一種適用于低空無人機的高度測量系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種適用于低空無人機的高度測量系統(tǒng)，包括氣壓傳感器模塊、激光測高模塊、超聲波測高模塊和微控制器，氣壓傳感器模塊、激光測高模塊、超聲波測高模塊均與微控制器連接，微控制器通過數(shù)據(jù)接口與飛行控制計算機連接，本實用新型提出的低空高度測量系統(tǒng)，把氣壓高度、激光高度和超聲波高度結合起來，利用自適應加權平均算法融合三種數(shù)據(jù)，得到適合低空無人機飛行的高精度的高度數(shù)據(jù)，適合無人機低空和超低空飛行對高度數(shù)據(jù)的要求，尤其適合無人機自主飛行中的起飛和著陸過程。
【專利說明】一種適用于低空無人機的高度測量系統(tǒng)
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及無人機飛行高度測量【技術領域】。
【背景技術】
[0002]無人機在起飛和著陸過程當中，尤其是在自主飛行中的起飛和著陸中，對高度數(shù)據(jù)有高精度的要求。無人機目前使用的高度計主要有氣壓高度計、無線電高度計、GPS高度計、超聲波高度計等。氣壓高度計測量范圍寬，但誤差較大；無線電高度計測量準確，但容易受到無線電信號的干擾；GPS高度計存在信號不穩(wěn)定的問題；超聲波高度計測量范圍太小。無人機在低空飛行時，尤其是在起飛和著陸時對高度的測量有很高的要求，因而迫切需要解決無人機低空飛行時的高度測量問題。專利201010596672.5中提出了把氣壓高度計、無線電高度計和超聲波高度計的值進行閾值判斷選擇一種或兩種平均值的方法。這種方法忽略了三種高度計的缺點，而且在不同閾值范圍內的切換和數(shù)據(jù)處理方法在實際使用中會存在問題，不適合在低空飛行時無人機對高度測量的需求。
實用新型內容
[0003]本實用新型的目的是提供一種適用于低空無人機的高度測量系統(tǒng)及方法。把氣壓高度、激光高度和超聲波高度結合起來，利用自適應加權平均算法融合三種數(shù)據(jù)，得到適合低空無人機飛行的聞精度的聞度數(shù)據(jù)。
[0004]為解決上述技術問題，本實用新型采用的技術方案為:
[0005]一種適用于低空無人機的高度測量系統(tǒng)，包括氣壓傳感器模塊、激光測高模塊、超聲波測高模塊和微控制器，氣壓傳感器模塊、激光測高模塊、超聲波測高模塊均與微控制器連接，微控制器通過數(shù)據(jù)接口與飛行控制計算機連接。
[0006]所述氣壓傳感器模塊采用BMP085傳感器。
[0007]所述激光測高模塊包括激光發(fā)射接收部分和計時部分。所述計時部分采用TDC-GP22計時器，激光發(fā)射部分采用半導體脈沖激光二極管發(fā)射激光，激光波長905nm，峰值功率75W，型號為SPL PL90_3半導體脈沖激光二極管，接收器件為AD500-9 T052S1雪崩
光電管。
[0008]超聲波測高模塊包括超聲波傳感器部分和計時部分。所述計時部分采用TDC-GP22計時器。
[0009]應用上述適用于低空無人機的高度測量系統(tǒng)的測量方法，包括以下步驟:
[0010](I)對原始氣壓高度數(shù)據(jù)進行最小二乘濾波，濾除系統(tǒng)噪聲干擾，之后進行溫度補償校正和最小二乘擬合，得到海拔高度數(shù)據(jù)；
[0011](2)計算相對高度，相對高度=AX氣壓相對高度+BX激光高度+CX超聲波高度，其中A、B、C為加權系數(shù)，且A+B+C = 1，氣壓相對高度=飛行實時氣壓高度-起飛時刻氣壓高度；
[0012](3)微控制器把三種數(shù)據(jù)融合后，通過CAN、RS485或者UART接口中任意一個接口與外部的飛行控制計算機連接。
[0013]本實用新型的有益效果在于:
