CN107643762A - 自主导航的无人机***及其导航方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自主导航的无人机***，包括：飞行器平台，其为四旋翼飞行器，传感器子***，其包括安装在四旋翼飞行器内部的惯性测量单元、安装在四旋翼飞行器底部的***机、安装在四旋翼飞行器底部的超声波传感器和安装在四旋翼飞行器顶部的激光扫描雷达；自动驾驶仪，其与GPS定位模块和传感器子***通过无线网络通信；遥控器，其与四旋翼飞行器通过无线网络通信连接；地面监控站，其与自动驾驶仪通过无线网络进行通信。本发明还提供了一种自主导航的无人机***的导航方法。本发明的有益效果：进入室内环境后仍然可以定位和导航，具备避障能力；能够自动判断至目标点的最优路线，实现自主导航；具备多种操作模式，方便实用，灵活多变。

Description

自主导航的无人机***及其导航方法

技术领域

本发明涉及无人机技术领域，具体而言，涉及一种自主导航的无人机***及其导航方法。

背景技术

目前各国生产的微型飞行器大多依靠卫星进行定位和导航，只能按照预先设定的航路飞行，而且均不具备规避障碍物的能力。这导致微型飞行器在城市街区和巷道中很难使用，或者使用时很容易被撞毁。同时，也使得需要在建筑内部执行侦察或者危险品探测等任务时，微型飞行器显得无能为力。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种自主导航的无人机***及其导航方法，可以规避障碍物，实现自主导航。

本发明提供了一种自主导航的无人机***，包括：

飞行器平台，其为四旋翼飞行器，所述四旋翼飞行器上设有GPS定位模块，所述GPS定位模块接收卫星信号，确定所述四旋翼飞行器当前所在的经纬位置，为导航提供基本数据；

传感器子***，其包括安装在所述四旋翼飞行器内部的惯性测量单元、安装在所述四旋翼飞行器底部的***机、安装在所述四旋翼飞行器底部的超声波传感器和安装在所述四旋翼飞行器顶部的激光扫描雷达；所述***机采集所述四旋翼飞行器前方的图像信息；所述激光扫描雷达测量所述四旋翼飞行器周围的环境信息；所述超声波传感器辅助所述激光扫描雷达进行障碍物的探测，补偿所述激光扫描雷达的误差；所述惯性测量单元测量所述四旋翼飞行器的姿态信息；

自动驾驶仪，其与所述GPS定位模块和所述传感器子***通过无线网络通信，接收所述传感器子***的数据并进行处理，对所述四旋翼飞行器的飞行姿态进行控制；所述自动驾驶仪由壳体和设置在所述壳体内部的飞行控制器组成，所述飞行控制器包括环境感知模块、定位导航模块、路径规划模块和决策控制模块，所述传感器子***与所述环境感知模块连接，所述环境感知模块与所述定位导航模块连接，所述定位导航模块与所述路径规划模块连接，所述路径规划模块与所述决策控制模块连接，所述决策控制模块与所述四旋翼飞行器连接；

遥控器，其与所述四旋翼飞行器通过无线网络通信连接，用于对所述四旋翼飞行器进行操作控制；

地面监控站，其与所述自动驾驶仪通过无线网络进行通信，接收所述传感器子***的数据并进行存储与显示，接收所述飞行控制器的路径规划数据并在地图上显示。

作为本发明进一步的改进，所述四旋翼飞行器翼为四轴飞行器，旋翼对称安装在四个轴上，同一对角线上的旋翼为一组，在四根轴的旋翼上对称安装四个小型无刷直流电机，驱动四个旋翼高速旋转。

作为本发明进一步的改进，所述惯性测量单元由三轴陀螺、三轴加速度计、温度传感器、三轴磁力计和气压计组成；

所述三轴陀螺输出所述四旋翼飞行器三轴的角速度信号；

所述三轴加速度计输出所述四旋翼飞行器三轴的加速度信号；

所述温度传感器输出所述四旋翼飞行器所在位置的温度信号；

所述三轴磁力计用于输出所述四旋翼飞行器所在位置的地磁信号；

所述气压计用于输出所述四旋翼飞行器所在位置的气压信号和高度信号。

作为本发明进一步的改进，所述环境感知模块包括：

视觉感知模块，其与所述***机连接，采集所述四旋翼飞行器前方的图像信息；

障碍检测模块，其与所述激光扫描雷达和所述超声波传感器连接，测量所述四旋翼飞行器周围的障碍物信息，获取障碍物的分布情况；

多传感器信息融合模块，其与所述惯性测量单元连接，获取所述四旋翼飞行器的飞行姿态信息；

所述定位导航模块包括：

特征提取模块，其对采集到的图像信息进行SIFT特征点匹配及Harris角点匹配；

运动估计模块，其采用图像序列运动估计算法实现所述四旋翼飞行器周围环境的三维重建；

数据融合模块，其对所述多传感器信息融合模块获取的飞行姿态信息、所述GPS定位模块的定位信息和所述障碍检测模块检测到的环境信息进行融合和更新，获取所述四旋翼飞行器的当前位置及速度；

