基于激光测距和自稳云台的无人机地形测绘装置及方法

摘要

本发明公开了基于激光测距和自稳云台的无人机地形测绘装置及方法，测绘装置包含多旋翼无人机、安装在多旋翼无人机的顶端的机载GPS模块、设在多旋翼无人机的下方的自稳云台、在自稳云台的底部且竖直朝下的激光测距模块；自稳云台包括调平盘、伺服电机、固定盘，固定盘水平安装在多旋翼无人机的机架底部，调平盘位于固定盘下方，调平盘上安装有倾角传感器，在自稳云台上还设置有用于读取倾角传感器数据的外接单片机控制模块；在固定盘上设有伺服电机，通过控制连杆机构确保调平盘处于水平工作状态，本发明利用自稳云台消除无人机测绘系统作业时机体倾角的动态变化对激光测距模块的测量精度造成的影响，使得地形测绘作业更加便捷、高效、精确。

说明书

技术领域

本发明涉及地形测绘技术领域，具体的说是基于激光测距和自稳云台的无人机地形测绘装置及方法。

背景技术

以多旋翼无人机为载体，安装激光测距装置与高精度的全球定位系统模块（GPS）进行地形测绘作业，可以方便、快捷、精准地获取地形数据。但是，多旋翼无人机的螺旋桨固定安装在浆盘平面内均匀分布的多个直流电机上，其高速旋转而产生的升力始终垂直于浆盘平面，故无人机的机体仅在竖直上升、竖直下降或定点悬停的过程中处于水平状态，而在其余阶段机体以倾斜姿态飞行。例如，当多旋翼无人机以一定的速度朝向某一方向飞行时，无人机的机体则以“前低后高”的倾斜姿态围绕一定的俯仰角度进行实时动态调整；当飞行速度或飞行方向改变时，无人机机体的倾斜角度大小及方向（俯仰角、横滚角与偏航角）相应地发生变化，反之亦然。另外，无人机测绘系统飞行时不可避免地受到气流、横风、机械振动、负载扰动等多种因素影响，加剧了无人机的倾角变化，进而使得安装在无人机上的激光测距模块产生倾角偏差，严重影响地形测绘精度，为了改善地形测绘精度，通常采用在无人机机体上安装姿态传感器，待测绘作业完成后获取无人机倾斜角度的方法来修正激光测距值，如图三所示，其中d为多旋翼无人机倾斜一定角度时的无人机与地面点之间的距离测量值，dcorr为采用无人机姿态器数据、利用三角函数修正后的无人机与正下方地面点之间的真实距离值。该方法在地势起伏平缓的区域一定程度上可以改善地形测绘精度，但是在地面起伏急剧变化、凹凸点块密集的区域使用三角函数对激光测距值进行修正，反而会导致更大的系统误差。因此，迫切需要一种装置和先进方法来消除因多旋翼无人机动态飞行倾角变化对地形测绘精度造成的影响。

发明内容

本发明为解决上述问题，提供了基于激光测距和自稳云台的无人机地形测绘装置及方法，利用自稳云台消除多旋翼无人机测绘系统作业时机体倾角的动态变化对激光测距模块的测量精度造成的影响，使得地形测绘作业更加便捷、高效、精确。

本发明通过以下技术方案来实现：

基于激光测距和自稳云台的无人机地形测绘装置，包含多旋翼无人机、机载GPS模块、自稳云台、激光测距模块，所述机载GPS模块固定安装在多旋翼无人机的顶端，所述自稳云台设置在多旋翼无人机的下方，所述激光测距模块固定在自稳云台的底部，且竖直朝下发射并接收测距激光信号；

所述自稳云台包括调平盘、伺服电机、固定盘，所述固定盘水平安装在多旋翼无人机的机架底部，所述调平盘位于固定盘下方，所述调平盘上安装有倾角传感器，在自稳云台上还设置有用于读取倾角传感器数据的外接单片机控制模块；

