CN108919825A - 具备避障功能的无人机室内定位***及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具备避障功能的无人机室内定位***及方法，属于无人机定位技术领域。本发明通过激光雷达***实时采集室内3D点云图像，并检测3D点云图像的平面及平面与无人机所在位置的距离以获取无人机当前位置与障碍物的距离；通过UWB***实时获取无人机上的UWB标签到定位基站的距离、解算并修正无人机上的UWB标签的坐标，并计算无人机的目标位置与其当前位置的水平平移量；通过中央控制模块用于接收激光雷达***和UWB***的信号，并发出控制指令以控制无人机的精准飞行。

Description

具备避障功能的无人机室内定位***及方法
技术领域
本发明涉及具备避障功能的无人机室内定位***及方法，属于无人机定位技术领域。
背景技术
由于科学水平的进步，无人机所涉及的领域越来越广，无论是在军事还是民用领域，都具有十分广阔的应用前景。无人机研究的第一步就是对其进行定位与导航。为解决室内定位的问题，各科研机构以及创业型公司等在室内定位方面开展了大量研究，旨在找到一套有效的室内定位解决方案。目前国内外研究的无人机定位主要包括：
第一种：基于GPS或北斗等的卫星定位***。但其应用在室外定位，因室内无法稳定接收到卫星信号，故不适用于室内定位。
第二种：基于WIFI的定位。其便利性强，但由于信号在传播中会收到折射、反射、非视距因素、信号死角及2.4GHz等高频段干扰，定位误差较大。
第三种：基于蓝牙的定位。其基于三角定位法，定位精准，但蓝牙模块本身为低功耗芯片，定位信号功率有效，易受干扰，不适合在大室内环境中使用。
第四种：UWB超宽带室内定位***。其采用超宽带脉冲信号，通过预设的传感器对信号标签进行追踪分析，多径分辨能力强，精度高，但该类定位***需要在室内布置用于定位的传感器，成本高，定位范围有限，可移植性差。
第五种：激光Lidar技术，由于采用激光扫描的办法，定位精度高，可靠性高，但是价格昂贵，64线3D扫描的激光雷达普遍在60万人民币左右，为前述四种方案的几十倍甚至上百倍价格，且设备本身质量重、体积大，需要较大的无人机才能搭载，不适合室内飞行。
综上所述，现有的室内定位技术在定位精度、成本、稳定性、可移植等方面还无法兼顾，造成室内定位技术发展缓慢。
近些年，随着无人机技术的快速发展，无人机的应用领域也得到极大拓展。目前，无人机定点定位飞行控制方面主要依赖传统的GPS或第三方定位传感器。基于前文对室内定位技术现状的分析可知，无人机在室内等实时定位飞行控制要求较高的地方仍然受到很大技术局限性，其面临的主要技术问题包括以下几个方面：
1、缺乏可用于准确判断位置信息的可依赖特征。
2、缺乏可用于准确估计位置信息和追踪位置变化的方法。
3、缺乏室内障碍物信息的实时获取。
发明内容
本发明提出了一种具备避障功能的无人机室内定位***及方法，在无人机上同时安装有激光雷达***和UWB定位***，通过激光雷达判断与障碍物的高度距离，通过UWB定位***计算出无人机的目标位置与当前位置的水平平移量，从而实现无人机的准确位置信息，实现精准飞行，并实现了避障功能。
本发明是采用以下的技术方案实现的：一种具备避障功能的无人机室内定位***，包括：
激光雷达***：实时采集室内3D点云图像，并检测3D点云图像的平面及平面与无人机所在位置的距离以获取无人机当前位置与障碍物的距离；
UWB***包括定位基站、安装在无人机上的UWB标签、UWB解算器和滤波器，用于实时获取无人机上的UWB标签到定位基站的距离、解算并修正无人机上的UWB标签的坐标，并计算无人机的目标位置与其当前位置的水平平移量；
中央控制模块：分别与激光雷达***和UWB***连接，用于接收激光雷达***和UWB***的信号，并发出控制指令以控制无人机的飞行；
