CN205880223U - 基于激光扫描雷达的多旋翼室内定位系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型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，属于导航定位与控制技术领域。该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、二轴云台和数据处理计算机，所述无线传输模块包括两对不同频率的无线数传。本实用新型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

技术领域

本实用新型涉及一种基于激光扫描雷达的多旋翼室内定位系统，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。

实用新型内容

本实用新型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，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。

本实用新型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：

$\left\{\begin{array}{c}x=d*cos\mathrm{\α}*sin\mathrm{\β}\\ y=d*cos\mathrm{\α}*\cos \mathrm{\β}\\ z=d*sin\mathrm{\α}+h_0\end{array}\right.$

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。

本实用新型的有益效果如下：

1、本实用新型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，而本实用新型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、本实用新型具有控制简单，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是本实用新型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是本实用新型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

下面详细描述本实用新型的实施方式，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，仅用于解释本实用新型，而不能解释为对本实用新型的限制。

本实用新型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：

$\left\{\begin{array}{c}x=OP*sin\mathrm{\θ}\\ y=OP*\cos \mathrm{\θ}\end{array}\right.$

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：

$\left\{\begin{array}{c}x=d*cos\mathrm{\α}*sin\mathrm{\β}\\ y=d*cos\mathrm{\α}*\cos \mathrm{\β}\\ z=d*sin\mathrm{\α}+h_0\end{array}\right.$

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实用新型的技术思想，不能以此限定本实用新型的保护范围，凡是按照本实用新型提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本实用新型保护范围之内。

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，其特征在于，所述激光扫描雷达的型号是HOKUYO的UTM-30LX。

5.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，所述激光扫描雷达具有的角分辨率，扫描角度270º。