在固定盘上均匀设置有若干个伺服电机，在固定盘与调平盘之间设置有连杆机构，所述连杆机构包括铰接机构以及连杆，若干个伺服电机分别通过摇臂与连杆连接，所述连杆的另一端通过铰接机构与调平盘连接。

进一步的，所述激光测距模块竖直朝下固定在自稳云台的调平盘的底部。

进一步的，所述伺服电机的数量为3个，分别为电机A，电机B，电机C，且3个电机呈120°夹角中心对称分布在固定盘上。

基于激光测距和自稳云台的无人机地形测绘装置的测绘方法，主要包括以下步骤：

步骤一、在测绘区域20千米范围内的任意地点设置GPS基站，采用GPS设备获取GPS基站的地理坐标（经度、维度和海拔高度），并以此坐标为基准，对安装在多旋翼无人机顶部的机载GPS模块的定位数据进行实时动态修正或进行后处理修正，获取多旋翼无人机地形测绘系统的地理坐标序列

步骤二、设定多旋翼无人机飞行路线，使得地面测量点具有不低于2米×2米的空间分辨率；

步骤三、在地面水平位置对多旋翼无人机地形测绘系统的自稳云台进行水平校正，确保调平盘处于水平工作状态；

步骤四、多旋翼无人机按照预先规划的飞行路径进行地形测绘作业，在飞行过程中，无人机机体的自身倾角不断变化，通过多旋翼无人机地形测绘系统的自稳云台进行水平校正，使得调平盘保持水平状态，使得激光测距模块的激光发射器及接收器竖直指向地面，此时激光测距模块按照10Hz的频率获取多旋翼无人机地形测绘装置与其正下方地面点之间的距离序列

步骤五、从步骤一得到的多旋翼无人机地形测绘装置的地理坐标序列

其中，

步骤六、使用步骤五中得到的地面点的海拔高度

步骤七、根据地面点的经度值

步骤八、基于步骤七得到的地面点的投影空间坐标

进一步的，所述步骤一中GPS设备为包括但不限于高精度实时动态差分（RTK）GPS设备。

进一步的，所述步骤四中多旋翼无人机地形测绘系统的自稳云台进行水平校正的调平控制方法为：

步骤a、沿固定盘平面内任意径向设定X轴及其正方向，沿固定盘平面内与既定X轴正方向逆时针旋转90°为Y轴正方向，按照右手法则确定Z轴正方向，在飞行过程中，无人机机体的自身倾角不断变化，外接单片机控制模块实时获取安装在自稳云台调平盘上的倾角传感器的读数，即得到无人机机体倾斜时自稳云台的俯仰角变化量（绕Y轴旋转角度）

其中

步骤b、根据步骤a得到的自稳云台的调平运动学模型，外接单片机控制模块采用PID控制算法分别调节3个电机的输出轴旋转角度

进一步的，所述步骤b 中PID控制算法为：

其中：

进一步的，所述步骤八中空间插值算法包括但不局限于样条曲线空间插值算法、克里金空间插值算法、反距离权重空间插值算法、不规则三角网空间插值算法。

本发明的有益效果在于：

（1）与基于航空摄影测量的无人机地形测绘方式相比较，本发明基于激光测距的无人机地形测绘方式可直接获取作业区域的点云数据，不需要空中三角解算、测量地面控制点坐标等繁琐的作业流程，具有效率高、成本低的优势；

（2）与航拍无人机的嵌入式一体化三轴自稳云台相比较，本发明设计基于“伺服电机+摇臂连杆机构”的自稳云台具有承重能力强、拆卸方便、同时搭载多种传感器的优点；

（3）与传统的基于激光雷达或激光测距仪的、利用无人机的姿态信息、通过三角函数对测绘结果进行后期修正的方式相比较，本发明基于激光测距与自稳云台的无人机地形测绘方式能够消除多旋翼无人机在飞行过程中的倾角变化对地形测绘精度的影响，可显著提高地势急剧起伏区域的测绘精度。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明的自稳云台的结构示意图；