所述路径规划模块包括：

全局路径规划模块，其根据所述四旋翼飞行器的环境信息及所述四旋翼飞行器所在位置，计算出所述四旋翼飞行器到目标位置的全局路线；

局部路径规划模块，其根据所述障碍物的分布情况，计算出所述四旋翼飞行器到目标位置的最优路线；

所述决策控制模块包括：

决策模块，其根据所述路径规划模块输出的最优路线，计算出所述四旋翼飞行器到目标位置所需飞行的距离、航向，并将控制指令下发至飞行控制模块；

飞行控制模块，其根据所述飞行控制模块的控制指令，控制所述四旋翼飞行器的自主飞行。

作为本发明进一步的改进，所述决策模块中，通过控制所述四旋翼飞行器旋翼的转速，即控制无刷直流电机的转速实现悬停、前飞、侧飞、上升、下降。

作为本发明进一步的改进，控制所述四旋翼飞行器悬停时，保持四个旋翼的转速相等，以相互抵消反扭力矩；

控制所述四旋翼飞行器上升或下降时，等量地增大或减小旋翼的转速，即等量地增大或减小无刷直流电机的转速；

控制所述四旋翼飞行器俯仰或横滚转动时，增大某一侧旋翼转速的同时，等量地减小对角线上另一侧旋翼的转速，即增大某一侧无刷直流电机转速的同时，等量地减小对角线上另一侧无刷直流电机的转速；

控制所述四旋翼飞行器偏航运动时，增大某一对角线上两个旋翼转速的同时，等量减小另一对角线上两个旋翼的转速，即增大某一对角线上两个无刷直流电机转速的同时，等量减小另一对角线上两个无刷直流电机的转速。

作为本发明进一步的改进，所述地面监控站包括：

遥测数据的实时接收和显示模块，其接收所述GPS定位模块、所述惯性测量单元、所述激光扫描雷达和所述超声波传感器测量的数据信息并显示；

遥测图像的实时处理与显示模块，其接收所述***机采集的图像信息并显示；

遥控指令的实时处理与显示模块，其接收所述飞行控制模块的控制指令并显示；

地图显示与航迹规划功能模块，其接收所述四旋翼飞行器所处的位置信息并在地图进行显示，同时，对所述路径规划模块计算出的路线在地图上进行显示；

遥测数据的实时存储功能模块，其对接收到的数据信息进行存储；

遥测指令的实时存储功能模块，其对接收到的控制指令进行存储；

数据回放功能模块，其用于回放接收到的数据信息、图像信息、控制指令；

操控设备模块，其用于操作所述自动驾驶仪，控制所述四旋翼飞行器的飞行姿态；

供电模块，其用于为所述遥测数据的实时接收和显示模块、所述遥测图像的实时处理与显示模块、所述遥控指令的实时处理与显示模块、所述地图显示与航迹规划功能模块、所述遥测数据的实时存储功能模块、所述遥测指令的实时存储功能模块、所述数据回放功能模块和所述操控设备模块提供电源。

作为本发明进一步的改进，所述四旋翼飞行器的操作模式有三种：

遥控模式：操作人员通过肉眼实时观察所述四旋翼飞行器的状态，同时观察所述四旋翼飞行器周围的环境，并通过遥控器做出相应的控制动作，更改四旋翼飞行器的飞行姿态和飞行高度；

增稳控制模式：操作人员通过观察地面测控站中所述四旋翼飞行器回传的视频图像，通过遥控器做出相应的控制动作，同时避开障碍物，实时更改四旋翼飞行器的飞行姿态和飞行高度；

全自动模式：操作人员通过观察地面测控站中所述四旋翼飞行器回传的视频图像，操作所述自动驾驶仪，使所述四旋翼飞行器沿事先规划好的路线进行自动飞行，中途如遇到障碍物，则根据障碍物的大小，进行局部路径规划，绕过障碍物，再自动飞往目标点。

本发明还提供了一种无人机***的自主导航方法，包括以下步骤：

步骤1，在飞行器平台上安装GPS定位模块、惯性测量单元、***机、超声波传感器和激光扫描雷达；

步骤2，将自动驾驶仪与GPS定位模块、惯性测量单元、***机、超声波传感器和激光扫描雷达通过无线网络通信连接；

将地面监控站与所述自动驾驶仪通过无线网络进行通信连接；

步骤3，在地面监控站上设置无人机飞行的任务，包括飞行的航路点和飞行动作姿态；

步骤4，所述四旋翼飞行器根据任务开始飞行，所述GPS定位模块接收卫星信号，确定所述四旋翼飞行器当前所在的经纬位置，为导航提供基本数据；

所述***机采集所述四旋翼飞行器前方的图像信息；所述激光扫描雷达测量所述四旋翼飞行器周围的环境信息；所述超声波传感器辅助所述激光扫描雷达进行障碍物的探测，补偿所述激光扫描雷达的误差，获取障碍物的分布情况；所述惯性测量单元测量所述四旋翼飞行器的姿态信息；

