CN110907945A - 一种兼顾无人机室内外飞行的定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种兼顾无人机室内外飞行的定位方法，涉及无人机定位技术领域，解决了无人机室外飞行采用激光SLAM技术时无人机飞控系统的运算单元运算数据大，地图构建不精确的问题。本发明的方法中先获得一个安全距离S的数据，随着无人机上升到作业高度h，激光雷达反复扫描周围环境，更新无人机和物体在构建的地图中的位置。当扫描到的物体处于无人机飞行的安全距离S内，则更新地图；若物体处于无人机飞行的安全距离S之外，或未接收到发射出激光束脉冲的反射信号，则不更新地图。这样无人机系统的无人机飞控系统的运算单元所处理的数据就大大减少，构建的地图更加精确,定位也就更加精确。

Description

一种兼顾无人机室内外飞行的定位方法

技术领域

本发明涉及无人机定位技术领域，尤其涉及一种兼顾无人机室内外飞行的定位方法。

背景技术

无人机的发展首先应用于军事领域，因其具备无人员伤亡、使用限制少、隐蔽性好、效费比高等特点，对于一些人员难以实现的军事任务，如远距离监视、敌情侦察、精确打击主要目标、吸引火力等等，均可采用具备相应功能的无人机完成。这样的方式能够获取更加详细和准确的敌情信息，还会大幅度降低士兵执行任务的危险系数，降低伤亡。

随着近几年的不断拓展，无人机应用场景越来越广泛，且更趋向于民用化，也可以应用于科学研究。在民用领域，无人飞行器已经和即将使用的领域多达40多个，例如影视航拍、农业植保、海上监视与救援、电力巡线、渔业监管、交通监管等。无人机的民用化大幅度降低了普通市民的劳动强度，将看似困难且需要花费大力人力的工作简单化，不仅如此，无人机的作业效果在一些方面比传统人工作业的更好，多维度扫描、多角度拍摄、高精度定位、隐蔽监管均能够提供更加全面的分析素材，让人们更加详细地了解事实，并作出正确判断决策。

无人机在室外飞行时主要依靠卫星信号进行定位，其飞行控制系统根据接收到的卫星定位信息快速调整各个旋翼的相对转速，使无人机保持一个稳定的飞行姿态。而在室内，由于建筑遮挡等原因导致卫星信号弱，定位不准确，无法安全飞行。无人机室内飞行可采用激光SLAM技术，即时定位和构图，利用激光扫描周边环境，形成虚拟地图，但激光雷达扫描较远区域时准确性不高，并且在室外开阔地中无明显边界，范围广泛，直接应用激光SLAM进行飞行定位，数据量大，发射到较远地区的激光束难以反射回收，且无人机的飞控系统的运算单元需要面对巨大的运算压力，地图构建不精确，因此难以应用于开阔的室外环境。

发明内容

针对以上不足，本发明提供一种兼顾无人机室内外飞行的定位方法，能够解决无人机室外飞行采用激光SLAM技术时无人机飞控系统的运算单元运算数据大，地图构建不精确的问题。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种兼顾无人机室内外飞行的定位方法，其步骤如下：第一，确定安全距离S：无人机飞控系统中预先确定一个以无人机为中心的安全距离S；第二，初步构图和定位：无人机系统对安全距离S范围内进行构图并对无人机进行定位；第三，计算出物体到无人机的水平距离：当激光扫描到物体时，无人机系统记录下发射激光的时间点t1和接收到反射信号的时间点t2，记光速为v，则计算出物体到无人机的直线距离为

