CN211207173U - 基于激光雷达的无人机仿地飞行系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于激光雷达的无人机仿地飞行系统，该无人机仿地飞行系统在无人机的下方安装二轴云台，通过二轴云台进行激光雷达测量装置的承载，以激光雷达测量装置进行无人机与地面之间的相对高度测量，而增稳控制装置通过将无人机的飞行姿态和二轴云台的姿态进行比对后，进行二轴云台的姿态控制，进而抵消由于无人机飞行姿态对于激光雷达测量装置准确度以及精确度的影响，该无人机仿地飞行系统可以使激光雷达测量装置随着无人机飞行姿态的变化进行实时的角度调节，进而提高其测量的准确度以及精确度，具有结构简单、设计合理、安全系数高等优点。

Description

基于激光雷达的无人机仿地飞行系统

技术领域

本实用新型公开涉及无人机自动飞行控制的技术领域，尤其涉及一种基于激光雷达的无人机仿地飞行系统。

背景技术

随着无人机技术的与日俱进，无人机依靠其灵活性被广泛应用在农业植保、航拍、快递运输、管道巡检等方面，尤其是植保无人机为农业带来的巨大的便捷。在无人机进行农药喷洒和管道巡检时，都需要跟地面保持一个恒定的距离。

但是现有的无人机飞控系统都是采用气压计进行定高，气压计提供的绝对高度，无法让无人机根据地形变化调整相应的高度，只能通过人工调整飞行高度，操控人员将受到视距的影响，不能完全保证的无人机的安全。

因此，如何研发一种基于激光雷达的无人机仿地飞行系统，以替代气压计进行飞行高度的检测，以保证无人机安全的前提下，大大提高了工作效率，成为人们亟待解决的问题。

实用新型内容

鉴于此，本实用新型提供了一种基于激光雷达的无人机仿地飞行系统，以至少解决以往的无人机飞行系统，采用气压计仅能提供绝对高度，无法让无人机根据地形变化调整相应的高度，存在安全系数低等问题。

