[發明專利]無人機上的主動旋轉激光雷達系統及其控制方法

在審

• 申請號: 202110287557.8
• 申請日: 2021-03-17
• 公開（公告）號: CN113156450A
• 公開（公告）日: 2021-07-23
• 發明（設計）人: 林德福;鄭章雄;呂軍寧;金忍;王江;莫靂
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: G01S17/86
• 分類號: G01S17/86;G01S17/933;G01S17/89;G01C21/16;B64D43/00;G05D3/12
• 代理公司: 北京康思博達知識產權代理事務所(普通合伙) 11426
• 代理人: 劉冬梅;范國鋒

本發明公開了一種無人機上的主動旋轉激光雷達系統及其控制方法，該系統及方法中設置能夠旋轉的激光雷達，在激光雷達主動旋轉的過程中，因為IMU短期的高精準性，可以用IMU的姿態數據暫時代替激光雷達的里程計結果，在激光雷達采集到約束足夠的數據時，選擇使用激光雷達的里程計結果，具體來說，實時解算并判斷激光雷達獲得的數據圖像是否可靠，在不可靠的情況下，主動旋轉該激光雷達，以使得下一幀數據圖像的可靠性提高，另外，通過設置特異性的非線性方程來處理激光雷達獲得的數據圖像，從而得到無人機的位姿，進而據此對無人機進行控制。

技術領域

本發明涉及激光雷達導航技術，具體涉及一種無人機上的主動旋轉激光雷達系統及其控制方法。

背景技術

無人機(UAV)是指無人駕駛的由無線電遙控設備控制的或預先編譯的程序控制的飛行器。與載人飛機相比，它具有體積小、造價低、使用方便、對作戰環境要求低和戰場生存能力較強等優點。隨著近幾年無人機的研究有很大進展，小型自主旋翼無人機能夠在受限空間內進行高度敏捷的操作，并且不受地面障礙物的阻礙，在危險區域或人類無法抵達空間開展巡檢、探測領域有著廣闊的應用需求，無人機的應用領域也在不斷擴大中。為了無人機能夠適應各種不同場景的任務，無人機對周圍環境感知的要求也不斷提高。因此無人機的導航技術是無人機領域的重要技術之一。

現階段大多數無人機的定位方法還是基于慣性傳感器和全球導航衛星系統(GNSS)。而在應用場景不再是室外GNSS信號無遮擋的區域，而是室內、城市環境和樹林等GNSS信號不穩定或無GNSS信號的環境的時候，無人機在這些場景的應用受到了嚴重的限制。

同步定位與建圖(Simultaneous Localization and Mapping,SLAM)技術是是機器人視覺的一個重要研究內容，采用SLAM技術可以通過無人機搭載的激光雷達傳感器對環境進行感知。結合IMU慣性測量元件，無人機可以估計自身的位姿。并且無人機通過對激光雷達采集的數據進行處理后，還可以建立起點云地圖，通過對障礙物的檢測，可以實現避障功能，從而提高無人機的避障飛行能力。

多數SLAM技術采用的是視覺攝像頭導航，但是相機對環境的敏感性較高，對硬件的處理能力要求較高，應用場景限制在了無強光照的室內環境下。而在室外環境下，由于激光雷達具有精度高，對計算量要求小和不受光照干擾的特點，更多的方案則采用激光雷達導航。

在反制低慢小無人機時，激光SLAM可以為反制無人機提供良好的定位能力，但同時由于低慢小無人機的空間位置不確定性，要求反低慢小無人機在導航方面具有更強的環境適應性。無人機搭載固定放置的激光雷達傳感器，在遇到狹長環境或只有高樓環境等這類俯仰方向約束極小的情況下，會因為幾何特征不明顯，容易引起退化現象，導致定位可靠性降低。雖然激光雷達的水平方向的視野可以達到360°，但垂直只有30°左右，俯仰方向的約束少，幾何特征不明顯的缺陷會被無限放大。而如果采用多攝像頭或者多激光雷達的方式會造成負重增大的結果，必須提升無人機的載重，同時也會提高大量的經濟成本。因此如何在幾何特征少，約束不夠的環境下進行定位和導航的問題仍需解決。

由于上述原因，本發明人對現有的激光雷達及其制導方法做了深入研究，以期待設計出一種能夠解決上述問題的新的系統及方法。

發明內容

為了克服上述問題，本發明人進行了銳意研究，設計出一種無人機上的主動旋轉激光雷達系統及其控制方法，該系統及方法中設置能夠旋轉的激光雷達，在激光雷達主動旋轉的過程中，因為IMU短期的高精準性，可以用IMU的姿態數據暫時代替激光雷達的里程計結果，在激光雷達采集到約束足夠的數據時，選擇使用激光雷達的里程計結果，具體來說，實時解算并判斷激光雷達獲得的數據圖像是否可靠，在不可靠的情況下，主動旋轉該激光雷達，以使得下一幀數據圖像的可靠性提高，另外，通過設置特異性的非線性方程來處理激光雷達獲得的數據圖像，從而得到無人機的位姿，進而據此對無人機進行控制，從而完成本發明。