專利名稱：一種用于無(wú)人飛行器作業(yè)的自動(dòng)定高的控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于使無(wú)人飛行器自動(dòng)保持相對(duì)距地飛行高度的自動(dòng)控制系統(tǒng)。 特別是涉及一種基于二維激光掃描儀的無(wú)人飛行器自動(dòng)定高的控制方法。
背景技術(shù)：
目前，在軍事上用途廣泛的無(wú)人飛行器，但由于其操作簡(jiǎn)便成本低廉的緣故，在民用領(lǐng)域也開(kāi)始得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。但由于目前廣泛出現(xiàn)在民用應(yīng)用場(chǎng)合的無(wú)人飛行器功能尚較為單一，缺乏對(duì)地面狀況尤其是相對(duì)地面高度有效的感知手段。尤其是在無(wú)人飛行器面對(duì)低空飛行作業(yè)時(shí)，經(jīng)常由于地面障礙物造成的各種影響引發(fā)墜機(jī)的嚴(yán)重后果，輕則飛行器墜毀，飛行器及地面設(shè)施設(shè)備損壞，造成經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失，重則可造成人員傷亡。因此能夠?qū)o(wú)人飛行器距地高度進(jìn)行測(cè)量便顯得尤為重要。目前常用的飛行高度測(cè)量手段是使用GPS導(dǎo)航或者氣壓高度計(jì)提供的絕對(duì)海拔高度，再對(duì)照無(wú)人飛行器經(jīng)緯度位置在地圖上找出該位置地高，再用絕對(duì)海拔高度減去地高得到無(wú)人飛行器距地高度。但這種方式存在以下問(wèn)題首先，作為民間使用的無(wú)人飛行器系統(tǒng)只能獲取民用級(jí)的GPS導(dǎo)航數(shù)據(jù)，而民用級(jí)GPS導(dǎo)航分辨率一般在10米左右，因此用于測(cè)量距地高度明顯精度不足；而氣壓高度計(jì)同樣也存在精度不足的問(wèn)題；另一個(gè)問(wèn)題是在許多場(chǎng)合很難獲取準(zhǔn)確的當(dāng)?shù)氐匦螆D，無(wú)法得到飛行器位置的地高數(shù)據(jù)，因此從目前來(lái)看該方法尚不足以理想的解決問(wèn)題。發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有的民用無(wú)人飛行器不能有效的感知距地高度及地面地形狀況，容易發(fā)生觸地碰撞事故的不足，本發(fā)明提供了一種較為經(jīng)濟(jì)的自動(dòng)定高控制裝置，該控制裝置可以感知無(wú)人飛行器相對(duì)地面高度及地面地形狀況，自動(dòng)控制無(wú)人飛行器保持作業(yè)飛行高度，避開(kāi)地面突起和障礙物。
本發(fā)明所解決其問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是在無(wú)人飛行器機(jī)體上安裝二維激光掃描儀，對(duì)機(jī)體前方區(qū)域地面進(jìn)行照射掃描，獲得機(jī)體距離地面的高度以及地形掃描數(shù)據(jù)。再將激光掃描儀獲取的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)導(dǎo)入嵌入式控制板中作相關(guān)運(yùn)算處理，結(jié)合由本機(jī)慣性姿態(tài)測(cè)量單元傳來(lái)的本機(jī)姿態(tài)角度數(shù)據(jù)，計(jì)算出飛行方向上是否存在碰撞可能，是否具有危險(xiǎn)障礙物。若計(jì)算結(jié)果得出飛行器前方存在碰撞隱患，則嵌入式控制板向飛行控制器發(fā)出爬升指令，控制無(wú)人飛行器提高飛行高度躲避碰撞，也可以向地面操控臺(tái)提供告警信息，提醒操控者及時(shí)手動(dòng)控制躲避碰撞。
本發(fā)明的有益效果是使無(wú)人飛行器具備了一定的對(duì)地面感知能力，在進(jìn)行低空作業(yè)可探測(cè)到來(lái)自地面的碰撞隱患，使無(wú)人飛行器能夠及時(shí)采取措施規(guī)避障礙物。
本發(fā)明的另一個(gè)目的在于，提出了一種基于二維激光掃描儀的無(wú)人飛行器對(duì)地面自動(dòng)定高的作業(yè)方法，依次包括以下步驟
(I) 二維激光掃描儀安裝在穩(wěn)定云臺(tái)上，在飛行中始終穩(wěn)定保持對(duì)地面照射的角度。