本实用新型提供的技术方案，具体为，一种基于激光雷达的无人机仿地飞行系统，该系统包括：无人机、二轴云台、激光雷达测量装置、增稳控制装置以及移动终端；

所述无人机上设置有GPS定位器；

所述二轴云台安装于所述无人机的下方；

所述激光雷达测量装置安装在所述二轴云台上，用于测量所述无人机与地面之间的相对高度，所述激光雷达测量装置的输出端与所述无人机的控制器输入端连接；

所述增稳控制装置包括：姿态检测装置、驱动电机、陀螺仪以及云台主控器；

所述姿态检测装置安装在所述无人机上，用于检测所述无人机的飞行姿态数据；

所述驱动电机的输出端与所述二轴云台驱动连接；

所述陀螺仪安装于所述二轴云台上，用于检测所述二轴云台的姿态数据；

所述云台主控器的输入端分别与所述姿态检测装置的输出端以及所述陀螺仪的输出端连接，所述云台主控器的输出端与所述驱动电机的控制端连接；

所述移动终端的输出端与所述无人机的控制器输入端连接。

优选，所述激光雷达测量装置包括：激光光源、脉冲激光器、发射天线、接收天线、光电探测器、取样器以及脉冲计数器；

所述脉冲激光器的输入端与所述激光光源的输出端连接；

所述发射天线的输入端与所述脉冲激光器的输出端连接；

所述光电探测器的输入端与所述接收天线的输出端连接；

所述取样器的输入端与所述脉冲激光器的输出端连接；

所述脉冲计数器的输入端分别与所述取样器的输出端和所述光电探测器的输出端连接，所述脉冲计数器的输出端与所述无人机的控制器输入端连接。

进一步优选，所述激光雷达测量装置还包括：放大器；

所述放大器串联于所述光电探测器和所述脉冲计数器之间，且放大器的输入端与所述光电探测器的输出端连接，所述放大器的输出端与所述脉冲计数器的输入端连接。

进一步优选，所述激光雷达测量装置还包括：分束器；

所述分束器串联于所述脉冲激光器和所述取样器之间，且所述分束器的输入端与所述脉冲激光器的输出端连接，所述分束器的输出端与所述取样器的输入端连接。

进一步优选，所述云台主控器包括：卡尔曼滤波器、云台姿态解算器以及PID控制器；

所述卡尔曼滤波器的输入端与所述陀螺仪的输出端连接；

所述云台姿态解算器的输入端与所述卡尔曼滤波器的输出端连接；

所述PID控制器的输入端分别与所述云台姿态解算器的输出端以及所述姿态检测装置的输出端连接，所述PID控制器的输出端与所述驱动电机的控制端连接。

进一步优选，所述增稳控制装置中驱动电机由俯仰驱动电机和滚转驱动电机组成。

进一步优选，所述移动终端为手机或平板电脑。

本实用新型提供的基于激光雷达的无人机仿地飞行系统，在无人机的下方安装二轴云台，通过二轴云台进行激光雷达测量装置的承载，以激光雷达测量装置进行无人机与地面之间的相对高度测量，而增稳控制装置通过将无人机的飞行姿态和二轴云台的姿态进行比对后，进行二轴云台的姿态控制，进而抵消由于无人机飞行姿态对于激光雷达测量装置准确度以及精确度的影响，该飞行系统由于采用激光雷达测量装置进行无人机飞行高度测量，不仅可以测量无人机相对地面的实时相对高度，而且通过增稳控制装置的设置，可以使激光雷达测量装置随着无人机飞行姿态的变化进行实时的角度调节，进而提高其测量的准确度以及精确度，以提高无人机飞行的安全系数。

本实用新型提供的基于激光雷达的无人机仿地飞行系统，具有结构简单、设计合理、安全系数高等优点。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本实用新型的公开。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本实用新型的实施例，并与说明书一起用于解释本实用新型的原理。

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型公开实施例提供的一种基于激光雷达的无人机仿地飞行系统的结构示意图；

图2为本实用新型公开实施例提供的一种基于激光雷达的无人机仿地飞行系统中增稳控制装置的组成模块图；

图3为本实用新型公开实施例提供的一种基于激光雷达的无人机仿地飞行系统中激光雷达测量装置的组成模块图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本实用新型相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本实用新型的一些方面相一致的装置的例子。

为了解决以往的飞行系统，采用气压计进行高度测量时，仅能提供无人机的绝对高度，无法让无人机根据地形变化调整相应的高度，存在安全系数低等问题。为此，本实施方案提供了一种基于激光雷达的无人机仿地飞行系统，该飞行系统中通过激光雷达进行高度的测量，具体而言，参见图1，该无人机飞行系统主要由无人机1、二轴云台2、激光雷达测量装置3、增稳控制装置4以及移动终端5构成，其中，在无人机1上设置有GPS定位器，用于实时检测无人机1的位置，二轴云台2安装于无人机1的下方，且相对无人机1姿态可调，激光雷达测量装置3安装在二轴云台2上，用于测量无人机1与地面之间的相对高度，且激光雷达测量装置3的输出端与无人机1的控制器输入端连接，将检测的无人机相对地面的高度值发送到无人机1的控制器中。参见图2，增稳控制装置4主要由姿态检测装置41、驱动电机42、陀螺仪43以及云台主控器44构成，其中，姿态检测装置41安装在无人机1上，用于检测无人机的飞行姿态数据，驱动电机42的输出端与二轴云台2驱动连接，陀螺仪43安装于二轴云台2上，用于检测二轴云台2的姿态数据，该陀螺仪43可选用MPU6050，云台主控器44的输入端分别与姿态检测装置41的输出端以及陀螺仪43的输出端连接，云台主控器44的输出端与驱动电机42的控制端连接，移动终端5的输出端与无人机1的控制端连接。

上述基于激光雷达的无人机仿地飞行系统具有两种飞行模式，一种是手动飞行，无人机会始终保持设定的高度进行仿地飞行；另一种是通过地面站进行路线规划，无人机会全程保持设置高度进行自主飞行。无论是上述的手动飞行，还是路线规划飞行，均是由移动终端5向无人机1发送飞行的控制指令或路线规划，而无人机1的高度测量则依靠激光雷达测量装置3进行测量。

