[發明專利]一種基于激光掃描地圖構建系統的四軸飛行器及其方法

在審

• 申請號: 201810373928.2
• 申請日: 2018-04-24
• 公開（公告）號: CN108427431A
• 公開（公告）日: 2018-08-21
• 發明（設計）人: 郭建文;劉延星;勞振鵬;孫振忠;葉國良;黃市生;許昌;伍圳;黃杰良
• 申請（專利權）人: 東莞理工學院;東莞市橫瀝模具科技產業發展有限公司
• 主分類號: G05D1/08
• 分類號: G05D1/08;G05D1/10;G01C21/20;B64C27/08;B64C27/12;B64C1/00
• 代理公司: 廣州粵高專利商標代理有限公司 44102
• 代理人: 陳衛

本發明公開了一種基于激光掃描地圖構建系統的四軸飛行器及其方法。該四軸飛行器包括機架、處理器模塊、傳感器模塊；其中，機架包括螺旋槳、無刷電機、支撐腳、機臂軸和載板，處理器模塊包括飛控中心和樹莓派，飛控中心與樹莓派通過串口通信構成自動避障系統，傳感器模塊包括超聲波傳感器以及激光掃描儀；樹莓派與超聲波傳感器電連接構成超聲測距系統，通過超聲波傳感器獲得障礙物的相對距離；樹莓派與激光掃描儀通過USB線電連接組成地圖構建系統，通過激光掃描儀采集飛行器周圍的環境信息。本發明具有根據室內環境自主規劃路徑、自主避障與自主導航飛行能力，能夠獲取不同高度上的二維地圖，具有作業能力強、智能化程度高、效率高等優點。

技術領域

本發明屬于無人機技術領域。更具體地，涉及一種基于激光掃描地圖構建系統的四軸飛行器及其方法。

背景技術

四軸飛行器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。

室內地圖構建裝置主要有固定平臺和移動機器人兩種，基于固定平臺的室內地圖構建裝置可以對距離相對固定的物體進行重構，由于其不可以移動，導致分辨率單一；移動機器人與激光掃描儀等測距模塊配合使用雖然也可應用于室內環境的地圖構建，但是有些室內的地面環境情況復雜，例如室內環境污染、火災或有軍事威脅等，存在著輪式機器人或履帶機器人的移動不便的情況，從而導致了工作效率低甚至是無法工作。而且，一般的輪式機器人因不能爬樓梯，只能在某一樓層范圍內進行探索，移動范圍受到了限制；具有爬樓梯能力的履帶機器人體型較大，在某些轉角會出現轉彎不便的情況，移動速度或范圍都受到了限制，無法實現復雜環境的偵察和構圖，從而影響了其應用價值與使用范圍。另外，在輪式機器人或履帶機器人的平臺上，大多數激光掃描儀被固定在某一高度，使得創建的地圖被局限于某一水平面上，導致環境信息的獲取量被限制了。

發明內容

本發明要解決的技術問題是克服上述現有技術的不足，提供一種基于激光掃描地圖構建系統的四軸飛行器。

本發明另一目的是提供使用所述基于激光掃描地圖構建系統的四軸飛行器構建室內地圖的方法。

本發明上述目的通過以下技術方案實現：

一種基于激光掃描地圖構建系統的四軸飛行器，包括機架、處理器模塊、傳感器模塊；

其中，所述機架包括螺旋槳、無刷電機、支撐腳、機臂軸和載板，所述機架從下向上分別設置有三層載板，第一層和第二層載板之間設置有呈十字形交叉的四個機臂軸，形成機架主體；每個機臂軸的端部固定安裝有螺旋槳和用于驅動螺旋槳轉動的無刷電機，各螺旋槳和無刷電機匹配使用；所述無刷電機下方設置有支撐腳；

所述處理器模塊包括設置在第二層載板上的飛控中心和樹莓派，所述飛控中心與樹莓派通過串口通信構成自動避障系統；

所述傳感器模塊包括設置在第一層載板上的超聲波傳感器以及設置在第三層載板中央的激光掃描儀；

所述樹莓派與超聲波傳感器電連接構成超聲測距系統；所述樹莓派與激光掃描儀通過USB線電連接組成地圖構建系統，通過激光掃描儀采集飛行器周圍的環境信息；所述飛控中心會執行來自樹莓派與地面站的控制指令，實現整個飛行器的空中飛行、懸停、定位和姿態控制。