同时，所述GPS定位模块的定位信息，所述惯性测量单元、所述激光扫描雷达和所述超声波传感器测量的数据信息，以及所述***机采集的图像信息在上传至地面监控站并显示在屏幕上；

步骤5，自动驾驶仪中的定位导航模块对采集到的图像进行处理，并结合所述激光扫描雷达和所述超声波传感器探测到的环境信息，对所述四旋翼飞行器周围环境进行三维重建；

同时，对获取到的飞行姿态信息和所述GPS定位模块的定位信息进行融合和更新，获取所述四旋翼飞行器的当前位置及速度；

步骤6，自动驾驶仪中的路径规划模块根据所述四旋翼飞行器的环境信息及所述四旋翼飞行器所在位置，计算出所述四旋翼飞行器到目标位置的全局路线；

当有障碍物时，自动驾驶仪中的路径规划模块根据所述障碍物的分布情况，计算出所述四旋翼飞行器到目标位置的最优路线；

同时，所述四旋翼飞行器所处的位置信息以及所述路径规划模块计算出的路线在上传至所述地面监控站并在屏幕的地图上显示；

步骤7，自动驾驶仪中的决策模块根据所述路径规划模块输出的最优路线，计算出所述四旋翼飞行器到目标位置所需飞行的距离、航向，并将控制指令下发至自动驾驶仪中的飞行控制模块；

同时，所述飞行控制模块的控制指令上传至地面监控站并显示在屏幕上；

步骤8，操作人员通过观察地面测控站屏幕中所述四旋翼飞行器回传的视频图像，操作所述自动驾驶仪，使所述四旋翼飞行器沿事先规划好的路线进行自动飞行，中途如遇到障碍物，则根据障碍物的大小，进行局部路径规划，根据局部路径规划的最优路线绕过障碍物，再自动飞往目标点；

或者，

操作人员通过观察地面测控站屏幕中所述四旋翼飞行器回传的视频图像，通过遥控器根据规划的路线做出相应的控制动作，同时避开障碍物，实时更改飞行器的飞行姿态和飞行高度，飞往目标点；

或者，

操作人员通过肉眼实时观察所述四旋翼飞行器的状态，同时观察所述四旋翼飞行器周围的环境，并通过遥控器做出相应的控制动作，同时避开障碍物，更改飞行器的飞行姿态和飞行高度，飞往目标点。

作为本发明进一步的改进，当GPS信号稳定时，所述GPS定位模块接收卫星信号，确定所述四旋翼飞行器当前所在的经纬位置，并将定位信息上传至自动驾驶仪的定位导航模块中，定位导航模块同步并实时输出定位信息至路径规划模块，进行路径规划；

当GPS信号不稳定或暂时丢失时，所述惯性测量单元测量到的姿态信息，包括角速度信号、加速度信号、温度信号、地磁信号、气压信号和高度信号，上传至自动驾驶仪的定位导航模块中，定位导航模块采用卡尔曼滤波算法对这些信号进行处理，定位导航模块将处理后的姿态信息实时输出定位信息至路径规划模块，进行路径规划；

当GPS信号消失且惯性测量单元失效时，所述激光扫描雷达测量到的环境信息上传至自动驾驶仪的定位导航模块中，定位导航模块同步并实时输出定位信息至路径规划模块，进行路径规划；

当GPS信号消失、惯性测量单元失效且激光扫描雷达无信号时，所述超声波传感器辅助进行障碍物的探测，获取障碍物的分布情况，并将这些信息上传至自动驾驶仪的定位导航模块中，定位导航模块同步并实时输出定位信息至路径规划模块，进行路径规划。

本发明的有益效果为：

1、进入室内环境后仍然可以定位和导航，具备避障能力；

2、能够自动判断至目标点的最优路线，实现自主导航；

3、具备多种操作模式，方便实用，灵活多变。

附图说明

图1为本发明实施例所述的一种自主导航的无人机***的示意图；

图2为本发明实施例所述的飞行控制器的示意图；

图3为本发明实施例所述的地面监控站的示意图。

具体实施方式

下面通过具体的实施例并结合附图对本发明做进一步的详细描述。

实施例1，如图1所示，本发明实施例的一种自主导航的无人机***，包括：飞行器平台、传感器子***、自动驾驶仪、遥控器和地面监控站。

飞行器平台为四旋翼飞行器，四旋翼飞行器上设有GPS定位模块，GPS定位模块接收卫星信号，确定四旋翼飞行器当前所在的经纬位置，为导航提供基本数据。其中，四旋翼飞行器翼为四轴飞行器，旋翼对称安装在四个轴上，同一对角线上的旋翼为一组，在四根轴的旋翼上对称安装四个小型无刷直流电机，驱动四个旋翼高速旋转。通过改变无刷直流电机的转速实现飞行器的前飞、侧飞、爬升、下降等飞行功能。所选用的飞行器平台具有尺寸小、结构简单、平台成熟度高、载荷能力较强等诸多优点，可以室内低速飞行和在室外高速飞行,旋翼对称安装于机体的各个定点，同一对角线上的旋翼为一组。旋翼攻角固定，通过控制旋翼的转速来实现飞行控制。