，记此时激光雷达的扫描角度为γ，则计算出物体到无人机的水平距离为

；第四，依据设定条件选择是否更新地图中物体位置和大小：当满足条件

时，无人机系统更新构建的地图中物体的大小和位置，并对无人机进行重新定位，当满足条件

时，则在构建的地图中保留物体原有位置，无需更改，仅对无人机的位置进行重新定位。

进一步地，所述安全距离S由无人机飞控系统中运算单元经过模型和算法估算得出或人为确定并预制于无人机飞控系统中。

进一步地，无人机起飞前，以及确定安全距离S前，激光雷达先粗略扫描周围环境并构图。

进一步地，无人机在作业高度h处对周围环境进行扫描构图时，扫描角由小到大，先构建距离无人机较近的环境地图，再构建远处的地图。

进一步地，无人机系统更新地图的同时保存原有的地图数据。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

确定安全距离S之后，当扫描到的物体处于无人机飞行的安全距离S内，则更新地图的物体大小和位置以及对无人机新定位；若物体处于无人机飞行的安全距离之外，或未接收到发射出激光束脉冲的反射信号，则不更新物体大小和位置，仅对无人机进行重新定位，物体位置保留在粗略扫描时的状态，使得无人机飞控系统的运算单元所需要处理的数据大大减少，同时避免了无人机飞离物体，与物体距离逐渐增大时，扫描准确度不如之前，却将后扫描获得的精度低的结果覆盖原本扫描获得的高精度结果的问题，无人机飞控系统的运算单元的运算量减少的同时使构建的地图更加精确，使得无人机定位更加精确。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，以下将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1是无人机作业时激光扫描盲区示意图，

图2是无人机扫描到障碍物时的测距示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明公开一种兼顾无人机室内外飞行的定位方法，步骤包括预先在无人机飞控系统中确定一个以无人机为中心的安全距离S，安全距离S由无人机飞控系统中运算单元经过模型和算法估算得出或人为确定一个安全距离S并预制于无人机飞控系统中。无人机飞控系统是无人机的大脑，各类模型算法和程序预制于无人机飞控系统中，无人机飞控系统接受到激光雷达的数据会在无人机飞控系统中的运算单元进行处理，然后得出数据进而构建地图。无人机起飞前，以及在确定安全距离S前，激光雷达先粗略扫描周围环境并构图，避免因空中飞行时存在扫描盲区而遗漏障碍物，如图1所示，盲区距离与飞机结构、飞行高度的关系为

。安全距离S若通过无人机飞控系统中运算单元经过模型和算法估算得出，则无人机起飞至高度h后，会根据激光雷达在距离上的精度，辅以无人机的轴距、飞行速度等，经过无人机飞控系统的运算单元根据模型和算法运算后估算出无人机安全飞行时需要与周围事物保持的距离S；无人机飞控系统计算安全距离S的模型和算法是已公开的技术，请参考中国知网的无人机自主跟踪地面运动目标方法与实验研究等相关论文，无人机飞控系统中模型和算法会根据激光雷达精确度，物体大小距离和多少，飞行速度无人机轴距大小等估算安全距离S，比如激光雷达越精确度越高，安全距离S可适当降低，反比关系，飞机轴距越大，安全距离S越大，正比关系，飞行速度越大，安全距离越S大，正比关系等等。还有另一种方式是人为估算一个安全距离S，并预制于无人机飞控系统中，当然通过无人机飞控系统中的模型和算法计算得出安全距离S比人为预制一个安全距离S于无人机飞控系统中对于无人机的飞行更加安全。得出安全距离S后，无人机系统对安全距离S范围内进行构图并对无人机进行定位，无人机在作业高度h处对周围环境进行扫描构图时，扫描角由小到大，先构建距离无人机较近的环境地图，再构建远处的地图；当激光扫描到物体时，如图2所示，无人机系统记录下发射激光的时间点t1和接收到反射信号的时间点t2，记光速为v，则计算出物体到无人机的直线距离为

，记此时激光雷达的扫描角度为γ，则计算出物体到无人机的水平距离为

；当满足条件

时，无人机系统更新构建的地图中物体的大小和位置，并对无人机进行重新定位，当满足条件

时，则在构建的地图中保留物体原有位置，无需更改，仅对无人机的位置进行重新定位；无人机系统更新地图的同时保存原有的地图数据。

无人机的硬件上需要配置激光雷达，以及常规无人机飞控、调速器、旋翼、电源系统等等，如无人机飞手需要实时获取无人机周边环境的信息，可在手持控制器上配置显示屏，如平板电脑。当无人机在室内起飞并飞行时，依靠常规的激光SLAM技术进行飞行定位即可。激光雷达向四周发射激光束脉冲，发射出的激光经过环境中的物体反射回到激光雷达，同时，激光雷达记录下发射和接收到激光束脉冲的时间点。光速和往返时间乘积的一半就是物体距离激光雷达的一半。室内环境相对较为狭窄，通常含有墙壁或其他界限，边界明显，发射出的激光束易反射回收，易于构图。

