CN108445504A - 一种多旋翼无人机室内导航方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多旋翼无人机室内导航方法，包括在多旋翼无人机上设置二维激光雷达和装在有ROS***的处理器，二维激光雷达与串口通信模块连接，所述串口通信模块通过USB接口与处理器连接；通过二维激光雷达扫描出多旋翼无人机周围环境的轮廓数据，并通过串口通信模块将扫描得到的轮廓数据发送给处理器；所述处理器通过如下步骤建立代价地图，并在建立的代价地图之上进行室内导航。本发明多旋翼无人机室内导航方法能够根据多旋翼无人机周围实际情况选择最优飞行轨迹，自动躲避障碍物，实现多旋翼无人机在室内自主避障飞行。
Description
技术领域
本发明涉及无人机自主飞行技术领域，特别涉及一种无人机在无卫星信号环境中自主飞行的导航方法。
背景技术
无人机(UAV,unmannedairvehice)是一种由无线电遥控设备或由自身程序控制装置操纵的，执行特定任务的非载人飞行器。无人机由于相对于有人驾驶飞机而言具有体积小、重量轻、机动性好、适用性强、以及成本低和不必冒生命危险等特点，在民用和军用领域受到广泛关注。
在军事上，无人机主要用来侦察、监视、通信中继、电子对抗、战果评估、骚扰、诱惑、反潜、目标攻击等；在国民经济方面，无人机用于大地测量、气象观测、城市环境检测、地球资源勘探、森林防火和人工降雨等；在科学技术方面，用于大气取样，对核、生、化污染区的取样与检测等；另外,由于无人机与空间飞行器都属于无人驾驶范畴，在某些方面具有相似之处,所以空间飞行器新型元器件、子***、有效载荷的飞行试验也可以用无人机来进行先行验证。
具有自主飞行能力的小型多旋翼无人机，广泛应用于电力巡线、救灾探测、勘探测绘、人员搜救、快递流物等行业，它在军用和民用领域都得到了广泛的关注。在整个无人机自主飞行***中，无人机航迹规划是无人机任务规划***的关键技术之一，也是无人机实现自主飞行和自主攻击的基础。无人机航迹规划方法的主要目的是在给定的规划区域内寻找一条最优的或者满意的飞行航迹，因此首先要得出周围环境的全局地图，然后再在全局地图的基础上使用ROS导航功能包集实现全局导航。
无人机在飞行过程中的自主控制技术，国外已有许多研究机构从体系结构、航迹的自主快速规划等不同的方面对其进行了深入的探索与研究。无人机的控制方式发展至今，主要形成了遥控、程序控制/指令控制、半自主控制和自主控制等四种控制方式。现阶段无人机自主飞行技术的大体状况是现有的技术手段只能在相对确定的环境中实现自主或半自主控制，快速变化的不确定环境下的完全意义上的无人机智能自主控制，就目前的技术条件来说还不成熟。从根本上说，完全意义上的无人机自主控制需要具备不确定前提下实时处理突发状况的自主决策能力。目前的能实现自主飞行的无人机依赖卫星信号给出位置信息，根据位置信息再使用已有地图规划路径。然而在室内，隧道等有遮蔽物的环境中无人机无法接收到GPS信号，无人机在飞行过程中无法得到自身与周围环境实际状态；给定的地图无法实时更新，无人机周围出现突发状况无人机无法做出及时反应。这些问题的存在使得无人机在室内自主避障飞行很难实现。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种多旋翼无人机室内导航方法，通过导航***在室内得到多旋翼无人机周围环境数据，生成地图，实时更新地图，并根据周围环境规划出路径，在没有GPS信号的情况下实现无人机自主避障飞行，解决无人机在室内自主飞行的技术问题。
本发明多旋翼无人机室内导航方法，包括在多旋翼无人机上设置二维激光雷达和装在有ROS***的处理器，所述二维激光雷达与串口通信模块连接，所述串口通信模块通过USB接口与处理器连接；
通过二维激光雷达扫描出多旋翼无人机周围环境的轮廓数据，并通过串口通信模块将扫描得到的轮廓数据发送给处理器，所述多旋翼无人机和处理器之间通过USB接口连接；
所述处理器通过如下步骤建立代价地图，并在建立的代价地图之上进行室内导航：