以路线规划飞行为例:操作人员会将规划的飞行路线以及要求无人机飞行的高度值均发送到无人机1的控制器中，而激光雷达测量装置3将检测的无人机相对地面的实时高度值也发送到无人机1的控制器中，对于高度而言，无人机1的控制器，将两个高度值进行比较，当二者高度一致时，则保持现有的高度进行飞行，而当激光雷达测量装置3测量的高度值大于/小于要求的高度值时，控制器变会控制无人机减低/提升飞行高度，直至激光雷达测量装置3测量的高度值与要求的高度值一致，而关于飞行路线，则通过将GPS定位器检测的位置信息与控制器接收的飞行路线进行比对，需要进行转弯时，则有控制器控制无人机进行转弯飞行，需要进行直线飞行时，也由控制器控制无人机进行直线飞行，直至完成整个飞行计划。

由于随着无人机1飞行姿态的变化，会导致激光雷达测量装置3与地面之间存在一定的角度，造成测量的高度数据不准确或者精度低，为此该无人机仿地飞行系统中设置有增稳控制装置4，该增稳控制装置4通过姿态检测装置41进行无人机1飞行姿态的检测，通过陀螺仪43进行二轴云台的姿态检测，且姿态检测装置41和陀螺仪43将检测的数据均发送到云台主控器44中，云台主控器44通过将接收的两组姿态数据进行比较，生成相应的控制参数，并发送到驱动电机42上，通过控制驱动电机42，调整二轴云台2相对无人机1的位置以及角度，用于弥补由于无人机1飞行姿态的变化，导致对激光雷达测量装置3测量准确度以及精确度的影响，提高无人机飞行的安全系数。

参见图3，为上述实施方案中，激光雷达测量装置3的一种具体方案，但是并不用于限制激光雷达测量装置3的具体选择。该激光雷达测量装置3主要由激光光源31、脉冲激光器32、发射天线34、接收天线35、光电探测器36、取样器37以及脉冲计数器38构成，其中，脉冲激光器32的输入端与激光光源31的输出端连接，发射天线34的输入端与脉冲激光器32的输出端连接，光电探测器36的输入端与接收天线34的输出端连接，取样器37的输入端与脉冲激光器32的输出端连接，脉冲计数器38的输入端分别与取样器37的输出端和光电探测器36的输出端连接。

上述激光雷达测量装置3的具体工作过程为：激光光源1经由脉冲激光器32和发射天线34向地面发射激光束，当激光束到达地面A后，由地面A进行反射，反射后的激光束由接收天线35进行接收，经光电探测器36探测后发送到脉冲计数器38中，而当脉冲激光器32发射激光时，取样器37对其进行取样，将取样的激光也发送到脉冲计数器38，脉冲计数器38通过将发送的激光相位与反射后的激光相位进行比较计算，最终获得检测的高度值。

具体的高度计算公式为：

其中，c为光速，f为频率，

为相位差，本实施方案中激光雷达的频率可设置在1-1000Hz，信号强度可信区间可以设置为0-65535，具体的频率和信号强度可以根据实际用途和环境进行设置。由于激光雷达的有效接收角度只有3.6°，因此，可大大提升数据的准确性。

作为技术方案的改进，参见图3，在该激光雷达测量装置中还设置有放大器39，该放大器39串联于光电探测器36和脉冲计数器38之间，且放大器39的输入端与光电探测器36的输出端连接，放大器39的输出端与脉冲计数器38的输入端连接。通过增设放大器39以进行光电探测器36输出信号的放大，便于脉冲计数器38的接收和处理。

作为技术方案的进一步改进，参见图3，在该激光雷达测量装置中还设置有分束器310，该分束器310串联于脉冲激光器32和取样器38之间，且分束器310的输入端与脉冲激光器32的输出端连接，分束器38的输出端与取样器的输入端连接。

以下为本实施方案提供的一种云台主控器的具体结构设计，但是并不用于限制云台主控器的选择，参见图2，该云台主控器主要由卡尔曼滤波器441、云台姿态解算器442以及PID控制器443构成，其中，卡尔曼滤波器441的输入端与陀螺仪43的输出端连接，云台姿态解算器442的输入端与卡尔曼滤波器441的输出端连接，PID控制器443的输入端分别与云台姿态解算器442的输出端以及所述姿态检测装置41的输出端连接，PID控制器443的输出端与驱动电机42的控制端连接。