(2) 二維激光掃描儀將掃描數(shù)據(jù)傳送給飛行器上嵌入式控制板，由嵌入式控制板對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算前方地形狀況和飛行相對(duì)高度，判定是否滿足作業(yè)要求。
(3)若飛行相對(duì)高度和前方地形狀況滿足作業(yè)要求，則無(wú)人飛行器維持原飛行狀態(tài)；若不滿足作業(yè)要求，存在高度過(guò)低或者前方碰撞隱患，則嵌入式控制板向無(wú)人飛行器的飛行控制器發(fā)出爬升指令，直到恢復(fù)正常作業(yè)高度，當(dāng)飛行高度過(guò)高時(shí)則向飛行控制器發(fā)出下降指令，使飛行器下降到設(shè)定的作業(yè)高度范圍。
具體實(shí)施方式
在圖I中，二維激光掃描儀I裝在機(jī)首的穩(wěn)定云臺(tái)上，保持穩(wěn)定的對(duì)地照射姿態(tài)。 嵌入式控制板2用于對(duì)二維激光掃描儀I的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和計(jì)算，判定當(dāng)前運(yùn)行狀況，當(dāng)判定碰撞即將發(fā)生時(shí)，將指令發(fā)給無(wú)人飛行器的飛行控制器3，控制飛行器采取爬升或懸停避免碰撞。當(dāng)?shù)孛娴匦蜗陆禃r(shí)，則將下降指令發(fā)給飛行控制器3，以保持一定的距地飛行高度。
圖2是本發(fā)明中嵌入式控制板的電路原理圖，控制板核心由STM32F103ZET6處理器組成，由該處理器芯片實(shí)時(shí)采集二維激光掃描儀的對(duì)地面掃描數(shù)據(jù)，并進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)解算和分析，判斷對(duì)地相對(duì)高度是否滿足作業(yè)要求，是否存在對(duì)地碰撞隱患，并生成飛行狀態(tài)調(diào)整策略傳送至飛行控制器。
控制板使用SL811HST芯片作為USB接口驅(qū)動(dòng)，將二維激光掃描儀的掃描數(shù)據(jù)通過(guò) USB端口傳給STM32F103ZET6處理器。同時(shí)使用SN65VHD230芯片作為CAN總線接口驅(qū)動(dòng)， 通過(guò)CAN總線與無(wú)人飛行器的飛行控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。
在圖3中顯示了系統(tǒng)運(yùn)作的場(chǎng)景，二維激光掃描儀在無(wú)人飛行器運(yùn)行時(shí)保持對(duì)前方地面的照射，獲取二維掃描信息，判明前方地形狀態(tài)。
圖4是自動(dòng)定高算法示意圖。圖3中坐標(biāo)原點(diǎn)0代表二維激光掃描儀激光出發(fā)原點(diǎn)，以0為原點(diǎn)的坐標(biāo)系橫軸V為飛行器飛行的方向，實(shí)際運(yùn)算中可從無(wú)人飛行器的慣性測(cè)量平臺(tái)獲取，a角為二維激光掃描儀照射平面與飛行器飛行方向V之間的夾角，也可從慣性測(cè)量平臺(tái)的輸出信息中得到。OA則為二維激光掃描儀的掃描光束照射至地表產(chǎn)生的測(cè)量光束，s平行于V，代表安全邊界，s和V之間的距離h由二維激光掃描儀在機(jī)體上安裝的相對(duì)位置和機(jī)體輪廓尺寸、一定的安全裕度確定，則設(shè)OA與s之間的交點(diǎn)B與原點(diǎn)0相連的線段OB長(zhǎng)度為1，有h
I=-sin a
設(shè)OA長(zhǎng)度為I'，則I'即為二維激光掃描儀實(shí)時(shí)掃描出的距離結(jié)果，由此可知當(dāng)/'>/=!時(shí)，此時(shí)判斷飛行器距地高度安全，可以調(diào)整飛行高度至r = I ;當(dāng) Sina廠</= J一時(shí)，此時(shí)判斷飛行器飛行高度過(guò)低，出現(xiàn)碰撞隱患，應(yīng)爬升至r彡I。 sma
上面所述的實(shí)施例僅僅對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式進(jìn)行了描述，并非對(duì)本發(fā)明的構(gòu)思和范圍進(jìn)行限定，在不脫離本發(fā)明設(shè)計(jì)構(gòu)思前提下，本領(lǐng)域的技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做出的各種變型和改進(jìn)，均應(yīng)落入本發(fā)明的保護(hù)范圍，本發(fā)明請(qǐng)求保護(hù)的技術(shù)內(nèi)容，已經(jīng)全部記載在權(quán)利要求書(shū)中。


