本實(shí)用新型涉及無(wú)人機(jī)控制系統(tǒng)領(lǐng)域，尤其涉及基于激光雷達(dá)的無(wú)人機(jī)地形跟隨系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

無(wú)人機(jī)即無(wú)人駕駛飛行器，無(wú)人機(jī)采用衛(wèi)星定位、遙感、地理空間、航空航天、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)輔助分析等高新技術(shù)，可服務(wù)于國(guó)土、測(cè)繪、林業(yè)、交通、水利及軍事等多個(gè)領(lǐng)域。

近年來(lái)隨著無(wú)人飛行器技術(shù)的快速發(fā)展，也使得人機(jī)技術(shù)應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。其中在農(nóng)業(yè)航空領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用，典型的案例就是用于農(nóng)林植物保護(hù)作業(yè)的無(wú)人駕駛飛機(jī)(簡(jiǎn)稱(chēng)植保無(wú)人飛行器)，植保無(wú)人飛行器的誕生對(duì)農(nóng)業(yè)的影響巨大，但就目前的行業(yè)現(xiàn)狀來(lái)看，市面上的植保無(wú)人飛行器的款式很多，但是這些機(jī)器的統(tǒng)一特點(diǎn)就是需要依靠飛控手的熟練的操作才能去作業(yè)，然而植保無(wú)人飛行器的作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，地勢(shì)高低不平，給植保無(wú)人飛行器作業(yè)提出了更高的要求。

無(wú)人飛行器的高度保持大多采用給飛行控控制器增加氣壓定高模塊，GPS等等，但是對(duì)于地勢(shì)高低不平的農(nóng)田來(lái)說(shuō)氣壓定高的便無(wú)法滿(mǎn)足需求，需要人為的調(diào)整油門(mén)來(lái)控制無(wú)人飛行器與農(nóng)作物的高度保持一致，進(jìn)而達(dá)到藥物噴灑均勻的要求。所以現(xiàn)有的植保無(wú)人飛行器氣壓定高還是不能適應(yīng)復(fù)雜地形的作業(yè)。

此外無(wú)人飛行器在起飛和著陸過(guò)程當(dāng)中，尤其是在自主飛行中的起飛和著陸中，對(duì)高度數(shù)據(jù)有高精度的要求。無(wú)人飛行器目前使用的高度計(jì)主要有氣壓高度計(jì)、無(wú)線(xiàn)電高度計(jì)、GPS高度計(jì)、超聲波高度計(jì)等。氣壓高度計(jì)測(cè)量范圍寬，但誤差較大；無(wú)線(xiàn)電高度計(jì)測(cè)量準(zhǔn)確，但容易受到無(wú)線(xiàn)電信號(hào)的干擾；GPS高度計(jì)存在信號(hào)不穩(wěn)定的問(wèn)題；超聲波高度計(jì)測(cè)量范圍太小，且易受環(huán)境溫度及空氣流動(dòng)影響。無(wú)人飛行器在低空飛行時(shí)，尤其是在起飛和著陸時(shí)對(duì)高度的測(cè)量有很高的要求，因而迫切需要解決無(wú)人飛行器飛行時(shí)的高度測(cè)量問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型為實(shí)現(xiàn)上述目的，提供基于激光雷達(dá)的無(wú)人機(jī)地形跟隨系統(tǒng)，包括相對(duì)高度測(cè)量模塊、其他傳感器模塊、飛行控制系統(tǒng)；

所述相對(duì)高度測(cè)量模塊，包括激光雷達(dá)和雷達(dá)采集處理單元，所述激光雷達(dá)獲取飛行環(huán)境的相對(duì)高度信息，所述雷達(dá)采集處理單元，包括一個(gè)ARM主芯片，負(fù)責(zé)完成雷達(dá)數(shù)據(jù)的采集及預(yù)處理計(jì)算，并將處理的結(jié)果傳輸給飛行控制系統(tǒng)；

所述其他傳感器模塊，包括IMU、三軸磁羅盤(pán)、GPS和氣壓計(jì)，用以獲取無(wú)人機(jī)的飛行狀態(tài)信息；

所述飛行控制系統(tǒng)，包括基于擴(kuò)展卡爾曼濾波器的傳感器數(shù)據(jù)融合模塊、飛行控制器和數(shù)據(jù)傳輸模塊；基于擴(kuò)展卡爾曼濾波器的傳感器數(shù)據(jù)融合模塊的輸出端與飛行控制器的輸入端相連，飛行控制器的輸出端與數(shù)據(jù)傳輸模塊的輸入端相連；基于擴(kuò)展卡爾曼濾波器的傳感器數(shù)據(jù)融合模塊用來(lái)接收來(lái)自相對(duì)高度測(cè)量模塊的相對(duì)高度數(shù)據(jù)信息和來(lái)自其他傳感器模塊的飛行狀態(tài)信息，通過(guò)基于擴(kuò)展卡爾曼濾波器的傳感器數(shù)據(jù)融合模塊進(jìn)行融合處理，生成飛行指令，通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸模塊發(fā)送飛行指令，以控制無(wú)人機(jī)的舵機(jī)組實(shí)現(xiàn)多樣地形的跟隨飛行及自主起降；

