[發(fā)明專利]基于小型四旋翼無(wú)人機(jī)的構(gòu)圖裝置及方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410182840.4
• 申請(qǐng)日: 2014-04-30
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN103941750A
• 公開(kāi)（公告）日: 2014-07-23
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 吳成東;常雪楓;王璐;王琦
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 東北大學(xué)
• 主分類號(hào): G05D1/10
• 分類號(hào): G05D1/10
• 代理公司: 沈陽(yáng)東大知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 21109
• 代理人: 梁焱

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于移動(dòng)機(jī)器人定位與導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于小型四旋翼無(wú)人機(jī)的構(gòu)圖裝置及方法。

背景技術(shù)

近年來(lái)，移動(dòng)機(jī)器人得到的迅速的發(fā)展，移動(dòng)機(jī)器人的定位和導(dǎo)航也越來(lái)越受到重視。實(shí)現(xiàn)自主定位和導(dǎo)航是機(jī)器人完成各種任務(wù)的重要前提，而實(shí)現(xiàn)定位和導(dǎo)航的關(guān)鍵在于建立起完整的地圖信息，因此，二維構(gòu)圖對(duì)于移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展具有重要的意義。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)地圖創(chuàng)建的要求也越來(lái)越高，尤其對(duì)于災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)等一些障礙比較多、結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、對(duì)建圖實(shí)時(shí)性要求高的復(fù)雜場(chǎng)合，傳統(tǒng)的地圖創(chuàng)建方法很難勝任?；跈C(jī)器視覺(jué)的地圖創(chuàng)建方法只能創(chuàng)建高度信息地圖，地圖信息比較單一，而且對(duì)圖像的處理對(duì)電腦要求較高，建圖速度也不理想。針對(duì)這些情況，出現(xiàn)了移動(dòng)機(jī)器人一邊運(yùn)動(dòng)一邊創(chuàng)建地圖(SLAM，Simultaneous?localization?and?mapping)的方法，這種方法在一定程度上克服了一些上述的障礙，但是依然有很多的弊端：機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)都依賴履帶或者輪子，在狹小的空間中實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向會(huì)比較困難，而且機(jī)器人只能在地面上運(yùn)動(dòng)，容易受到地面障礙物的干擾；在多樓層環(huán)境中，機(jī)器人只能在有限的樓層范圍內(nèi)進(jìn)行探索，很難進(jìn)入到高樓層區(qū)域，移動(dòng)范圍受到了極大的限制，無(wú)法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境的偵察和構(gòu)圖；地面移動(dòng)機(jī)器人只能在地面上運(yùn)動(dòng)，其建立的二維地圖也就局限于接近地面的高度，得到的地圖信息過(guò)于單一，應(yīng)用價(jià)值和使用范圍愛(ài)到了很大的限制。因此，目前利用上述兩種方式進(jìn)行室內(nèi)環(huán)境信息的感知和探索都難以達(dá)到理想的效果。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明提出一種基于小型四旋翼無(wú)人機(jī)的構(gòu)圖裝置及方法，以達(dá)到在復(fù)雜環(huán)境中快速準(zhǔn)確地構(gòu)建出二維地圖的目的。

一種基于小型四旋翼無(wú)人機(jī)的構(gòu)圖裝置，包括四旋翼無(wú)人機(jī)、激光雷達(dá)、無(wú)線路由器、反光鏡，還包括PC機(jī)、遠(yuǎn)程控制開(kāi)關(guān)、機(jī)載計(jì)算機(jī)、控制器和電源，其中，所述的激光雷達(dá)設(shè)置于四旋翼無(wú)人機(jī)上端中心位置，反光鏡設(shè)置于激光雷達(dá)發(fā)射端初始位置相對(duì)處，并與四旋翼無(wú)人機(jī)平面之間的夾角為45°，所述的遠(yuǎn)程控制開(kāi)關(guān)、機(jī)載計(jì)算機(jī)、控制器和電源構(gòu)成機(jī)載控制部分，設(shè)置于四旋翼無(wú)人機(jī)的中心位置；

