[發明專利]基于激光測距和自穩云臺的無人機地形測繪裝置及方法

在審

• 申請號: 202011278569.6
• 申請日: 2020-11-16
• 公開（公告）號: CN112197760A
• 公開（公告）日: 2021-01-08
• 發明（設計）人: 杜蒙蒙;徐強強;李若男;王巧鳳;李士林;王鵬飛
• 申請（專利權）人: 河南科技大學
• 主分類號: G01C15/00
• 分類號: G01C15/00;G01S19/14;B64D47/00
• 代理公司: 洛陽公信知識產權事務所(普通合伙) 41120
• 代理人: 逯雪峰

本發明公開了基于激光測距和自穩云臺的無人機地形測繪裝置及方法，測繪裝置包含多旋翼無人機、安裝在多旋翼無人機的頂端的機載GPS模塊、設在多旋翼無人機的下方的自穩云臺、在自穩云臺的底部且豎直朝下的激光測距模塊；自穩云臺包括調平盤、伺服電機、固定盤，固定盤水平安裝在多旋翼無人機的機架底部，調平盤位于固定盤下方，調平盤上安裝有傾角傳感器，在自穩云臺上還設置有用于讀取傾角傳感器數據的外接單片機控制模塊；在固定盤上設有伺服電機，通過控制連桿機構確保調平盤處于水平工作狀態，本發明利用自穩云臺消除無人機測繪系統作業時機體傾角的動態變化對激光測距模塊的測量精度造成的影響，使得地形測繪作業更加便捷、高效、精確。

技術領域

本發明涉及地形測繪技術領域，具體的說是基于激光測距和自穩云臺的無人機地形測繪裝置及方法。

背景技術

以多旋翼無人機為載體，安裝激光測距裝置與高精度的全球定位系統模塊（GPS）進行地形測繪作業，可以方便、快捷、精準地獲取地形數據。但是，多旋翼無人機的螺旋槳固定安裝在漿盤平面內均勻分布的多個直流電機上，其高速旋轉而產生的升力始終垂直于漿盤平面，故無人機的機體僅在豎直上升、豎直下降或定點懸停的過程中處于水平狀態，而在其余階段機體以傾斜姿態飛行。例如，當多旋翼無人機以一定的速度朝向某一方向飛行時，無人機的機體則以“前低后高”的傾斜姿態圍繞一定的俯仰角度進行實時動態調整；當飛行速度或飛行方向改變時，無人機機體的傾斜角度大小及方向（俯仰角、橫滾角與偏航角）相應地發生變化，反之亦然。另外，無人機測繪系統飛行時不可避免地受到氣流、橫風、機械振動、負載擾動等多種因素影響，加劇了無人機的傾角變化，進而使得安裝在無人機上的激光測距模塊產生傾角偏差，嚴重影響地形測繪精度，為了改善地形測繪精度，通常采用在無人機機體上安裝姿態傳感器，待測繪作業完成后獲取無人機傾斜角度的方法來修正激光測距值，如圖三所示，其中d為多旋翼無人機傾斜一定角度時的無人機與地面點之間的距離測量值，dcorr為采用無人機姿態器數據、利用三角函數修正后的無人機與正下方地面點之間的真實距離值。該方法在地勢起伏平緩的區域一定程度上可以改善地形測繪精度，但是在地面起伏急劇變化、凹凸點塊密集的區域使用三角函數對激光測距值進行修正，反而會導致更大的系統誤差。因此，迫切需要一種裝置和先進方法來消除因多旋翼無人機動態飛行傾角變化對地形測繪精度造成的影響。

發明內容

本發明為解決上述問題，提供了基于激光測距和自穩云臺的無人機地形測繪裝置及方法，利用自穩云臺消除多旋翼無人機測繪系統作業時機體傾角的動態變化對激光測距模塊的測量精度造成的影響，使得地形測繪作業更加便捷、高效、精確。

本發明通過以下技術方案來實現：

基于激光測距和自穩云臺的無人機地形測繪裝置，包含多旋翼無人機、機載GPS模塊、自穩云臺、激光測距模塊，所述機載GPS模塊固定安裝在多旋翼無人機的頂端，所述自穩云臺設置在多旋翼無人機的下方，所述激光測距模塊固定在自穩云臺的底部，且豎直朝下發射并接收測距激光信號；

所述自穩云臺包括調平盤、伺服電機、固定盤，所述固定盤水平安裝在多旋翼無人機的機架底部，所述調平盤位于固定盤下方，所述調平盤上安裝有傾角傳感器，在自穩云臺上還設置有用于讀取傾角傳感器數據的外接單片機控制模塊；

在固定盤上均勻設置有若干個伺服電機，在固定盤與調平盤之間設置有連桿機構，所述連桿機構包括鉸接機構以及連桿，若干個伺服電機分別通過搖臂與連桿連接，所述連桿的另一端通過鉸接機構與調平盤連接。

進一步的，所述激光測距模塊豎直朝下固定在自穩云臺的調平盤的底部。

進一步的，所述伺服電機的數量為3個，分別為電機A，電機B，電機C，且3個電機呈120°夾角中心對稱分布在固定盤上。

基于激光測距和自穩云臺的無人機地形測繪裝置的測繪方法，主要包括以下步驟：