本发明的四旋翼飞行器的操作模式有三种：

遥控模式：操作人员通过肉眼实时观察四旋翼飞行器的状态，同时观察四旋翼飞行器周围的环境，并通过遥控器做出相应的控制动作，更改飞行器的飞行姿态和飞行高度；这种模式，对操作人员的技术水平要求较高，且只能在有限的视距范围内飞行。

增稳控制模式：操作人员通过观察地面测控站中四旋翼飞行器回传的视频图像，通过遥控器做出相应的控制动作，同时避开障碍物，实时更改飞行器的飞行姿态和飞行高度；这种模式下，飞行控制***能够自动稳定地控制四旋翼飞行器的姿态和高度。

全自动模式：操作人员通过观察地面测控站中四旋翼飞行器回传的视频图像，操作自动驾驶仪，使四旋翼飞行器沿事先规划好的路线进行自动飞行，中途如遇到障碍物，则根据障碍物的大小，进行局部路径规划，绕过障碍物，再自动飞往目标点。

传感器子***包括安装在四旋翼飞行器内部的惯性测量单元、安装在四旋翼飞行器底部的***机、安装在四旋翼飞行器底部的超声波传感器和安装在四旋翼飞行器顶部的激光扫描雷达；***机采集四旋翼飞行器前方的图像信息，用来进行环境感知和图像导航；激光扫描雷达测量四旋翼飞行器周围的环境信息；超声波传感器辅助激光扫描雷达进行障碍物的探测，补偿激光扫描雷达的误差；惯性测量单元测量四旋翼飞行器的姿态信息。

***机负责采集飞行器前方的图像信息，用来进行环境感知和图像导航。***机主要技术指标如表1所示。

表1***机主要技术指标

激光扫描雷达负责进行飞行器周围环境的距离测量，主要用于地图构建、室内定位以及障碍探测。本发明采用小型的二维激光扫描雷达，主要技术指标如表2所示。

表2激光雷达主要技术指标

超声波传感器用于辅助激光雷达进行障碍物的检测。探测距离5m，重量5g，供电电压5V，RS232串口输出数据。

惯性测量单元采用ADI公司的ADIS16480高性能传感器，由三轴陀螺、三轴加速度计、温度传感器、三轴磁力计和气压计组成，具有姿态角航向角输出功能，工厂校准灵敏度、零偏差和正交补偿，并进行了全温度范围校准，体积小于1立方英寸，SPI接口，其性能参数如表3所示。

三轴陀螺输出四旋翼飞行器三轴的角速度信号；

三轴加速度计输出四旋翼飞行器三轴的加速度信号；

温度传感器输出四旋翼飞行器所在位置的温度信号；

三轴磁力计用于输出四旋翼飞行器所在位置的地磁信号；

气压计用于输出四旋翼飞行器所在位置的气压信号和高度信号。

表3惯性测量单元主要技术指标

自动驾驶仪与GPS定位模块和传感器子***通过无线网络通信，接收传感器子***的数据并进行处理，对四旋翼飞行器的飞行姿态进行控制。本发明的微型飞行器尺寸小、载荷能力有限，要求自动驾驶仪重量轻、尺寸小、功耗低。同时，为了实现室内飞行和自动避障功能，又要求自动驾驶仪具有处理地图构建算法、组合导航算法、图像处理算法等复杂算法的运算能力。自动驾驶仪由壳体和设置在壳体内部的飞行控制器组成，如图2所示，飞行控制器包括环境感知模块、定位导航模块、路径规划模块和决策控制模块，传感器子***与环境感知模块连接，环境感知模块与定位导航模块连接，定位导航模块与路径规划模块连接，路径规划模块与决策控制模块连接，决策控制模块与四旋翼飞行器连接。

其中，环境感知模块包括：

视觉感知模块，其与***机连接，采集四旋翼飞行器前方的图像信息；

障碍检测模块，其与激光扫描雷达和超声波传感器连接，测量四旋翼飞行器周围的环境信息和障碍物信息，获取障碍物的分布情况；

多传感器信息融合模块，其与惯性测量单元连接，获取四旋翼飞行器的飞行姿态信息。

定位导航模块包括：

特征提取模块，其对采集到的图像信息进行SIFT特征点匹配及Harris角点匹配；

运动估计模块，其采用图像序列运动估计算法实现四旋翼飞行器周围环境的三维重建；

数据融合模块，其对多传感器信息融合模块获取的飞行姿态信息、GPS定位模块的定位信息和障碍检测模块检测到的环境信息进行融合和更新，获取四旋翼飞行器的当前位置及速度。