飞行控制驱动器：与中央控制模块连接，用于接收中央控制模块的控制指令并发出驱动信号驱动无人机飞行；
伺服电机：与飞行控制驱动器连接，安装于无人机上接收飞行控制驱动器的驱动信号并运转；
地面站PC机：通过无线通信模块与中央控制模块连接并进行数据传输，以对无人机的实时监控。
作为优选地，激光雷达***包括依次连接的激光雷达、点云生成器和参数计算模块，参数计算模块与中央控制模块连接。
作为优选地，激光雷达水平安装于无人机背部，在无人机平飞时，其扫描面与地平面平行。
作为优选地，定位基站安装在室内四周墙壁上或室内地上。
作为优选地，定位基站的数量为四个，分别安装在室内四周墙壁上。
作为优选地，滤波器采用卡尔曼滤波器。
本发明还提供了一种具备避障功能的无人机室内定位方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一：利用安装在无人机上的激光雷达按设定采集频率实时采集室内3D点云图像，并检测3D点云图像的平面及平面与无人机所在位置的距离，以获取无人机当前位置与障碍物的距离；
步骤二：实时获取无人机上UWB标签到室内各个定位基站的距离值；
步骤三：对从UWB标签获取的距离值根据实际测量结果拟合出的修正函数进行修正；
步骤四：根据步骤三中修正的距离使用三角解算法解算出无人机上UWB标签的坐标；
步骤五：使用滤波器过滤步骤四的坐标结果得到修正的坐标位置；
步骤六：根据步骤五的修正后的坐标位置计算出无人机的目标位置与当前位置的水平平移量，控制无人机向目标位置按照设定的速度移动，如果步骤A中探测到的障碍物距离小于预设值，则无人机同时自动升高高度。
步骤七：当平移向量小于预设阈值时，停止控制无人机向所述定位基准平面的重心飞行，定位导航结束。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明所述的具备避障功能的无人机室内定位***，通过单线激光发射的激光雷达采集室内环境，通过点云生成器生成3D点云图像，通过参数计算模块获取无人机当前位置与障碍物的距离，实现无人机高度调节；通过UWB***获取无人机的目标位置与当前位置的水平平移量，以实现无人机水平调节以躲避障碍物，该定位***从水平和高度两个方向实现高精度准确定位，同时降低了成本、减轻了无人机的重量并减小了其体积，更经济实惠。
(2)本发明所述的具备避障功能的无人机室内定位***及方法，通过安装在无人机上的激光雷达实时采集室内3D点云图像并检测其中的障碍物进行避障飞行，并利用UWB***室内定位的解算结果，经过卡尔曼滤波器滤波融合，稳定性更高，可准确判断出无人机的位置信息，实现对无人机的精确飞行控制。
附图说明
图1是定位***的原理框图。
图2是激光雷达和UWB标签的结构示意图。
图3是配准参考平面和定位基准平面常用选取示意图。
图4是UWB***的结构示意图。
图5是三边测量定位算法和滤波器的原理图。
图中：1、激光雷达；2、点云生成器；3、参数计算模块；4、定位基站；5、UWB标签；6、UWB解算器；7、滤波器；8、中央控制模块；9、飞行控制驱动器；10、伺服电机；11、地面站PC机；12、无人机。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚、明白，下面结合附图和具体实例，对本发明提出的具备避障功能的无人机室内定位***及方法进行进一步说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1：
