[發明專利]基于小型四旋翼無人機的構圖裝置及方法

有效

• 申請號: 201410182840.4
• 申請日: 2014-04-30
• 公開（公告）號: CN103941750A
• 公開（公告）日: 2014-07-23
• 發明（設計）人: 吳成東;常雪楓;王璐;王琦
• 申請（專利權）人: 東北大學
• 主分類號: G05D1/10
• 分類號: G05D1/10
• 代理公司: 沈陽東大知識產權代理有限公司 21109
• 代理人: 梁焱

1.一種基于小型四旋翼無人機的構圖裝置，包括四旋翼無人機、激光雷達、無線路由器、反光鏡，其特征在于，還包括PC機、遠程控制開關、機載計算機、控制器和電源，其中，所述的激光雷達設置于四旋翼無人機上端中心位置，反光鏡設置于激光雷達發射端初始位置相對處，并與四旋翼無人機平面之間的夾角為45°，所述的遠程控制開關、機載計算機、控制器和電源構成機載控制部分，設置于四旋翼無人機的中心位置；

所述的激光雷達的輸出端連接機載計算機的輸入端，機載計算機的輸出端連接控制器的輸入端，控制器的四路輸出端分別連接四旋翼無人機四個螺旋槳的電機輸入端，在控制器與電源之間設置有遠程控制開關；所述的機載計算機通過無線網絡連接無線路由器，并且無線路由器通過無線網絡連接PC機。

2.根據權利要求1所述的基于小型四旋翼無人機的構圖裝置，其特征在于，所述的PC機內部包括環境構圖模塊、構圖矯正模塊和路徑規劃模塊，其中，

環境構圖模塊：用于采用同步定位與地圖構建方法根據激光雷達采集到的激光數據進行掃描區域的構圖，所述的激光數據包括掃描角度和該角度對應反射點的距離；

構圖矯正模塊：用于根據控制器內部的慣性測量單元測量的無人機傾斜角度和每個掃描角度對應反射點的距離，計算獲得每個反射點水平方向上的距離，根據每個反射點水平方向上的距離重新進行構圖，獲得矯正后的環境構圖；

路徑規劃模塊；用于基于代價地圖的Dijkstra最優路徑算法根據獲得的矯正后的環境構圖獲得無人機飛行路徑，并將飛行路徑通過機載計算機發送至控制器中。

3.根據權利要求1所述的基于小型四旋翼無人機的構圖裝置，其特征在于，所述的遠程控制開關包括一個電阻、一個電源接口、一個機載計算機接口、一個天線接口、一個穩壓管、一個MOSFET管，其中，穩壓管的輸入端同時連接電源接口的輸出端和機載計算機接口的輸入端，穩壓管的輸出端連接天線接口的輸入端，穩壓管的輸入端接地，天線接口的另一個端口同時連接MOSFET管的柵極和電阻的一端，電阻的另一端接地，MOSFET管的源極接地，MOSFET管的漏極連接機載計算機接口的輸出端。

4.根據權利要求1所述的基于小型四旋翼無人機的構圖裝置，其特征在于，還設置有一個用于控制遠程控制開關的遙控器和一個天線，所述的天線通過天線接口連接遠程控制開關，遙控器發送緊急信號至天線，使其強制切斷控制器的電源。

5.采用權利要求1所述的基于小型四旋翼無人機的構圖裝置進行的構圖方法，其特征在

于：包括以下步驟：

步驟1、在目標構圖區域內，以無人機起飛位置作為原點建立坐標系，并根據實際需求設置無人機的目標飛行高度和飛行速度；

步驟2、啟動無人機上升飛行，采用激光雷達發射激光并通過反射鏡反射激光，根據反射的時間，計算無人機實時飛行高度，當無人機達到目標飛行高度時停止上升；

步驟3、在目標高度，采用激光雷達進行旋轉掃描，獲得不同激光雷達數據，所述的激光雷達數據包括采樣旋轉角度和該角度對應反射點的距離，并將采激光雷達數據發送至機載計算機中；

步驟4、機載計算機將激光雷達數據通過無線路由器發送至PC機中；

步驟5、PC機內部的環境構圖模塊采用同步定位與地圖構建方法根據激光雷達采集到的采樣旋轉角度對應反射點所在坐標系中的位置進行掃描區域的構圖；

步驟6、采用控制器內部的慣性測量單元測量的無人機傾斜角度，并根據每個掃描角度對應反射點的距離，計算獲得每個反射點水平方向止的距離，根據每個反射點水平方向上的距離重新進行構圖，獲得最終的環境構圖，完成構圖的矯正；

步驟7、返回執行步驟3進行多次的掃描構圖，實時獲得環境構圖并執行步驟8；

步驟8、根據無人機當前在坐標系中的位置和飛行速度，采用基于代價地圖的Dijkstra最優路徑算法根據獲得的實時環境地圖獲得無人機實時飛行路徑，并將實時飛行路徑通過機載計算機發送至控制器中，所述的飛行路徑終點為根據需求設定的重點掃描區域；

步驟9、控制器根據獲得的飛行路徑發送控制信號至無人機四個螺旋槳的電機中，實現無人機自動飛行；

步驟10、無人機按照飛行路徑至終點后，切換為手動控制，在根據實際需求設定的高度范圍內進行不同高度的實時掃描，進而完成重點區域的立體掃描構圖。

6.根據權利要求5所述的構圖方法，其特征在于，步驟8所述的采用基于代價地圖的Dijkstra最優路徑算法根據獲得的實時環境構圖獲得無人機實時飛行路徑，具體為：將構建的二維地圖的長和寬根據需求進行平均分割，進而實現對二維地圖的網格劃分，根據每個網格與障礙物的距離設置每個網格的代價值，網格與障礙物距離越近代價值越大，代價值的取值范圍為0～255，再采用Dijkstra算法獲得代價地圖上一條代價值最小的路徑，即為無人機規劃出來的路徑。