路径规划模块包括：

全局路径规划模块，其根据四旋翼飞行器的环境信息及四旋翼飞行器所在位置，计算出四旋翼飞行器到目标位置的全局路线；

局部路径规划模块，其根据障碍物的分布情况，计算出四旋翼飞行器到目标位置的最优路线。

决策控制模块包括：

决策模块，其根据路径规划模块输出的最优路线，计算出四旋翼飞行器到目标位置所需飞行的距离、航向，并将控制指令下发至飞行控制模块；

飞行控制模块，其根据飞行控制模块的控制指令，控制四旋翼飞行器的自主飞行。

其中，决策模块中，通过控制四旋翼飞行器旋翼的转速，即控制无刷直流电机的转速实现悬停、前飞、侧飞、上升、下降，具体包括：

控制四旋翼飞行器悬停时，保持四个旋翼的转速相等，以相互抵消反扭力矩；

控制四旋翼飞行器上升或下降时，等量地增大或减小旋翼的转速，即等量地增大或减小无刷直流电机的转速；

控制四旋翼飞行器俯仰或横滚转动时，增大某一侧旋翼转速的同时，等量地减小对角线上另一侧旋翼的转速，即增大某一侧无刷直流电机转速的同时，等量地减小对角线上另一侧无刷直流电机的转速；

控制四旋翼飞行器偏航运动时，增大某一对角线上两个旋翼转速的同时，等量减小另一对角线上两个旋翼的转速，即增大某一对角线上两个无刷直流电机转速的同时，等量减小另一对角线上两个无刷直流电机的转速。

遥控器与四旋翼飞行器通过无线网络通信连接，用于对四旋翼飞行器进行操作控制。

地面监控站，其与自动驾驶仪通过无线网络进行通信，接收传感器子***的数据并进行存储与显示，接收飞行控制器的路径规划数据并在地图上显示。如图3所示，地面监控站包括：

遥测数据的实时接收和显示模块，其接收GPS定位模块、惯性测量单元、激光扫描雷达和超声波传感器测量的数据信息并显示；

遥测图像的实时处理与显示模块，其接收***机采集的图像信息并显示；

遥控指令的实时处理与显示模块，其接收飞行控制模块的控制指令并显示；

地图显示与航迹规划功能模块，其接收四旋翼飞行器所处的位置信息并在地图进行显示，同时，对路径规划模块计算出的路线在地图上进行显示；

遥测数据的实时存储功能模块，其对接收到的数据信息进行存储；

遥测指令的实时存储功能模块，其对接收到的控制指令进行存储；

数据回放功能模块，其用于回放接收到的数据信息、图像信息、控制指令；

操控设备模块，其用于操作自动驾驶仪，控制四旋翼飞行器的飞行姿态；

供电模块，其用于为遥测数据的实时接收和显示模块、遥测图像的实时处理与显示模块、遥控指令的实时处理与显示模块、地图显示与航迹规划功能模块、遥测数据的实时存储功能模块、遥测指令的实时存储功能模块、数据回放功能模块和操控设备模块提供电源。

实施例2，一种自主导航的无人机***的导航方法，包括以下步骤：

步骤1，在飞行器平台上安装GPS定位模块、惯性测量单元、***机、超声波传感器和激光扫描雷达；

步骤2，将自动驾驶仪与GPS定位模块、惯性测量单元、***机、超声波传感器和激光扫描雷达通过无线网络通信连接；

将地面监控站与自动驾驶仪通过无线网络进行通信连接；

步骤3，在地面监控站上设置无人机飞行的任务，包括飞行的航路点和飞行动作姿态；

步骤4，四旋翼飞行器根据任务开始飞行，GPS定位模块接收卫星信号，确定四旋翼飞行器当前所在的经纬位置，为导航提供基本数据；

***机采集四旋翼飞行器前方的图像信息；激光扫描雷达测量四旋翼飞行器周围的环境信息；超声波传感器辅助激光扫描雷达进行障碍物的探测，补偿激光扫描雷达的误差，获取障碍物的分布情况；惯性测量单元测量四旋翼飞行器的姿态信息；

同时，GPS定位模块的定位信息，惯性测量单元、激光扫描雷达和超声波传感器测量的数据信息，以及***机采集的图像信息在上传至地面监控站并显示在屏幕上；

步骤5，自动驾驶仪中的定位导航模块对采集到的图像进行处理，并结合激光扫描雷达和超声波传感器探测到的环境信息，对四旋翼飞行器周围环境进行三维重建；

同时，对获取到的飞行姿态信息和GPS定位模块的定位信息进行融合和更新，获取四旋翼飞行器的当前位置及速度；

步骤6，自动驾驶仪中的路径规划模块根据四旋翼飞行器的环境信息及四旋翼飞行器所在位置，计算出四旋翼飞行器到目标位置的全局路线；

当有障碍物时，自动驾驶仪中的路径规划模块根据障碍物的分布情况，计算出四旋翼飞行器到目标位置的最优路线；

同时，四旋翼飞行器所处的位置信息以及路径规划模块计算出的路线在上传至地面监控站并在屏幕的地图上显示；

步骤7，自动驾驶仪中的决策模块根据路径规划模块输出的最优路线，计算出四旋翼飞行器到目标位置所需飞行的距离、航向，并将控制指令下发至自动驾驶仪中的飞行控制模块；

同时，飞行控制模块的控制指令上传至地面监控站并显示在屏幕上；

步骤8，操作人员通过观察地面测控站屏幕中四旋翼飞行器回传的视频图像，操作自动驾驶仪，使四旋翼飞行器沿事先规划好的路线进行自动飞行，中途如遇到障碍物，则根据障碍物的大小，进行局部路径规划，根据局部路径规划的最优路线绕过障碍物，再自动飞往目标点；