本发明所述的具备避障功能的无人机室内定位***，如图1所示，包括激光雷达1***、UWB***、中央控制模块8、飞行控制驱动器9、伺服电机10和地面站PC机11；激光雷达1***、UWB***分别与中央控制模块8连接，中央控制模块8、飞行控制驱动器9和伺服电机10依次连接，地面站PC机11通过无线通信模块与中央控制模块8连接并进行数据传输，以对无人机12的实时监控；中央控制模块8用于接收激光雷达1***和UWB***的信号，并发出控制指令给飞行控制驱动器9，飞行控制驱动器9发出驱动信号给伺服电机10驱动无人机飞行。
激光雷达1***包括依次连接的激光雷达1、点云生成器2和参数计算模块3，参数计算模块3与中央控制模块8连接；激光雷达1水平安装于无人机背部，如图2所示，在无人机平飞时，其扫描面与地平面平行，采用单线激光发射的激光雷达1进行360度平面的扫描，激光雷达1实时采集扫描室内环境并通过点云生成器2生成3D点云图像，通过参数计算模块3实时计算各帧3D点云图像中的从各平面中预选出的预设数量的配准参考平面的法向量和重心；其中，将各配准参考平面中的一个设定为定位基准平面；一般将特征点较多的平面作为配准参考平面，如水平地面、墙面、桌面等；通常选取地平面作为定位基准平面，如图3所示，当无人机12从图3(a)飞行至图3(b)的状态时，图2中的M和G均可为配准参考平面，一般选取水平地面M作为定位基准平面；参数计算模块3实时计算3D点云图像的平面与无人机所在位置的距离，以获取无人机当前位置与障碍物的距离；
UWB***包括定位基站4、安装在无人机上的UWB标签5、UWB解算器6和滤波器7，用于实时获取无人机上的UWB标签5到定位基站4的距离、解算并修正无人机上的UWB标签5的坐标，并计算无人机的目标位置与其当前位置的水平平移量；如图4所示，定位基站4的数量为四个，其中一个作为备用，分别安装在室内四周墙壁上，UWB标签5安装在无人机上，保证天线不被遮挡即可，滤波器7采用卡尔曼滤波器7。
实施例2：
本发明还提供了一种具备避障功能的无人机室内定位方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一：利用安装在无人机上的激光雷达1按设定采集频率实时采集室内3D点云图像，并检测3D点云图像的平面及平面与无人机所在位置的距离，以获取无人机当前位置与障碍物的距离；
步骤二：实时获取无人机上UWB标签5到室内各个定位基站4的距离值；
步骤三：对从UWB标签5获取的距离值根据实际测量结果拟合出的修正函数进行修正；
使用一个UWB标签5，固定在某一开阔位置，将无人机精确移动到距离定位基站41m处，记录下此时无人机上UWB标签5输出的距离值Y1，再移动无人机到距离定位基站42m处，记下读数Y2，依次类推分别记下X1＝1m、X2＝2m…X100＝100m处的读数Y1，Y2…Y100。此时，使用线性拟合算法，将X和Y做线性拟合，得出拟合公式，比如某型号无人机的拟合公式如下：
X＝Y*0.9967+0.1456
其中，Y是UWB标签读取的距离值，X即是修正后的距离值，根据拟合公式便可对从UWB标签获取的距离值根据实际测量结果拟合出的修正函数进行修正；
步骤四：根据步骤三中修正的距离使用三角解算法解算出无人机上UWB标签的坐标；
三个已知点位置(x1,y1),(x2,y2),(x3,y3)，设未知点(x0,y0)到三个已知点距离d1,d2,d3，以d1,d2,d3为半径作三个圆，根据毕达哥拉斯定理，得出交点即未知点的位置计算公式：
(x1-x0)2+(y1-y0)2＝d1 2
(x2-x0)2+(y2-y0)2＝d2 2
(x3-x0)2+(y3-y0)2＝d3 2
在UWB定位***中，三个定位基站的坐标已知，待定位点即无人机的位置，已知无人机距离三个定位基站的距离，故根据上述三边测量定位算法，可结算出无人机的位置，即解算出无人机上UWB标签的坐标；
步骤五：使用卡尔曼滤波器7过滤步骤四的坐标结果得到修正的坐标位置；