S1:通过ROS***的tf库创建各坐标系间的坐标变换，所述坐标系包括以多旋翼无人机的移动平台中心为原点的base_link参考系、以二维激光雷达的中心为原点的base_laser参考系、以及代价地图的参考坐标系；
S2:ROS***在收到维二维激光雷达传来的多旋翼无人机周围环境的轮廓数据后，以sensor_msgs/LaserScan格式将轮廓数据在***中发布出去；
S3：发布里程数据信息
多旋翼无人机的里程计将包含速度信息和位姿信息的里程信息发送给处理器，处理器将里程信息向ROS***发布；
所述速度信息包含两个部分，一部分是多旋翼机无人机的线速度，另一部分是多旋翼机无人机的角速度；所述线速度明确了多旋翼无人机是向前还是向后移动，角速度明确了多旋翼无人机是向左转还是向右转；
所述位姿信息包含两个部分，一部分显示多旋翼无人机在欧拉坐标系中的位置，另一部分使用四元数显示多旋翼无人机的方向，即多旋翼无人机的角位移；
S4：创建地图
ROS***通过Slam_mapping节点订阅ROS***发布的多旋翼无人机周围环境的轮廓数据、以及里程计提供的多旋翼无人机的里程信息，并且Slam_mapping以此构建覆盖无人机周围环境的网格地图；Slam_mapping还使用ROS***中的自适应蒙特卡罗定位算法对多旋翼无人机定位，跟踪多旋翼无人机的位置，当多旋翼无人机移动时，Slam_mapping实时更新地图状态；
S5：在建立代价地图的基础上，利用ROS***导航功能包集全局导航，在代价地图上建立多旋翼无人机到最终目标的路径；在多旋翼无人机飞行过程中，当二维激光雷达监测到路径上障碍物的激光信号投影时，Slam_mapping将障碍物信息引入代价地图中；所述处理器将多旋翼无人机的几何参数告知ROS***导航功能包集，ROS***导航功能包集的局部导航在多旋翼无人机运动过程中更新可移动的自由空间数据，建立局部代价地图，并建立临时躲避障碍物的路径。
进一步，所述二维激光雷达为思岚RPLIDAR二维激光雷达。
进一步，所述串口通信模块所使用的芯片为CP2102芯片。
本发明的有益效果：
本发明多旋翼无人机室内导航方法，其通过使用串口读取二维激光雷达扫描周围环境的数据，并用这些数据生成代价地图，在生成代价地图的基础上利用ROS导航功能包实现全局导航，能够根据多旋翼无人机周围实际情况选择最优飞行轨迹，自动躲避障碍物，实现多旋翼无人机在室内自主避障飞行。
附图说明
图1是导航***框架图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
本实施例中多旋翼无人机室内导航方法，包括在多旋翼无人机上设置二维激光雷达和装在有ROS***的处理器，所述二维激光雷达与串口通信模块连接，所述串口通信模块通过USB接口与处理器连接；本实施例中所采用的二维激光雷达为思岚RPLIDAR二维激光雷达，串口通信模块所使用的芯片为CP2102芯片。
通过二维激光雷达扫描出多旋翼无人机周围环境的轮廓数据，并通过串口通信模块将扫描得到的轮廓数据发送给处理器。
所述处理器通过如下步骤建立代价地图，并在建立的代价地图之上进行室内导航：
S1:通过ROS***的tf库创建各坐标系间的坐标变换，所述坐标系包括以多旋翼无人机的移动平台中心为原点的base_link参考系、以二维激光雷达的中心为原点的base_laser参考系、以及代价地图的参考坐标系，通过建立坐标变换，使得只要知道一个点在某一坐标系下的坐标，就能获得这个点在其它坐标系中的坐标。
S2:ROS***在收到维二维激光雷达传来的多旋翼无人机周围环境的轮廓数据后，以sensor_msgs/LaserScan格式将轮廓数据在***中发布出去。
S3：发布里程数据信息
多旋翼无人机的里程计将包含速度信息和位姿信息的里程信息发送给处理器，处理器将里程信息向ROS***发布。
所述速度信息包含两个部分，一部分是多旋翼机无人机的线速度，另一部分是多旋翼机无人机的角速度；所述线速度明确了多旋翼无人机是向前还是向后移动，角速度明确了多旋翼无人机是向左转还是向右转。
所述位姿信息包含两个部分，一部分显示多旋翼无人机在欧拉坐标系中的位置，另一部分使用四元数显示多旋翼无人机的方向，即多旋翼无人机的角位移。