或者，

操作人员通过观察地面测控站屏幕中四旋翼飞行器回传的视频图像，通过遥控器根据规划的路线做出相应的控制动作，同时避开障碍物，实时更改飞行器的飞行姿态和飞行高度，飞往目标点；

或者，

操作人员通过肉眼实时观察四旋翼飞行器的状态，同时观察四旋翼飞行器周围的环境，并通过遥控器做出相应的控制动作，同时避开障碍物，更改飞行器的飞行姿态和飞行高度，飞往目标点。

本发明在室内和室外均可实现导航，主要区别在定位和导航方式不同，具体包括：

当GPS信号稳定时，GPS定位模块接收卫星信号，确定四旋翼飞行器当前所在的经纬位置，并将定位信息上传至自动驾驶仪的定位导航模块中，定位导航模块同步并实时输出定位信息至路径规划模块，进行路径规划；

当GPS信号不稳定或暂时丢失时，惯性测量单元测量到的姿态信息，包括角速度信号、加速度信号、温度信号、地磁信号、气压信号和高度信号，上传至自动驾驶仪的定位导航模块中，定位导航模块采用卡尔曼滤波算法对这些信号进行处理，定位导航模块将处理后的姿态信息实时输出定位信息至路径规划模块，进行路径规划；

当GPS信号消失且惯性测量单元失效时，激光扫描雷达测量到的环境信息上传至自动驾驶仪的定位导航模块中，定位导航模块同步并实时输出定位信息至路径规划模块，进行路径规划；

当GPS信号消失、惯性测量单元失效且激光扫描雷达无信号时，超声波传感器辅助进行障碍物的探测，获取障碍物的分布情况，并将这些信息上传至自动驾驶仪的定位导航模块中，定位导航模块同步并实时输出定位信息至路径规划模块，进行路径规划。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种自主导航的无人机***，其特征在于，包括：

飞行器平台，其为四旋翼飞行器，所述四旋翼飞行器上设有GPS定位模块，所述GPS定位模块接收卫星信号，确定所述四旋翼飞行器当前所在的经纬位置，为导航提供基本数据；

传感器子***，其包括安装在所述四旋翼飞行器内部的惯性测量单元、安装在所述四旋翼飞行器底部的***机、安装在所述四旋翼飞行器底部的超声波传感器和安装在所述四旋翼飞行器顶部的激光扫描雷达；所述***机采集所述四旋翼飞行器前方的图像信息；所述激光扫描雷达测量所述四旋翼飞行器周围的环境信息；所述超声波传感器辅助所述激光扫描雷达进行障碍物的探测，补偿所述激光扫描雷达的误差；所述惯性测量单元测量所述四旋翼飞行器的姿态信息；

自动驾驶仪，其与所述GPS定位模块和所述传感器子***通过无线网络通信，接收所述传感器子***的数据并进行处理，对所述四旋翼飞行器的飞行姿态进行控制；所述自动驾驶仪由壳体和设置在所述壳体内部的飞行控制器组成，所述飞行控制器包括环境感知模块、定位导航模块、路径规划模块和决策控制模块，所述传感器子***与所述环境感知模块连接，所述环境感知模块与所述定位导航模块连接，所述定位导航模块与所述路径规划模块连接，所述路径规划模块与所述决策控制模块连接，所述决策控制模块与所述四旋翼飞行器连接；

遥控器，其与所述四旋翼飞行器通过无线网络通信连接，用于对所述四旋翼飞行器进行操作控制；

地面监控站，其与所述自动驾驶仪通过无线网络进行通信，接收所述传感器子***的数据并进行存储与显示，接收所述飞行控制器的路径规划数据并在地图上显示。

2.根据权利要求1所述的自主导航的无人机***，其特征在于，所述四旋翼飞行器翼为四轴飞行器，旋翼对称安装在四个轴上，同一对角线上的旋翼为一组，在四根轴的旋翼上对称安装四个小型无刷直流电机，驱动四个旋翼高速旋转。