无人机上的UWB标签5获取的测距数值存在误差，故对修正测距数据需经过一个卡尔曼滤波器7进行进一步的修正。此后，解算出坐标位置后，再对位置值进行滤波，进一步修正，共使用了5个功能相同的滤波器7，最终得出定位结果x,y，如图5所示，即得到修正后的UWB标签5的坐标位置；
步骤六：根据步骤五的修正后的坐标位置计算出无人机的目标位置与当前位置的水平平移量，控制无人机向目标位置按照设定的速度移动，如果步骤A中探测到的障碍物距离小于预设值，则无人机同时自动升高高度。
步骤七：当平移向量小于预设阈值时，停止控制无人机向所述定位基准平面的重心飞行，定位导航结束。

Claims (7)

1.一种具备避障功能的无人机室内定位***，其特征在于：包括：
激光雷达(1)***：实时采集室内3D点云图像，并检测3D点云图像的平面及平面与无人机所在位置的距离以获取无人机当前位置与障碍物的距离；
UWB***包括定位基站(4)、安装在无人机上的UWB标签(5)、UWB解算器(6)和滤波器(7)，用于实时获取无人机上的UWB标签(5)到定位基站(4)的距离、解算并修正无人机上的UWB标签(5)的坐标，并计算无人机的目标位置与其当前位置的水平平移量；
中央控制模块(8)：分别与激光雷达(1)***和UWB***连接，用于接收激光雷达(1)***和UWB***的信号，并发出控制指令以控制无人机的飞行；
飞行控制驱动器(9)：与中央控制模块(8)连接，用于接收中央控制模块(8)的控制指令并发出驱动信号驱动无人机飞行；
伺服电机(10)：与飞行控制驱动器(9)连接，安装于无人机上接收飞行控制驱动器(9)的驱动信号并运转；
地面站PC机(11)：通过无线通信模块与中央控制模块(8)连接并进行数据传输，以对无人机的实时监控。
2.根据权利要求1所述的具备避障功能的无人机室内定位***，其特征在于：激光雷达(1)***包括依次连接的激光雷达(1)、点云生成器(2)和参数计算模块(3)，参数计算模块(3)与中央控制模块(8)连接。
3.根据权利要求2所述的具备避障功能的无人机室内定位***，其特征在于：激光雷达(1)水平安装于无人机背部，在无人机平飞时，其扫描面与地平面平行。
4.根据权利要求1所述的具备避障功能的无人机室内定位***，其特征在于：定位基站(4)安装在室内四周墙壁上或室内地上。
5.根据权利要求1所述的具备避障功能的无人机室内定位***，其特征在于：定位基站(4)的数量为四个，分别安装在室内四周墙壁上。
6.根据权利要求1或5所述的具备避障功能的无人机室内定位***，其特征在于：滤波器(7)采用卡尔曼滤波器(7)。
7.一种具备避障功能的无人机室内定位方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一：利用安装在无人机上的激光雷达(1)按设定采集频率实时采集室内3D点云图像，并检测3D点云图像的平面及平面与无人机所在位置的距离，以获取无人机当前位置与障碍物的距离；
步骤二：实时获取无人机上UWB标签(5)到室内各个定位基站(4)的距离值；
步骤三：对从UWB标签(5)获取的距离值根据实际测量结果拟合出的修正函数进行修正；
步骤四：根据步骤三中修正的距离使用三角解算法解算出无人机上UWB标签(5)的坐标；
步骤五：使用滤波器(7)过滤步骤四的坐标结果得到修正的坐标位置；
步骤六：根据步骤五的修正后的坐标位置计算出无人机的目标位置与当前位置的水平平移量，控制无人机向目标位置按照设定的速度移动，如果步骤A中探测到的障碍物距离小于预设值，则无人机同时自动升高高度。
步骤七：当平移向量小于预设阈值时，停止控制无人机向所述定位基准平面的重心飞行，定位导航结束。
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