[0014]本實用新型提出的低空高度測量系統(tǒng)，把氣壓高度、激光高度和超聲波高度結合起來，利用自適應加權平均算法融合三種數(shù)據(jù)，得到適合低空無人機飛行的高精度的高度數(shù)據(jù)，適合無人機低空和超低空飛行對高度數(shù)據(jù)的要求，尤其適合無人機自主飛行中的起飛和著陸過程。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]下面結合附圖和【具體實施方式】對本實用新型作進一步詳細的說明。
[0016]圖1為高度測量系統(tǒng)原理框圖。
[0017]圖2為高度數(shù)據(jù)處理流程圖。
【具體實施方式】
[0018]如圖1所示，一種適用于低空無人機的高度測量系統(tǒng)，包括氣壓傳感器模塊、激光測高模塊、超聲波測高模塊和微控制器，氣壓傳感器模塊、激光測高模塊、超聲波測高模塊均與微控制器連接，微控制器通過數(shù)據(jù)接口與飛行控制計算機連接。
[0019]所述氣壓傳感器模塊采用BMP085傳感器。氣壓傳感器感測到大氣壓力數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理后將大氣壓數(shù)據(jù)轉換成海拔高度。此外大氣壓力還受到諸如溫度等因素的影響，因此必須對大氣數(shù)據(jù)進行溫度補償校正。BMP085是一種高精度、超低能耗的數(shù)字壓力傳感器。傳感器通過I2C端口將數(shù)據(jù)傳送給微控制器STM32F103ZET6，經(jīng)過計算即可得到當前的氣壓值和溫度值。氣壓測量范圍為300-1 IOOhPa (海拔高度_500m?+9000m)，絕對精度可以達到 0.03hPa (0.25m)。
[0020]但是通過氣壓傳感器得到的高度數(shù)據(jù)為海拔高度，而且高度誤差在2_3m，因而必須結合其它傳感器的數(shù)據(jù)來校正。
[0021]所述激光測高模塊包括激光發(fā)射接收部分和計時部分。所述計時部分采用TDC-GP22計時器，分辨率達到90ps。采用半導體脈沖激光二極管發(fā)射激光，激光波長905nm,峰值功率75W，型號為OSRAM公司的SPL PL90_3半導體脈沖激光二極管。接收器件APD為First Sensor公司的AD500-9 T052S1雪崩光電管。微控制器發(fā)出STARTl啟動信號，激光發(fā)射電路工作，發(fā)射激光信號，通過分光鏡得到激光發(fā)射起始信號送給STOPl。等到激光遇到地面物體反射回來信號后，經(jīng)過APD (雪崩二級管)檢測到接收信號送到ST0P2，這樣GP22就可以計算出從STOPl到ST0P2的時間間隔(0-2.5us)，滿足高精度測高的要求。
[0022]根據(jù)公式h = c* Λ t/2 (其中c為光速299792458米/秒，Λ t為激光傳播時間差，單位秒山為測量的高度值，單位米)，可以計算出高度值。經(jīng)過實測，測高精度達到18cm，工作高度達到800m，工作盲區(qū)有40cm。
[0023]盡管測高精度達到18cm，但工作盲區(qū)有40cm，即距離地面40cm以下測不出來高度值。這是就要使用另外一種高精度測高傳感器-超聲波傳感器。
[0024]超聲波測高模塊包括超聲波傳感器部分和計時部分。所述計時部分采用TDC-GP22計時器。超聲波測高的工作原理與激光測高是一樣的。超聲波傳感器采用Senscomp公司的7000系列靜電超聲波換能器，工作頻率50KHz。微控制器發(fā)出START2啟動信號，發(fā)射超聲波后，檢測出起始信號，送到TDC-GP22的ST0P1，接收到回波后檢測出到達信號，送給TDC-GP22的ST0P2，計時器TDC-GP22計算出時間差送給微控制器處理。由于采用了高精度計時器TDC-GP22，測高精度理論上達到微米級，但由于實際工作環(huán)境的限制，實測精度達到3mm。限于超聲波測量原理，工作距離只有10m。
[0025]高度數(shù)據(jù)處理工作過程:
[0026]氣壓高度計工作范圍最大，但精度低；激光高度計工作距離適中，精度高，但存在盲區(qū)；超聲波高度計工作距離短，但精度最高。本高度測量系統(tǒng)正是利用了各個傳感器的特長和優(yōu)勢，互相彌補，從而實現(xiàn)了高精度低空無人機的高度測量系統(tǒng)。