3.根据权利要求1所述的自主导航的无人机***，其特征在于，所述惯性测量单元由三轴陀螺、三轴加速度计、温度传感器、三轴磁力计和气压计组成；

所述三轴陀螺输出所述四旋翼飞行器三轴的角速度信号；

所述三轴加速度计输出所述四旋翼飞行器三轴的加速度信号；

所述温度传感器输出所述四旋翼飞行器所在位置的温度信号；

所述三轴磁力计用于输出所述四旋翼飞行器所在位置的地磁信号；

所述气压计用于输出所述四旋翼飞行器所在位置的气压信号和高度信号。

4.根据权利要求1所述的自主导航的无人机***，其特征在于，

所述环境感知模块包括：

视觉感知模块，其与所述***机连接，采集所述四旋翼飞行器前方的图像信息；

障碍检测模块，其与所述激光扫描雷达和所述超声波传感器连接，测量所述四旋翼飞行器周围的环境信息和障碍物信息，获取障碍物的分布情况；

多传感器信息融合模块，其与所述惯性测量单元连接，获取所述四旋翼飞行器的飞行姿态信息；

所述定位导航模块包括：

特征提取模块，其对采集到的图像信息进行SIFT特征点匹配及Harris角点匹配；

运动估计模块，其采用图像序列运动估计算法实现所述四旋翼飞行器周围环境的三维重建；

数据融合模块，其对所述多传感器信息融合模块获取的飞行姿态信息、所述GPS定位模块的定位信息和所述障碍检测模块检测到的环境信息进行融合和更新，获取所述四旋翼飞行器的当前位置及速度；

所述路径规划模块包括：

全局路径规划模块，其根据所述四旋翼飞行器的环境信息及所述四旋翼飞行器所在位置，计算出所述四旋翼飞行器到目标位置的全局路线；

局部路径规划模块，其根据所述障碍物的分布情况，计算出所述四旋翼飞行器到目标位置的最优路线；

所述决策控制模块包括：

决策模块，其根据所述路径规划模块输出的最优路线，计算出所述四旋翼飞行器到目标位置所需飞行的距离、航向，并将控制指令下发至飞行控制模块；

飞行控制模块，其根据所述飞行控制模块的控制指令，控制所述四旋翼飞行器的自主飞行。

5.根据权利要求4所述的自主导航的无人机***，其特征在于，所述决策模块中，通过控制所述四旋翼飞行器旋翼的转速，即控制无刷直流电机的转速实现悬停、前飞、侧飞、上升、下降。

6.根据权利要求5所述的自主导航的无人机***，其特征在于，

控制所述四旋翼飞行器悬停时，保持四个旋翼的转速相等，以相互抵消反扭力矩；

控制所述四旋翼飞行器上升或下降时，等量地增大或减小旋翼的转速，即等量地增大或减小无刷直流电机的转速；

控制所述四旋翼飞行器俯仰或横滚转动时，增大某一侧旋翼转速的同时，等量地减小对角线上另一侧旋翼的转速，即增大某一侧无刷直流电机转速的同时，等量地减小对角线上另一侧无刷直流电机的转速；

控制所述四旋翼飞行器偏航运动时，增大某一对角线上两个旋翼转速的同时，等量减小另一对角线上两个旋翼的转速，即增大某一对角线上两个无刷直流电机转速的同时，等量减小另一对角线上两个无刷直流电机的转速。

7.根据权利要求1所述的自主导航的无人机***，其特征在于，所述地面监控站包括：

遥测数据的实时接收和显示模块，其接收所述GPS定位模块、所述惯性测量单元、所述激光扫描雷达和所述超声波传感器测量的数据信息并显示；

遥测图像的实时处理与显示模块，其接收所述***机采集的图像信息并显示；

遥控指令的实时处理与显示模块，其接收所述飞行控制模块的控制指令并显示；

地图显示与航迹规划功能模块，其接收所述四旋翼飞行器所处的位置信息并在地图进行显示，同时，对所述路径规划模块计算出的路线在地图上进行显示；

遥测数据的实时存储功能模块，其对接收到的数据信息进行存储；

遥测指令的实时存储功能模块，其对接收到的控制指令进行存储；

数据回放功能模块，其用于回放接收到的数据信息、图像信息、控制指令；

操控设备模块，其用于操作所述自动驾驶仪，控制所述四旋翼飞行器的飞行姿态；

供电模块，其用于为所述遥测数据的实时接收和显示模块、所述遥测图像的实时处理与显示模块、所述遥控指令的实时处理与显示模块、所述地图显示与航迹规划功能模块、所述遥测数据的实时存储功能模块、所述遥测指令的实时存储功能模块、所述数据回放功能模块和所述操控设备模块提供电源。

8.根据权利要求1所述的无人机***，其特征在于，所述四旋翼飞行器的操作模式有三种：

遥控模式：操作人员通过肉眼实时观察所述四旋翼飞行器的状态，同时观察所述四旋翼飞行器周围的环境，并通过遥控器做出相应的控制动作，更改所述四旋翼飞行器的飞行姿态和飞行高度；

增稳控制模式：操作人员通过观察地面测控站中所述四旋翼飞行器回传的视频图像，通过遥控器做出相应的控制动作，同时避开障碍物，实时更改所述四旋翼飞行器的飞行姿态和飞行高度；

