[發(fā)明專利]一種地鐵隧道內(nèi)四旋翼飛行器自主導(dǎo)航方法有效
| 申請?zhí)枺?/td> | 202010764270.5 | 申請日： | 2020-08-02 |
| 公開（公告）號： | CN112000125B | 公開（公告）日： | 2022-09-27 |
| 發(fā)明（設(shè)計）人： | 周燕;蔡晨曉;鄭標;梁立東;歐凱;唐元軍;李仕游 | 申請（專利權(quán)）人： | 南京理工大學(xué);廣州地鐵集團有限公司 |
| 主分類號： | G05D1/10 | 分類號： | G05D1/10 |
| 代理公司： | 南京理工大學(xué)專利中心 32203 | 代理人： | 陳鵬 |
| 地址： | 210094 江*** | 國省代碼： | 江蘇;32 |
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| 摘要： | |||
| 搜索關(guān)鍵詞： | 一種 地鐵 隧道 內(nèi)四旋翼 飛行器 自主 導(dǎo)航 方法 | ||
本發(fā)明公開了一種地鐵隧道內(nèi)四旋翼飛行器自主導(dǎo)航方法，利用激光雷達及HectorSLAM算法構(gòu)建離線的隧道地圖同時實現(xiàn)實時定位；通過引入回歸濾波機制及主干約束的改進快速探索隨機樹基于離線地圖實現(xiàn)航跡規(guī)劃；利用三次B樣條曲線優(yōu)化離線航跡；根據(jù)離線規(guī)劃的航跡點及四旋翼實時位置設(shè)計PID位置控制器求解引力加速度；根據(jù)人工勢場法求解障礙物的斥力加速度；計算引力及斥力加速度的矢量和控制四旋翼的姿態(tài)角偏轉(zhuǎn)及位置，使四旋翼完成起始點至終點的自主導(dǎo)航飛行。本發(fā)明解決了弱光、無GPS信號的地鐵隧道環(huán)境下的四旋翼自主導(dǎo)航問題，使四旋翼自主完成航跡規(guī)劃及航跡跟蹤避障，以實現(xiàn)基于四旋翼的地鐵隧道智能巡檢。
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及空中旋翼類飛行器定位與導(dǎo)航領(lǐng)域，具體涉及一種地鐵隧道內(nèi)四旋翼飛行器自主導(dǎo)航方法。
背景技術(shù)
目前，對地鐵的日常維護多依賴于人工巡檢方式，效率低下，且隨著地鐵線路覆蓋率的提高，屆時將面臨巨大的人員短缺壓力。
基于四旋翼的智能巡檢手段為地鐵巡檢問題提供了新型解決方案，目前已廣泛應(yīng)用于鐵路軌道檢測、高壓輸電線路檢測、橋梁裂縫檢測。在以上應(yīng)用場景中，四旋翼自主導(dǎo)航的實現(xiàn)多依賴于GPS或圖像處理技術(shù)，可適用于地鐵高架路段，然而地鐵隧道中無GPS信號且弱光無法適用。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種地鐵隧道內(nèi)四旋翼飛行器自主導(dǎo)航方法，基于激光雷達的HectorSLAM技術(shù)不受光線強弱限制，可實現(xiàn)厘米級的地圖構(gòu)建及同步定位，再配以合適的路徑規(guī)劃算法即可實現(xiàn)地鐵隧道內(nèi)四旋翼的自主導(dǎo)航。
實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：一種地鐵隧道內(nèi)四旋翼飛行器自主導(dǎo)航方法，具體步驟如下：
步驟1，利用激光雷達及HectorSLAM算法構(gòu)建離線的隧道地圖，并對四旋翼進行實時定位；
步驟2，通過引入回歸濾波機制及主干約束的改進快速探索隨機樹基于離線地圖實現(xiàn)航跡規(guī)劃；
步驟3，利用三次B樣條曲線優(yōu)化離線航跡，包括平滑處理和曲率約束；
步驟4，根據(jù)離線規(guī)劃的航跡點及四旋翼實時位置設(shè)計PID位置控制器求解引力加速度；
步驟5，根據(jù)人工勢場法求解障礙物的斥力加速度；
步驟6，計算引力及斥力加速度的矢量和控制四旋翼的姿態(tài)角偏轉(zhuǎn)及位置，使四旋翼完成起始點至終點的自主導(dǎo)航飛行。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點在于：1)采用基于激光雷達的HectorSLAM進行隧道環(huán)境地圖構(gòu)建與實時定位，不受光線限制且可達厘米級的定位精度，同時激光雷達的高掃描頻率及高測量精度保證了導(dǎo)航避障的及時性與可靠性；2)采用ReT-RRT*進行全局航跡規(guī)劃，回歸濾波機制的引入限制了隨機節(jié)點的分布密度，減少了在隨機采樣過程中產(chǎn)生的大量過度搜索節(jié)點，有效提高了在隧道地圖中規(guī)劃航跡的收斂速度，主干約束的引入限制了搜索空間為主干的周圍空間，降低了采樣節(jié)點無效生長的概率，進一步提高了航跡規(guī)劃效率；3)利用三次B樣條曲線對離線航跡進行平滑處理和曲率約束，提高了航跡跟蹤精度，降低了最大跟蹤誤差；4)根據(jù)離線規(guī)劃的航跡點及四旋翼實時位置設(shè)計PID位置控制器求解引力加速度，由于參考航跡點間隔幾近相等，使得引力加速度較為穩(wěn)定，有利于四旋翼的平穩(wěn)飛行；5)利用APF求解障礙物的斥力加速度，保障了四旋翼在面對未知障礙時的安全性。
附圖說明
圖1為自主導(dǎo)航系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖。
圖2為ReT-RRT*路徑規(guī)劃結(jié)果圖。
圖3為折線航跡平滑處理結(jié)果圖。
圖4為控制點調(diào)整策略示意圖。
圖5為曲率約束前后航跡對比圖。
圖6為四旋翼控制系統(tǒng)框圖。
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