所述的激光雷達(dá)的輸出端連接機(jī)載計(jì)算機(jī)的輸入端，機(jī)載計(jì)算機(jī)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(wú)人機(jī)四個(gè)螺旋槳的電機(jī)輸入端，在控制器與電源之間設(shè)置有遠(yuǎn)程控制開(kāi)關(guān)；所述的機(jī)載計(jì)算機(jī)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)連接無(wú)線路由器，并且無(wú)線路由器通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)連接PC機(jī)。

所述的PC機(jī)內(nèi)部包括環(huán)境構(gòu)圖模塊、構(gòu)圖矯正模塊和路徑規(guī)劃模塊，其中，

環(huán)境構(gòu)圖模塊：用于采用同步定位與地圖構(gòu)建方法(SLAM)根據(jù)激光雷達(dá)采集到的激光數(shù)據(jù)進(jìn)行掃描區(qū)域的構(gòu)圖，所述的激光數(shù)據(jù)包括掃描角度和該角度對(duì)應(yīng)反射點(diǎn)的距離；

構(gòu)圖矯正模塊：用于根據(jù)控制器內(nèi)部的慣性測(cè)量單元測(cè)量的無(wú)人機(jī)傾斜角度和每個(gè)掃描角度對(duì)應(yīng)反射點(diǎn)的距離，計(jì)算獲得每個(gè)反射點(diǎn)水平方向上的距離，根據(jù)每個(gè)反射點(diǎn)水平方向上的距離重新進(jìn)行構(gòu)圖，獲得矯正后的環(huán)境構(gòu)圖；

路徑規(guī)劃模塊：用于基于代價(jià)地圖(costmap)的Dijkstra最優(yōu)路徑算法根據(jù)獲得的矯正后的環(huán)境構(gòu)圖獲得無(wú)人機(jī)飛行路徑，并將飛行路徑通過(guò)機(jī)載計(jì)算機(jī)發(fā)送至控制器中。

所述的遠(yuǎn)程控制開(kāi)關(guān)包括一個(gè)電阻、一個(gè)電源接口、一個(gè)機(jī)載計(jì)算機(jī)接口、一個(gè)天線接口、一個(gè)穩(wěn)壓管、一個(gè)MOSFET管，其中，穩(wěn)壓管的輸入端同時(shí)連接電源接口的輸出端和機(jī)載計(jì)算機(jī)接口的輸入端，穩(wěn)壓管的輸出端連接天線接口的輸入端，穩(wěn)壓管的輸入端接地，天線接口的另一個(gè)端口同時(shí)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(jī)載計(jì)算機(jī)接口的輸出端。

還設(shè)置有一個(gè)用于控制遠(yuǎn)程控制開(kāi)關(guān)的遙控器和一個(gè)天線，所述的天線通過(guò)天線接口連接遠(yuǎn)程控制開(kāi)關(guān)，遙控器發(fā)送緊急信號(hào)至天線，使其強(qiáng)制切斷控制器的電源。

采用基于小型四旋翼無(wú)人機(jī)的構(gòu)圖裝置進(jìn)行的構(gòu)圖方法，包括以下步驟：

步驟1、在目標(biāo)構(gòu)圖區(qū)域內(nèi)，以無(wú)人機(jī)起飛位置作為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，并根據(jù)實(shí)際需求設(shè)置無(wú)人機(jī)的目標(biāo)飛行高度和飛行速度；

步驟2、啟動(dòng)無(wú)人機(jī)上升飛行，采用激光雷達(dá)發(fā)射激光并通過(guò)反射鏡反射激光，根據(jù)反射的時(shí)間，計(jì)算無(wú)人機(jī)實(shí)時(shí)飛行高度，當(dāng)無(wú)人機(jī)達(dá)到目標(biāo)飛行高度時(shí)停止上升；

步驟3、在目標(biāo)高度，采用激光雷達(dá)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)掃描，獲得不同激光雷達(dá)數(shù)據(jù)，所述的激光雷達(dá)數(shù)據(jù)包括采樣旋轉(zhuǎn)角度和該角度對(duì)應(yīng)反射點(diǎn)的距離，并將采激光雷達(dá)數(shù)據(jù)發(fā)送至機(jī)載計(jì)算機(jī)中；