下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。
圖I是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖2是本發(fā)明的嵌入式控制板電路原理圖3是本發(fā)明的運(yùn)作示意圖4是本發(fā)明的算法示意圖。
權(quán)利要求
1.一種用于無(wú)人飛行器作業(yè)自動(dòng)定高的方法，其特征是所述方法利用二維激光掃描儀、嵌入式控制板和飛行控制器等裝置，利用嵌入式控制板通過(guò)接收二維激光掃描儀的輸出數(shù)據(jù)，通過(guò)本方法中所述計(jì)算公式，計(jì)算出無(wú)人飛行器距地高度并判斷是否存在與障礙物碰撞可能；若判斷存在障礙物碰撞可能，通過(guò)飛行控制器自動(dòng)控制無(wú)人飛行器躲避碰撞， 保持作業(yè)高度。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的無(wú)人飛行器作業(yè)自動(dòng)定高的方法，其特征是所述二維激光掃描儀安裝在無(wú)人飛行器的穩(wěn)定云臺(tái)上，并在無(wú)人飛行器飛行中保持與大地坐標(biāo)系的相對(duì)姿態(tài)角。
3.一種基于二維激光掃描儀的無(wú)人飛行器對(duì)地面自動(dòng)定高的作業(yè)方法，依次包括以下步驟(1)二維激光掃描儀安裝在穩(wěn)定云臺(tái)上，在飛行中始終穩(wěn)定保持對(duì)地面照射的角度；(2)二維激光掃描儀將掃描數(shù)據(jù)傳送給飛行器上嵌入式控制板，由嵌入式控制板對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算前方地形狀況和飛行相對(duì)高度，判定是否滿足作業(yè)要求；(3)若飛行相對(duì)高度和前方地形狀況滿足作業(yè)要求，則無(wú)人飛行器維持原飛行狀態(tài)； 若不滿足作業(yè)要求，存在高度過(guò)低或者前方碰撞隱患，則嵌入式控制板向無(wú)人飛行器的飛行控制器發(fā)出爬升指令，直到恢復(fù)正常作業(yè)高度，當(dāng)飛行高度過(guò)高時(shí)則向飛行控制器發(fā)出下降指令，使飛行器下降到設(shè)定的作業(yè)高度范圍。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種基于二維激光掃描儀的無(wú)人飛行器作業(yè)自動(dòng)定高的方法。所解決其問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是在無(wú)人飛行器機(jī)體上安裝二維激光掃描儀，對(duì)機(jī)體前方區(qū)域地面進(jìn)行照射掃描，獲得機(jī)體距離地面的高度以及地形掃描數(shù)據(jù)。再將激光掃描儀獲取的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)導(dǎo)入嵌入式控制板中作相關(guān)運(yùn)算處理，結(jié)合由本機(jī)慣性姿態(tài)測(cè)量單元傳來(lái)的本機(jī)姿態(tài)角度數(shù)據(jù)，計(jì)算出飛行方向上是否存在碰撞可能，是否具有危險(xiǎn)障礙物。若計(jì)算結(jié)果得出飛行器前方存在碰撞隱患，則嵌入式控制板向飛行控制器發(fā)出爬升指令。本發(fā)明的有益效果是使無(wú)人飛行器具備了一定的對(duì)地面感知能力，在進(jìn)行低空作業(yè)可探測(cè)到來(lái)自地面的碰撞隱患，使無(wú)人飛行器能夠及時(shí)采取措施規(guī)避障礙物。
文檔編號(hào)G05D1/04GK102541066SQ20111042256
公開(kāi)日2012年7月4日 申請(qǐng)日期2011年12月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月16日
發(fā)明者張旭, 李賀春 申請(qǐng)人:新時(shí)代集團(tuán)國(guó)防科技研究中心