[0027]三種高度數(shù)據(jù)的采集頻率為100Hz，滿足無人機導航的需求。三種高度數(shù)據(jù)進入微控制器后采用同質多傳感器數(shù)據(jù)融合原理進行數(shù)據(jù)處理，最終得到高精度的高度信息。
[0028]如圖2所示，應用上述適用于低空無人機的高度測量系統(tǒng)的測量方法，包括以下步驟:
[0029](I)對原始氣壓高度數(shù)據(jù)進行最小二乘濾波，濾除系統(tǒng)噪聲干擾，之后進行溫度補償校正和最小二乘擬合，得到海拔高度數(shù)據(jù)。
[0030](2)計算相對高度，相對高度=AX氣壓相對高度+BX激光高度+CX超聲波高度，其中A、B、C為加權系數(shù)，且A+B+C = 1，氣壓相對高度=飛行實時氣壓高度-起飛時刻
氣壓高度。
[0031]根據(jù)各類傳感器的特點，以氣壓相對高度為測量參考，系數(shù)A、B、C選取如下:
[0032]高度在Im 以下時:A = O, B = O, C = 1.0 ；
[0033]高度在lm_6m 時:A = 0,B = 0.1,C = 0.9;
[0034]高度在6m_10m 時:A = 0,B = 0.8,C = 0.2;
[0035]高度在IOm-1OOm 時:A = 0.1, B = 0.9, C = O ;
[0036]高度在100m_600m 時:A = 0.2，B = 0.8，C = O;
[0037]高度在600m-800m 時:A = 0.8，B = 0.2，C = O;
[0038]高度在800m 以上時:A = 1.0, B = O, C = O ;
[0039](3)微控制器把三種數(shù)據(jù)融合后，通過CAN、RS485或者UART接口的任意一個接口與外部的飛行控制計算機連接。
[0040]以上公開的僅為本專利的具體實施例，但本專利并非局限于此，對于本領域的普通技術人員來說，在不脫離本實用新型原理的前提下，做出的變形應視為屬于本實用新型保護范圍。
【權利要求】
1.一種適用于低空無人機的高度測量系統(tǒng)，其特征在于:包括氣壓傳感器模塊、激光測高模塊、超聲波測高模塊和微控制器，氣壓傳感器模塊、激光測高模塊、超聲波測高模塊均與微控制器連接，微控制器通過數(shù)據(jù)接口與飛行控制計算機連接。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種適用于低空無人機的高度測量系統(tǒng)，其特征在于:所述氣壓傳感器模塊采用BMP085傳感器。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種適用于低空無人機的高度測量系統(tǒng)，其特征在于:所述激光測高模塊包括激光發(fā)射接收部分和計時部分。
4.根據(jù)權利要求3所述的一種適用于低空無人機的高度測量系統(tǒng)，其特征在于:所述計時部分采用TDC-GP22計時器，激光發(fā)射部分采用半導體脈沖激光二極管發(fā)射激光，激光波長905nm，峰值功率75W，型號為SPL PL90_3半導體脈沖激光二極管，接收器件為AD500-9T052S1雪崩光電管。
5.根據(jù)權利要求1所述的一種適用于低空無人機的高度測量系統(tǒng)，其特征在于:超聲波測高模塊包括超聲波傳感器部分和計時部分。
6.根據(jù)權利要求5所述的一種適用于低空無人機的高度測量系統(tǒng)，其特征在于:所述計時部分采用TDC-GP22計時器。
【文檔編號】G01C5/06GK203385413SQ201320346747
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2013年6月18日 優(yōu)先權日:2013年6月18日
【發(fā)明者】楊小平, 周國清, 秦子建, 李小霞, 高守行, 張彪, 劉源, 申慶華, 韋波, 龔克, 李新 申請人:桂林理工大學, 桂林航龍科訊電子技術有限公司