CN206709853U - 一种多旋翼无人机室内同步定位与建图系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种多旋翼无人机室内同步定位与建图系统，包括搭载在无人机上的飞行控制模块、姿态传感器、光流传感器、电机、定位建图模块、激光雷达、超声波传感器、无线通讯模块；还包括地面站PC机、遥控器；姿态传感器、激光雷达分别与定位建图模块连接；定位建图模块、姿态传感器、光流传感器、电机、超声波传感器、无线通讯模块分别与飞行控制模块连接；地面站PC机、遥控器分别通过无线通讯模块与飞行控制模块连接。本实用新型克服了在无GPS环境下无人机无法进行定位与导航的缺点，同时能够提供准确的未知空间的二维栅格地图，在第二次进入该环境时为机器人提供先验地图知识。

Description

一种多旋翼无人机室内同步定位与建图系统

技术领域

本实用新型涉及一种多旋翼无人机室内同步定位与建图系统，属于无人机导航定位与控制技术领域。

背景技术

多旋翼无人机凭借其体积小，灵活性高，可垂直起降等优点广泛应用在森林防火，交通监控，对地侦察，灾难搜救，农业植保等领域。在空旷的室外环境中无人机依靠卫星导航定位系统进行定位与导航，但是在受到遮挡没有卫星信号的情况下多旋翼无人机无法进行自身的定位，特别是在未知的室内环境中卫星信号几乎没有。如何使无人机在无卫星信号的室内环境中依然可以进行导航和定位，变成了一个亟待解决的难题。

同步定位与建图技术是一种根据传感器探测周围环境数据来构建环境模型，并根据已建好的环境模型来进行自身定位的一种定位技术，与卫星导航定位系统不同，不需要依靠卫星信号就能知道自身位置。激光雷达是一种更新频率快，探测精度高的传感器。通过高速旋转激光束来感知周围环境到自身的距离，是一种高性能的用来测距的传感器，可用来进行同步定位与建图。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是：提供一种多旋翼无人机室内同步定位与建图系统，克服了在无GPS环境下无人机无法进行定位与导航的缺点，所有传感器和定位建图处理均在无人机上，无需将传感器信息传回地面处理，同时能够提供准确的未知空间的二维栅格地图，在第二次进入该环境时为机器人提供先验地图知识。

本实用新型为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种多旋翼无人机室内同步定位与建图系统，其特征在于，包括搭载在无人机上的飞行控制模块、姿态传感器、光流传感器、电机、定位建图模块、激光雷达、超声波传感器、无线通讯模块；还包括地面站PC机、遥控器；所述姿态传感器、激光雷达分别与定位建图模块连接；所述定位建图模块、姿态传感器、光流传感器、电机、超声波传感器、无线通讯模块分别与飞行控制模块连接；所述地面站PC机、遥控器分别通过无线通讯模块与飞行控制模块连接。

作为本实用新型的一种优选方案，所述飞行控制模块采用STM32F407型号芯片作为控制器。

作为本实用新型的一种优选方案，所述姿态传感器采用MTI300型号。

作为本实用新型的一种优选方案，所述光流传感器采用PX4flow型号。

作为本实用新型的一种优选方案，所述超声波传感器采用MB1212型号。

作为本实用新型的一种优选方案，所述激光雷达采用UTM30LX型号。

本实用新型采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、本实用新型多旋翼无人机室内同步定位与建图系统，使得多旋翼无人机可在室内无GPS环境下进行导航和定位且定位精度高。

2、本实用新型多旋翼无人机室内同步定位与建图系统，定位与建图模块与多旋翼飞行控制模块直接相连，无需将信号通过无线传输的方式发给地面计算机处理，减少延时提高实时性。

3、本实用新型多旋翼无人机室内同步定位与建图系统，当无人机再次进入已探测过的环境时，可将已构建的地图为无人机提供导航信息。

附图说明

图1是本实用新型多旋翼无人机室内同步定位与建图系统的整体架构图。

图2是本实用新型多旋翼无人机室内同步定位与建图系统的工作流程图。

图3是本实用新型激光雷达水平放置时的测量模型示意图。

图4是将激光雷达扫描平面投影到水平面示意图。

图5是本实用新型多旋翼无人机室内同步定位与建图系统数据更新频率与数据流向图。

图6是利用本实用新型系统进行同步定位与建图的效果图。

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。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。

如图1所示，一种多旋翼无人机室内同步定位与建图系统，包括多旋翼飞行控制部分、同步定位与建图部分、地面监测与控制部分。其中，多旋翼飞行控制部分的作用是控制多旋翼无人机的飞行姿态与飞行轨迹。同步定位与建图部分用来收集激光雷达采集的数据进行平面地图的绘制并计算无人机在室内空间中的位置。地面监测与控制部分的作用是通过遥控器和地面站PC机控制多旋翼无人机的飞行姿态和轨迹，并通过地面站PC机监测无人机的飞行数据，地面站PC主要起检测和高级指令发布的作用。地面监测与控制部分通过无线通讯模块与多旋翼飞行控制部分相连接，同步定位与建图部分与多旋翼飞行控制部分通过串口连接。

多旋翼飞行控制部分包括以STM32F407为主芯片的飞行控制模块、姿态传感器、光流传感器、超声波传感器、电机和电子调速器。同步定位与建图部分包括激光雷达、姿态传感器和处理数据的定位建图模块。地面检测与控制模块包括遥控器和地面站PC机。无线通讯模块包括无线数传和无线图传。电机通过PWM输出驱动电路与飞行控制模块的输出接口连接，姿态传感器MTI300与光流传感器PX4flow通过串口与飞行控制模块连接，超声波传感器MB1212通过I2C总线与飞行控制模块连接。具体的传感器的选择及功能描述如下。