所述無(wú)人機(jī)，包括舵機(jī)組，所述舵機(jī)組根據(jù)飛行控制器的飛行指令進(jìn)行飛行，實(shí)現(xiàn)地形跟隨及自主起降飛行功能。

進(jìn)一步，所述基于激光雷達(dá)的無(wú)人機(jī)地形跟隨系統(tǒng)，設(shè)有飛行狀態(tài)指示模塊，用于指示無(wú)人飛行器的飛行狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)飛行狀態(tài)的顯示及預(yù)警。

進(jìn)一步，所述的基于激光雷達(dá)的無(wú)人機(jī)地形跟隨系統(tǒng)，還包括遙控器和地面站，所述遙控器與無(wú)人機(jī)的舵機(jī)組之間、遙控器與數(shù)據(jù)傳輸模塊之間，數(shù)據(jù)傳輸模塊與地面站之間，均以無(wú)線(xiàn)鏈路的方式進(jìn)行通信；

進(jìn)一步，所述激光雷達(dá)，由發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)、信息處理系統(tǒng)組成；

所述發(fā)射系統(tǒng)由激光器與光學(xué)擴(kuò)束單元組成，以激光器作為發(fā)射光源，采用光電探測(cè)技術(shù)進(jìn)行光學(xué)發(fā)射；

所述接收系統(tǒng)包括望遠(yuǎn)鏡和光電探測(cè)器。

進(jìn)一步，所述激光器為二氧化碳激光器、半導(dǎo)體激光器或波長(zhǎng)可調(diào)諧的固體激光器中的一種。

進(jìn)一步，所述光電探測(cè)器為光電倍增管、半導(dǎo)體光電二極管、雪崩光電二極 管、紅外和可見(jiàn)光多元探測(cè)器件的一種或多種組合。

本實(shí)用新型的有益效果是：本實(shí)用新型所述的基于激光雷達(dá)的無(wú)人機(jī)地形跟隨系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，使用方便，而且具有相對(duì)高度測(cè)量、定高飛行及自主起飛降落的功能，有效地解決了無(wú)人飛行器飛行控制問(wèn)題，具有較強(qiáng)的可靠性能；可以克服了現(xiàn)有的定高缺陷，能夠保持與農(nóng)作物的高度一致，使得農(nóng)作物的藥物噴灑均勻，從而可有效的防治病蟲(chóng)害的基于植保無(wú)人飛行器超聲波可控定高作業(yè)系統(tǒng)。

附圖說(shuō)明

圖1為本實(shí)用新型所述的基于激光雷達(dá)的無(wú)人機(jī)地形跟隨系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖；

圖2為本實(shí)用新型所述的基于擴(kuò)展卡爾曼濾波器的傳感器數(shù)據(jù)融合模塊的示意圖。

具體實(shí)施方式

以下將結(jié)合本實(shí)用新型的實(shí)施例參照附圖進(jìn)行詳細(xì)敘述。

基于激光雷達(dá)的無(wú)人機(jī)地形跟隨系統(tǒng)，包括相對(duì)高度測(cè)量模塊、其他傳感器模塊、飛行控制系統(tǒng)；

所述相對(duì)高度測(cè)量模塊，包括激光雷達(dá)和雷達(dá)采集處理單元，所述激光雷達(dá)獲取飛行環(huán)境的相對(duì)高度信息，所述雷達(dá)采集處理單元，包括一個(gè)ARM主芯片，負(fù)責(zé)完成雷達(dá)數(shù)據(jù)的采集及預(yù)處理計(jì)算，并將處理的結(jié)果傳輸給飛行控制系統(tǒng)；

所述其他傳感器模塊，包括IMU、三軸磁羅盤(pán)、GPS和氣壓計(jì)，用以獲取無(wú)人機(jī)的飛行狀態(tài)信息；

所述飛行控制系統(tǒng)，包括基于擴(kuò)展卡爾曼濾波器的傳感器數(shù)據(jù)融合模塊、飛行控制器和數(shù)據(jù)傳輸模塊；基于擴(kuò)展卡爾曼濾波器的傳感器數(shù)據(jù)融合模塊的輸出端與飛行控制器的輸入端相連，飛行控制器的輸出端與數(shù)據(jù)傳輸模塊的輸入端相連；基于擴(kuò)展卡爾曼濾波器的傳感器數(shù)據(jù)融合模塊用來(lái)接收來(lái)自相對(duì)高度測(cè)量模塊的相對(duì)高度數(shù)據(jù)信息和來(lái)自其他傳感器模塊的飛行狀態(tài)信息，通過(guò)基于擴(kuò)展卡爾曼濾波器的傳感器數(shù)據(jù)融合模塊進(jìn)行融合處理，生成飛行指令，通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸模塊發(fā)送飛行指令，以控制無(wú)人機(jī)的舵機(jī)組實(shí)現(xiàn)多樣地形的跟隨飛行及自主起 降；