图3是现有技术的一种无人机地形测绘方法；

图4是本发明的多旋翼无人机地形测绘装置与其正下方地面点之间高度的示意图；

附图标记：1、多旋翼无人机，2、机载GPS模块，3、自稳云台，4、激光测距模块，5、倾角传感器，6、调平盘，7、铰接机构，8、连杆，9、摇臂，10、伺服电机，11、固定盘。

具体实施方式

下面根据附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

实施例1

如附图所示，基于激光测距和自稳云台的无人机地形测绘装置，包含多旋翼无人机1、机载GPS模块2、自稳云台3、激光测距模块4，所述机载GPS模块2固定安装在多旋翼无人机1的顶端，所述自稳云台3设置在多旋翼无人机1的下方；

所述自稳云台3包括调平盘6、伺服电机10、固定盘11，所述固定盘11水平安装在多旋翼无人机1的机架底部，所述调平盘6位于固定盘11下方，所述激光测距模块4竖直朝下固定在自稳云台3的调平盘6的底部，用于发射并接收测距激光信号；所述调平盘6上安装有倾角传感器5，在自稳云台3上还设置有用于读取倾角传感器数据的外接单片机控制模块；

在固定盘11上均匀设置有若干个伺服电机10，在固定盘11与调平盘6之间设置有连杆机构，所述连杆机构包括铰接机构7以及连杆8，若干个伺服电机10分别通过摇臂9与连杆8连接，所述连杆8的另一端通过铰接机构7与调平盘6连接，所述伺服电机10的数量为3个，分别为电机A，电机B，电机C，且3个电机呈120°夹角中心对称分布在固定盘11上。

基于激光测距和自稳云台的无人机地形测绘装置的测绘方法，主要包括以下步骤：

步骤一、在测绘区域20千米范围内的任意地点设置GPS基站，采用包括但不限于高精度实时动态差分（RTK）GPS设备获取GPS基站的地理坐标（经度、维度和海拔高度），并以此坐标为基准，对安装在多旋翼无人机顶部的机载GPS模块2的定位数据进行实时动态修正或进行后处理修正，获取多旋翼无人机地形测绘系统的地理坐标序列

步骤二、设定多旋翼无人机飞行路线，使得地面测量点具有不低于2米×2米的空间分辨率；

步骤三、在地面水平位置对多旋翼无人机地形测绘系统的自稳云台进行水平校正，确保调平盘6处于水平工作状态；

步骤四、多旋翼无人机按照预先规划的飞行路径进行地形测绘作业，在飞行过程中，无人机机体的自身倾角不断变化，通过多旋翼无人机地形测绘系统的自稳云台进行水平校正，使得调平盘不受多旋翼无人机机体倾斜的影响，始终保持水平状态，激光测距模块固定安装在自稳云台的调平盘上，使得激光测距模块4的激光发射器及接收器竖直指向地面，此时激光测距模块4按照10Hz的频率获取多旋翼无人机地形测绘装置与其正下方地面点之间的距离序列

进一步的，所述步骤四中多旋翼无人机地形测绘系统的自稳云台进行水平校正的调平控制方法为：

步骤a、沿固定盘11平面内任意径向设定X轴及其正方向，沿固定盘11平面内与既定X轴正方向逆时针旋转90°为Y轴正方向，按照右手法则确定Z轴正方向，在飞行过程中，无人机机体的自身倾角不断变化，外接单片机控制模块实时获取安装在自稳云台调平盘上的倾角传感器5的读数，即得到无人机机体倾斜时自稳云台的俯仰角变化量（绕Y轴旋转角度）

其中

步骤b、单片机控制模块基于调平盘的倾角传感器读数，根据步骤a得到的自稳云台的调平运动学模型，外接单片机控制模块采用PID控制算法分别调节3个电机的输出轴旋转角度

进一步的，所述步骤b 中PID控制算法为：

其中：

步骤五、从步骤一得到的多旋翼无人机地形测绘装置的地理坐标序列

其中，

步骤六、使用步骤五中得到的地面点的海拔高度

步骤七、根据地面点的经度值

步骤八、基于步骤七得到的地面点的投影空间坐标

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。