飞行控制模块采用的是控制器STM32F407，它是基于252MIPS的Cortex-M4架构的32位单片机，时钟频率高达168MHZ，其丰富的硬件接口资源(4个USART，2个USAT，3个I2C，3个SPI，3个12位AD，2个CAN等等)及功能强大的DMA控制方式，充分保证多旋翼无人机控制系统的稳定性和实时性。

姿态传感器采用的是Xsens公司的MTI300，该系统可以测量物体的三维转动速度，三维加速度以及方向。时延小于2ms，能达到更好的运动性能。滚转和俯仰静态下误差在0.25°以内，动态误差在0.3°以内。偏航误差在1°以内。而且体积小、重量轻适合在小型无人机上使用。

光流传感器采用的是PX4flow是一款智能光学流动传感器用来测量无人机的飞行速度。传感器拥有原生752×480像素分辨率，计算光学流的过程中采用了4倍分级和剪裁算法，计算速度达到250Hz(白天，室外)，具备非常高的感光度。与其他滑鼠传感器不同，它可以以120Hz(黑暗，室内)的计算速度在室内或者室外暗光环境下工作，而无需照明LED。你也可以对它重新编程，用于执行其他基础的，高效率的低等级机器视觉任务。更新速度快、功耗低、延长飞行时间。

超声波传感器采用MB1212来测量无人机的飞行高度，具有42kHz的超声波频率，通过I2C方式输出信号，几乎没有死区20厘米的最小检测距离，最大探测距离750厘米，1厘米的分辨率，40Hz的刷新频率。满足体积小、重量轻、精度高等特点。

定位建图模块选用的是BBEN MN9mini计算机，具有intel Cherry Trail-Z8350四核处理器，主频1.44GHz-1.92GHz。4GBDDR3内存64GB固态硬盘，USB3.0接口。重量61.2g体积小、重量轻、处理速度快，使得同步定位与建图计可以无需将激光雷达采集的信息传回地面进行解算，解决了延时大的问题。

激光雷达选用hukuyo公司的UTM30LX，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3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°。

如图2所示，多旋翼无人机室内同步定位与建图系统的工作过程如下：

步骤1，将飞机放置在房间中，以飞机的起飞点为全局坐标的原点，根据实际需求设置起飞高度和速度；

步骤2，解锁无人机开始飞行，当无人机到达指定高度后开始进行无人机自主构图；

步骤3，激光雷达不断进行扫描室内环境，并将扫描数据通过串口传到定位建图模块与姿态传感器传回的姿态信息进行计算，得到无人机在室内环境中的位置，并将位置信息通过串口传给飞行控制模块进行多旋翼无人机的飞行控制。

步骤4，根据无人机当前的速度和位置，进行全局路径规划与本地实时规划来实现无人机的自主导航和避障。

步骤5，检测是否回到原点完成闭环。若回到原点进行自动降落，若没有返回执行步骤3。

步骤3所述的位置信息计算方法为Hectorslam，无需里程计利用已经获得的地图对激光束点阵进行优化，估计激光点在地图的表示和占据网格的概率。其中扫描匹配利用的是高斯牛顿的方法进行求解找到最优的位姿。

Hectorslam是一款开源的SLAM软件，在机器人操作系统(ROS)中有相应的开发包，具有良好的适用性和拓展性。我们针对根据开源软件做了适应性的改进，将IMU数据与激光雷达数据进行融合处理得到水平面内的激光扫描的投影，进而运行Hectorslam来实现室内环境对的构建与无人机的定位。如图4所示，当激光雷达的探测平面不在水平面时，根据如下的转换矩阵可将MTI300返回的姿态角将激光雷达测得的数据投影到水平面上进行绘制地图和定位。

其中，γ表示滚转角，θ表示俯仰角；第i个激光点在O_bX_bY_bZ_b坐标系下表示为a_ib(x_ib,y_ib,0)，在O_cX_cY_cZ_c坐标系下表示为a_ic(x_ic,y_ic,z_ic)，根据下式可将每一个激光点从坐标系O_bX_bY_bZ_b转换到坐标系O_cX_cY_cZ_c下：

如图5所示，是本实用新型多旋翼无人机室内同步定位与建图系统数据更新频率与数据流向图。如图6所示，是用多旋翼无人机构建出的室内环境的二维栅格平面图，灰色部分是未被激光雷达探测过的地方，黑色是被激光雷达扫描过且有障碍物的地方，白色是被激光雷达扫描过且无障碍物的地方。

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 (6)

1.一种多旋翼无人机室内同步定位与建图系统，其特征在于，包括搭载在无人机上的飞行控制模块、姿态传感器、光流传感器、电机、定位建图模块、激光雷达、超声波传感器、无线通讯模块；还包括地面站PC机、遥控器；所述姿态传感器、激光雷达分别与定位建图模块连接；所述定位建图模块、姿态传感器、光流传感器、电机、超声波传感器、无线通讯模块分别与飞行控制模块连接；所述地面站PC机、遥控器分别通过无线通讯模块与飞行控制模块连接。

2.根据权利要求1所述多旋翼无人机室内同步定位与建图系统，其特征在于，所述飞行控制模块采用STM32F407型号芯片作为控制器。

3.根据权利要求1所述多旋翼无人机室内同步定位与建图系统，其特征在于，所述姿态传感器采用MTI300型号。

4.根据权利要求1所述多旋翼无人机室内同步定位与建图系统，其特征在于，所述光流传感器采用PX4flow型号。

5.根据权利要求1所述多旋翼无人机室内同步定位与建图系统，其特征在于，所述超声波传感器采用MB1212型号。

6.根据权利要求1所述多旋翼无人机室内同步定位与建图系统，其特征在于，所述激光雷达采用UTM30LX型号。