所述無(wú)人機(jī)，包括舵機(jī)組，所述舵機(jī)組根據(jù)飛行控制器的飛行指令進(jìn)行飛行，實(shí)現(xiàn)地形跟隨及自主起降飛行功能。

進(jìn)一步，所述基于激光雷達(dá)的無(wú)人機(jī)地形跟隨系統(tǒng)，設(shè)有飛行狀態(tài)指示模塊，用于指示無(wú)人飛行器的飛行狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)飛行狀態(tài)的顯示及預(yù)警；

進(jìn)一步，所述的基于激光雷達(dá)的無(wú)人機(jī)地形跟隨系統(tǒng)，還包括遙控器和地面站，所述遙控器與無(wú)人機(jī)的舵機(jī)組之間、遙控器與數(shù)據(jù)傳輸模塊之間，數(shù)據(jù)傳輸模塊與地面站之間，均以無(wú)線(xiàn)鏈路的方式進(jìn)行通信；

進(jìn)一步，所述激光雷達(dá)，由發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)、信息處理系統(tǒng)組成。

所述發(fā)射系統(tǒng)由激光器與光學(xué)擴(kuò)束單元組成，以激光器作為發(fā)射光源，采用光電探測(cè)技術(shù)進(jìn)行光學(xué)發(fā)射；

所述接收系統(tǒng)包括望遠(yuǎn)鏡和光電探測(cè)器。

進(jìn)一步，所述激光器為二氧化碳激光器、半導(dǎo)體激光器或波長(zhǎng)可調(diào)諧的固體激光器中的一種。

進(jìn)一步，所述光電探測(cè)器為光電倍增管、半導(dǎo)體光電二極管、雪崩光電二極管、紅外和可見(jiàn)光多元探測(cè)器件的一種或多種組合。

基于激光雷達(dá)的無(wú)人機(jī)地形跟隨方法，包括如下步驟：

第一步，激光雷達(dá)獲取飛行環(huán)境的相對(duì)高度信息，雷達(dá)采集處理單元進(jìn)行雷達(dá)數(shù)據(jù)的采集及預(yù)處理計(jì)算，并將處理的結(jié)果傳輸給飛行控制系統(tǒng)；

第二步，基于擴(kuò)展卡爾曼濾波器的傳感器數(shù)據(jù)融合模塊接收來(lái)自相對(duì)高度測(cè)量模塊的相對(duì)高度數(shù)據(jù)信息和來(lái)自其他傳感器模塊的飛行狀態(tài)信息，通過(guò)基于擴(kuò)展卡爾曼濾波器的傳感器數(shù)據(jù)融合模塊進(jìn)行融合處理，生成飛行指令；

第三步，飛行指令經(jīng)過(guò)飛行控制，經(jīng)數(shù)據(jù)傳輸模塊發(fā)送出飛行指令到無(wú)人機(jī)舵機(jī)組；

第四步，無(wú)人機(jī)的舵機(jī)組根據(jù)飛行指令實(shí)現(xiàn)多樣地形的跟隨飛行及自主起降；

第五步，飛行控制系統(tǒng)可通過(guò)無(wú)線(xiàn)鏈路經(jīng)遙控器控制無(wú)人機(jī)的舵機(jī)組；

第六步，通過(guò)地面站獲取地面端人員及計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的控制命令，同時(shí)將命令通過(guò)無(wú)線(xiàn)鏈路發(fā)送給無(wú)人機(jī)，以實(shí)現(xiàn)基于地面端數(shù)據(jù)的控制飛行。

無(wú)人飛行器控制系統(tǒng)基于μC/OS-II提供的系統(tǒng)調(diào)度為基礎(chǔ)，根據(jù)無(wú)人飛行器直升機(jī)飛行控制工作原理，通過(guò)采集的傳感器信息、存儲(chǔ)的相關(guān)狀態(tài)和數(shù)據(jù)以及無(wú)線(xiàn)電測(cè)控終端發(fā)過(guò)來(lái)的上行遙控或地面站規(guī)劃的指令與數(shù)據(jù)，經(jīng)判斷、運(yùn)算和處理之后，輸出指令給伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)即舵機(jī)系統(tǒng)，控制操縱無(wú)人飛行器的舵面、發(fā)動(dòng)機(jī)的油門(mén)，以控制無(wú)人直升機(jī)的飛行。

以上所述僅是本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本實(shí)用新型原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。