[發明專利]基于激光雷達的四旋翼無人機自主定位及控制方法

有效

• 申請號: 201410057861.3
• 申請日: 2014-02-20
• 公開（公告）號: CN103868521A
• 公開（公告）日: 2014-06-18
• 發明（設計）人: 鮮斌;張垚;茹濱超;宋英麟
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G01C23/00
• 分類號: G01C23/00;G05D1/10
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 劉國威

技術領域

本發明屬于四旋翼無人機自主飛行控制研究的技術領域，具體講，涉及四旋翼無人機自主定位及控制方法；

背景技術

無人駕駛飛機簡稱無人機，是一種利用無線電遙控或自身程序控制為主的不載人飛機；與載人飛機相比，無人機具有體積小、造價低、使用方便等優點；根據其結構設計的不同，無人機可分為固定翼和旋翼兩種類型；四旋翼無人機屬于旋翼無人機中的一種，其具有體積小巧、結構簡單、安全性高以及對飛行空間要求低等優點，在軍用及民用領域有著廣闊的應用前景，包括地形測繪、電網維護、航空運輸、災難搜救以及跟蹤監視等實際應用；四旋翼無人機是一種典型的欠驅動、強耦合、靜不穩定的非線性系統，對其進行飛行控制研究有著重要的理論價值；國外對于四旋翼無人機研究起步較早，技術也更加成熟；例如美國賓夕法尼亞大學、麻省理工學院，佐治亞理工大學，德國弗萊堡大學，瑞士蘇黎世聯邦理工及法國、澳大利亞、日本、韓國等國家的科研團隊，已經取得了較為深入的科研成果；現在正在向更加復雜的機動動作，更加完備的任務執行方面進行研究；近年來，國內也在逐步開展對四旋翼無人機的研究，如中國科學院、清華大學、國防科技大學、北京航空航天大學、東北大學等知名高校均進行了一定的研究；

四旋翼無人機電子系統可由傳感器及飛行控制兩個子系統組成；傳感器系統需要對無人機狀態進行精確測量或估計，其將無人機位置、速度、姿態角、角速度等飛行狀態傳遞給飛行控制子系統，并由其實現良好的飛行控制；傳感器系統可細分為姿態傳感器及位置傳感器兩類；常用姿態傳感器由三軸加速度計、三軸陀螺儀、磁力計等MEMS元件組成，其在室內外均可使用；位置傳感器則多采用GPS、北斗等衛星定位導航系統，然而該種傳感器難以在GPS信號微弱的樓群間及室內環境中實現精確定位；國際上為解決無GPS環境下精確定位問題，常用方法可分為基于VICON等運動捕獲系統定位，基于機載攝像頭定位及基于機載激光雷達定位三種；利用激光雷達作為機載位置傳感器，相較于其他方法，具有定位精度高、對環境依賴程度較弱、利于向室外擴展等優勢，是國際控制領域研究的熱點問題；

然而在我國針對無GPS信號環境，設計一套基于激光雷達的四旋翼無人機自主定位及控制系統尚處于研究起步階段，因此設計一套定位精確、功能完善、易擴展、控制性能良好的無人機定位及控制系統具有極大的理論價值及意義，并可拓寬四旋翼無人機的應用領域；

發明內容

本發明旨在克服現有技術的不足，提出一套新的基于二維激光雷達的自主定位方法，及基于此定位方法及其它機載MEMS芯片的四旋翼無人機控制系統設計方法，為此本發明采用的技術方案是，基于激光雷達的四旋翼無人機自主定位及控制方法，首先利用二維激光雷達進行無人機水平方向的初步定位，利用機載氣壓計得到無人機的高度方向的初步位置值；之后利用互補濾波算法，結合機載加速度計芯片，獲得更高頻率的無人機位置信息；最后基于此位置信息，應用于無GPS信號下的無人機控制系統。

實際上本發明所采用的定位方法由以下兩個階段完成：

第一個階段為較低頻率的三維位置裸數據獲取階段。其中平面二維位置主要使用激光雷達的定位算法，其包含三維投影、換圖策略及匹配定位三個部分，產生二維平面定位裸數據；而高度方向裸數據由機載氣壓計芯片測量數據獲取。

第二個階段為更高頻率定位數據獲取階段。其具體基于互補濾波器實現，使用機載加速度計融合第一階段產生的裸數據，得到更新速率更高的位置數據。

基于激光雷達的水平方向初步定位具體步驟為：

1)三維環境模型向二維平面投影

利用機器人運動學坐標變換方法，并結合機載慣性導航單元得到的歐拉角，將激光雷達掃描得到的參考圖像及當前圖像投影到水平面上，在這一平面上，再利用二維平面匹配方法進行位移及角度測量，從而得到無人機在水平方向上精確的位置信息，具體步驟如下，設激光雷達在時刻t，按逆時針順序第i條激光束在三維空間中掃描測到點其在激光雷達坐標系下定義為其中θ_i代表該條激光束所在角度，r_i代表該條激光束測得的距離，與此同時根據機載慣性導航單元，測得激光雷達所處滾轉角為γ、俯仰角為β，則通過（1）式，將投影至世界坐標系中：