S4：创建地图
ROS***通过Slam_mapping节点订阅ROS***发布的多旋翼无人机周围环境的轮廓数据、以及里程计提供的多旋翼无人机的里程信息，并且Slam_mapping以此构建覆盖无人机周围环境的网格地图；Slam_mapping还使用ROS***中的自适应蒙特卡罗定位算法对多旋翼无人机定位，跟踪多旋翼无人机的位置，当多旋翼无人机移动时，Slam_mapping实时更新地图状态。
S5：在建立代价地图的基础上，利用ROS***导航功能包集全局导航，在代价地图上建立多旋翼无人机到最终目标的路径；在多旋翼无人机飞行过程中，当二维激光雷达监测到路径上障碍物的激光信号投影时，Slam_mapping将障碍物信息引入代价地图中；所述处理器将多旋翼无人机的几何参数告知ROS***导航功能包集，ROS***导航功能包集的局部导航在多旋翼无人机运动过程中更新可移动的自由空间数据，建立局部代价地图，并建立临时躲避障碍物的路径。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，但若未脱离本发明技术方案的宗旨和范围，便应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (3)
1.一种多旋翼无人机室内导航方法，其特征在于：包括在多旋翼无人机上设置二维激光雷达和装在有ROS***的处理器，所述二维激光雷达与串口通信模块连接，所述串口通信模块通过USB接口与处理器连接；
通过二维激光雷达扫描出多旋翼无人机周围环境的轮廓数据，并通过串口通信模块将扫描得到的轮廓轮廓数据发送给处理器；
所述处理器通过如下步骤建立代价地图，并在建立的代价地图之上进行室内导航：
S1:通过ROS***的tf库创建各坐标系间的坐标变换，所述坐标系包括以多旋翼无人机的移动平台中心为原点的base_link参考系、以二维激光雷达的中心为原点的base_laser参考系、以及代价地图的参考坐标系；
S2:ROS***在收到维二维激光雷达传来的多旋翼无人机周围环境的轮廓数据后，以sensor_msgs/LaserScan格式将轮廓数据在***中发布出去；
S3：发布里程数据信息
多旋翼无人机的里程计将包含速度信息和位姿信息的里程信息发送给处理器，处理器将里程信息向ROS***发布；
所述速度信息包含两个部分，一部分是多旋翼机无人机的线速度，另一部分是多旋翼机无人机的角速度；所述线速度明确了多旋翼无人机是向前还是向后移动，角速度明确了多旋翼无人机是向左转还是向右转；
所述位姿信息包含两个部分，一部分显示多旋翼无人机在欧拉坐标系中的位置，另一部分使用四元数显示多旋翼无人机的方向，即多旋翼无人机的角位移；
S4：创建地图
ROS***通过Slam_mapping节点订阅ROS***发布的多旋翼无人机周围环境的轮廓数据、以及里程计提供的多旋翼无人机的里程信息，并且Slam_mapping以此构建覆盖无人机周围环境的网格地图；Slam_mapping还使用ROS***中的自适应蒙特卡罗定位算法对多旋翼无人机定位，跟踪多旋翼无人机的位置，当多旋翼无人机移动时，Slam_mapping实时更新地图状态；
S5：在建立代价地图的基础上，利用ROS***导航功能包集全局导航，在代价地图上建立多旋翼无人机到最终目标的路径；在多旋翼无人机飞行过程中，当二维激光雷达监测到路径上障碍物的激光信号投影时，Slam_mapping将障碍物信息引入代价地图中；所述处理器将多旋翼无人机的几何参数告知ROS***导航功能包集，ROS***导航功能包集的局部导航在多旋翼无人机运动过程中更新可移动的自由空间数据，建立局部代价地图，并建立临时躲避障碍物的路径。
2.如权利要求1所述的多旋翼无人机室内导航方法，其特征在于，所述二维激光雷达为思岚RPLIDAR二维激光雷达。
3.如权利要求1所述的多旋翼无人机室内导航方法，其特征在于，所述串口通信模块所使用的芯片为CP2102芯片。
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