当无人机飞出室外，室外较为开阔时，不需要中断飞行来切换至依靠卫星定位的操作模式。考虑到无人机飞行过程中，受到的安全威胁仅与其周围环境有关，远处的障碍物难以对无人机造成威胁，因此，只要将激光雷达的扫描构图区域控制在一定范围内，即可满足精确识别无人机周边环境的同时，又降低运算量，减小无人机飞控系统的运算单元的运算压力。此时无人机飞控系统的运算单元先经过模型和算法估算出的以无人机为中心的安全距离S或人为确定安全距离S并预制于无人机飞控系统中。得出安全距离S后，无人机系统对安全距离S范围内进行构图并对无人机进行定位，无人机在作业高度h处对周围环境进行扫描构图时，扫描角由小到大，先构建距离无人机较近的环境地图，再构建远处的地图；当激光扫描到物体时，无人机系统记录下发射激光的时间点t1和接收到反射信号的时间点t2，记光速为v，则计算出物体到无人机的直线距离为

，记此时激光雷达的扫描角度为γ，则计算出物体到无人机的水平距离为

；当满足条件

时，无人机系统更新构建的地图中物体的大小和位置，并对无人机进行重新定位，当满足条件

时，则在构建的地图中保留物体原有位置，无需更改，仅对无人机的位置进行重新定位；无人机系统更新地图的同时保存原有的地图数据。

当无人机完成作业任务，需返回并降落到停机坪上，若距离较远时，可先根据粗略扫描构图获得的结果以较低的速度靠近停机坪，待靠近后，根据上述方法获取无人机和停机坪的精确相对位置，当二者在所构建的地图中的位置重叠，即二者坐标相同时，可向手持控制器发送降落许可信号，根据信号遥控无人机下降。此时虽然停机坪处于扫描盲区之中，但无人机靠近停机坪时已对停机坪的结构及其周围环境进行了扫描构图，虚拟地图中已包含了相关信息，不影响无人机安全降落。

本发明公开的一种兼顾无人机室内外飞行的定位方法，通过确定安全距离S之后，当扫描到的物体处于无人机飞行的安全距离S内，则更新地图的物体大小和位置以及对无人机新定位；若物体处于无人机飞行的安全距离之外，或未接收到发射出激光束脉冲的反射信号，则不更新物体大小和位置，仅对无人机进行重新定位，物体位置保留在粗略扫描时的状态，使得无人机飞控系统的运算单元所需要处理的数据大大减少，同时避免了无人机飞离物体，与物体距离逐渐增大时，扫描准确度不如之前，却将后扫描获得的精度低的结果覆盖原本扫描获得的高精度结果的问题，在减少了无人机飞控系统的运算单元的运算量的同时使构建的地图更加精确，使得无人机定位更加精确。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种兼顾无人机室内外飞行的定位方法，其特征在于：步骤如下，

第一，确定安全距离S：无人机飞控系统中预先确定一个以无人机为中心的安全距离S；

第二，初步构图和定位：无人机飞控系统对安全距离S范围内进行构图并对无人机进行定位；

第三，计算出物体到无人机的水平距离：当激光扫描到物体时，无人机系统记录下发射激光的时间点t1和接收到反射信号的时间点t2，记光速为v，则计算出物体到无人机的直线距离为

，记此时激光雷达的扫描角度为γ，则计算出物体到无人机的水平距离为

；

第四，依据设定条件选择是否更新地图中物体位置和大小：当满足条件

时，无人机系统更新构建的地图中物体的大小和位置，并对无人机进行重新定位，当满足条件

时，则在构建的地图中保留物体原有位置，无需更改，仅对无人机的位置进行重新定位。

2.根据权利要求1所述的一种兼顾无人机室内外飞行的定位方法，其特征在于：所述安全距离S由无人机飞控系统中运算单元经过模型和算法估算得出或人为确定并预制于无人机飞控系统中。

3.根据权利要求1所述的一种兼顾无人机室内外飞行的定位方法，其特征在于：无人机起飞前，以及确定安全距离S前，激光雷达先粗略扫描周围环境并构图。

4.根据权利要求1所述的一种兼顾无人机室内外飞行的定位方法，其特征在于：无人机在作业高度h处对周围环境进行扫描构图时，扫描角由小到大，先构建距离无人机较近的环境地图，再构建远处的地图。

5.根据权利要求1所述的一种兼顾无人机室内外飞行的定位方法，其特征在于：无人机系统更新地图的同时保存原有的地图数据。

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