态，若点A处无障碍物，则进入步骤(3.3)；
(3.3)、板载计算机根据新建二维地图找到距离自主飞行四旋翼机头前方l2处一点B，l2＞l1，若点B处有障碍物，则以点A为当前目标点，控制自主飞行四旋翼自动导航到达点A，若点B处无障碍物，则进入步骤(3.4)；
(3.4)、板载计算机在新建二维地图中取AB的连线方向为隧道的走势方向，再确定该方向上距离自主飞行四旋翼机头前方l3处一点，l3＞l2；同样利用该点作线段，交于隧道两侧墙壁，再取线段中点记为点C，若点C处有障碍物，则以点B为当前目标点，控制自主飞行四旋翼自动导航到达点B，若点C处无障碍物，选取点C为当前目标点，并控制自主飞行四旋翼自动导航到达点C；
(3.5)、判断自主飞行四旋翼的当前位置与当前目标点的位置是否在半径为R的误差范围内，如果在误差范围内，则成功通过隧道，否则返回步骤(3.2)；
(4)、控制自主飞行四旋翼从隧道出口驶离隧道井口
飞行控制模块控制自主飞行四旋翼从隧道出口处垂直上升，直到驶离隧道井口，用户再通过遥控器切换自主飞行四旋翼为手动模式，并手动降落。
2.根据权利要求1所述的基于激光雷达的自主飞行四旋翼穿行隧道方法，其特征在于，所述的定高飞行模式是通过自主飞行四旋翼底部安装的超声波传感器与机载加速度传感器融合来实现定高控制；
所述定点飞行模式是通过自主飞行四旋翼当前位置信息与机载加速度传感融合来实现定点控制；
所述自动导航是通过板载计算机控制自主飞行四旋翼逐个到达由所建立的二维地图生成的当前点与目标点之间一系列路径点来实现导航飞行。
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