全自动模式：操作人员通过观察地面测控站中所述四旋翼飞行器回传的视频图像，操作所述自动驾驶仪，使所述四旋翼飞行器沿事先规划好的路线进行自动飞行，中途如遇到障碍物，则根据障碍物的大小，进行局部路径规划，绕过障碍物，再自动飞往目标点。

9.一种利用如权利要求1-8中任意一项所述的无人机***的导航方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，在飞行器平台上安装GPS定位模块、惯性测量单元、***机、超声波传感器和激光扫描雷达；

步骤2，将自动驾驶仪与GPS定位模块、惯性测量单元、***机、超声波传感器和激光扫描雷达通过无线网络通信连接；

将地面监控站与所述自动驾驶仪通过无线网络进行通信连接；

步骤3，在地面监控站上设置无人机飞行的任务，包括飞行的航路点和飞行动作姿态；

步骤4，所述四旋翼飞行器根据任务开始飞行，所述GPS定位模块接收卫星信号，确定所述四旋翼飞行器当前所在的经纬位置，为导航提供基本数据；

所述***机采集所述四旋翼飞行器前方的图像信息；所述激光扫描雷达测量所述四旋翼飞行器周围的环境信息；所述超声波传感器辅助所述激光扫描雷达进行障碍物的探测，补偿所述激光扫描雷达的误差，获取障碍物的分布情况；所述惯性测量单元测量所述四旋翼飞行器的姿态信息；

同时，所述GPS定位模块的定位信息，所述惯性测量单元、所述激光扫描雷达和所述超声波传感器测量的数据信息，以及所述***机采集的图像信息在上传至地面监控站并显示在屏幕上；

步骤5，自动驾驶仪中的定位导航模块对采集到的图像进行处理，并结合所述激光扫描雷达和所述超声波传感器探测到的环境信息，对所述四旋翼飞行器周围环境进行三维重建；

同时，对获取到的飞行姿态信息和所述GPS定位模块的定位信息进行融合和更新，获取所述四旋翼飞行器的当前位置及速度；

步骤6，自动驾驶仪中的路径规划模块根据所述四旋翼飞行器的环境信息及所述四旋翼飞行器所在位置，计算出所述四旋翼飞行器到目标位置的全局路线；

当有障碍物时，自动驾驶仪中的路径规划模块根据所述障碍物的分布情况，计算出所述四旋翼飞行器到目标位置的最优路线；

同时，所述四旋翼飞行器所处的位置信息以及所述路径规划模块计算出的路线在上传至所述地面监控站并在屏幕的地图上显示；

步骤7，自动驾驶仪中的决策模块根据所述路径规划模块输出的最优路线，计算出所述四旋翼飞行器到目标位置所需飞行的距离、航向，并将控制指令下发至自动驾驶仪中的飞行控制模块；

同时，所述飞行控制模块的控制指令上传至地面监控站并显示在屏幕上；

步骤8，操作人员通过观察地面测控站屏幕中所述四旋翼飞行器回传的视频图像，操作所述自动驾驶仪，使所述四旋翼飞行器沿事先规划好的路线进行自动飞行，中途如遇到障碍物，则根据障碍物的大小，进行局部路径规划，根据局部路径规划的最优路线绕过障碍物，再自动飞往目标点；

或者，

操作人员通过观察地面测控站屏幕中所述四旋翼飞行器回传的视频图像，通过遥控器根据规划的路线做出相应的控制动作，同时避开障碍物，实时更改飞行器的飞行姿态和飞行高度，飞往目标点；

或者，

操作人员通过肉眼实时观察所述四旋翼飞行器的状态，同时观察所述四旋翼飞行器周围的环境，并通过遥控器做出相应的控制动作，同时避开障碍物，更改飞行器的飞行姿态和飞行高度，飞往目标点。

10.根据权利要求9所述的导航方法，其特征在于，

当GPS信号稳定时，所述GPS定位模块接收卫星信号，确定所述四旋翼飞行器当前所在的经纬位置，并将定位信息上传至自动驾驶仪的定位导航模块中，定位导航模块同步并实时输出定位信息至路径规划模块，进行路径规划；

当GPS信号不稳定或暂时丢失时，所述惯性测量单元测量到的姿态信息，包括角速度信号、加速度信号、温度信号、地磁信号、气压信号和高度信号，上传至自动驾驶仪的定位导航模块中，定位导航模块采用卡尔曼滤波算法对这些信号进行处理，定位导航模块将处理后的姿态信息实时输出定位信息至路径规划模块，进行路径规划；

当GPS信号消失且惯性测量单元失效时，所述激光扫描雷达测量到的环境信息上传至自动驾驶仪的定位导航模块中，定位导航模块同步并实时输出定位信息至路径规划模块，进行路径规划；

当GPS信号消失、惯性测量单元失效且激光扫描雷达无信号时，所述超声波传感器辅助进行障碍物的探测，获取障碍物的分布情况，并将这些信息上传至自动驾驶仪的定位导航模块中，定位导航模块同步并实时输出定位信息至路径规划模块，进行路径规划。