上述云台主控器的具体工作过程为：卡尔曼滤波器441将陀螺仪43检测的姿态数据进行滤波后，由云台姿态解算器442进行姿态解算并将解算结果发送到PID控制器443中，由PID控制器443将该解算后的姿态结果与姿态检测装置41检测的结果进行比对，最终生成相应的控制参数，并依据该控制参数进行驱动电机的控制。

为了便于对二轴云台2的控制，作为技术方案的改进，将增稳控制装置中驱动电机设计为由俯仰驱动电机和滚转驱动电机组成。

上述实施方案中，移动终端可选用手机或平板电脑。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的实用新型后，将容易想到本实用新型的其它实施方案。本申请旨在涵盖本实用新型的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本实用新型的一般性原理并包括本实用新型未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本实用新型的真正范围和精神由权利要求指出。

应当理解的是，本实用新型并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本实用新型的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (7)

1.一种基于激光雷达的无人机仿地飞行系统，其特征在于，包括：无人机、二轴云台、激光雷达测量装置、增稳控制装置以及移动终端；

所述无人机上设置有GPS定位器；

所述二轴云台安装于所述无人机的下方；

所述激光雷达测量装置安装在所述二轴云台上，用于测量所述无人机与地面之间的相对高度，且激光雷达测量装置的输出端与所述无人机的控制器输入端连接；

所述增稳控制装置包括：姿态检测装置、驱动电机、陀螺仪以及云台主控器；

所述姿态检测装置安装在所述无人机上，用于检测所述无人机的飞行姿态数据；

所述驱动电机的输出端与所述二轴云台驱动连接；

所述陀螺仪安装于所述二轴云台上，用于检测所述二轴云台的姿态数据；

所述云台主控器的输入端分别与所述姿态检测装置的输出端以及所述陀螺仪的输出端连接，所述云台主控器的输出端与所述驱动电机的控制端连接；

所述移动终端的输出端与所述无人机的控制器输入端连接。

2.根据权利要求1所述基于激光雷达的无人机仿地飞行系统，其特征在于，所述激光雷达测量装置包括：激光光源、脉冲激光器、发射天线、接收天线、光电探测器、取样器以及脉冲计数器；

所述脉冲激光器的输入端与所述激光光源的输出端连接；

所述发射天线的输入端与所述脉冲激光器的输出端连接；

所述光电探测器的输入端与所述接收天线的输出端连接；

所述取样器的输入端与所述脉冲激光器的输出端连接；

所述脉冲计数器的输入端分别与所述取样器的输出端和所述光电探测器的输出端连接，所述脉冲计数器的输出端与所述无人机的控制器输入端连接。

3.根据权利要求2所述基于激光雷达的无人机仿地飞行系统，其特征在于，所述激光雷达测量装置还包括：放大器；

所述放大器串联于所述光电探测器和所述脉冲计数器之间，且放大器的输入端与所述光电探测器的输出端连接，所述放大器的输出端与所述脉冲计数器的输入端连接。

4.根据权利要求2所述基于激光雷达的无人机仿地飞行系统，其特征在于，所述激光雷达测量装置还包括：分束器；

所述分束器串联于所述脉冲激光器和所述取样器之间，且所述分束器的输入端与所述脉冲激光器的输出端连接，所述分束器的输出端与所述取样器的输入端连接。

5.根据权利要求2所述基于激光雷达的无人机仿地飞行系统，其特征在于，所述云台主控器包括：卡尔曼滤波器、云台姿态解算器以及PID控制器；

所述卡尔曼滤波器的输入端与所述陀螺仪的输出端连接；

所述云台姿态解算器的输入端与所述卡尔曼滤波器的输出端连接；

所述PID控制器的输入端分别与所述云台姿态解算器的输出端以及所述姿态检测装置的输出端连接，所述PID控制器的输出端与所述驱动电机的控制端连接。

6.根据权利要求1所述基于激光雷达的无人机仿地飞行系统，其特征在于，所述增稳控制装置中驱动电机由俯仰驱动电机和滚转驱动电机组成。

7.根据权利要求1所述基于激光雷达的无人机仿地飞行系统，其特征在于，所述移动终端为手机或平板电脑。

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