一种基于激光扫描地图构建系统的四轴飞行器及其方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于激光扫描地图构建系统的四轴飞行器及其方法。该四轴飞行器包括机架、处理器模块、传感器模块；其中，机架包括螺旋桨、无刷电机、支撑脚、机臂轴和载板，处理器模块包括飞控中心和树莓派，飞控中心与树莓派通过串口通信构成自动避障系统，传感器模块包括超声波传感器以及激光扫描仪；树莓派与超声波传感器电连接构成超声测距系统，通过超声波传感器获得障碍物的相对距离；树莓派与激光扫描仪通过USB线电连接组成地图构建系统，通过激光扫描仪采集飞行器周围的环境信息。本发明专利技术具有根据室内环境自主规划路径、自主避障与自主导航飞行能力，能够获取不同高度上的二维地图，具有作业能力强、智能化程度高、效率高等优点。

A four axis aircraft based on laser scanning map building system and its method

The invention discloses a four axis aircraft based on a laser scanning map building system and a method thereof. The four-axis aircraft consists of a frame, a processor module and a sensor module. The frame includes a propeller, a brushless motor, a supporting foot, an arm shaft and a carrier board. The processor module includes a flight control center and a raspberry pie. The flight control center and a raspberry pie communicate through a serial port to form an automatic obstacle avoidance system. The sensor module includes an ultrasonic wave. Sensors and laser scanners; raspberry pie and ultrasonic sensors connected to form an ultrasonic ranging system, through the ultrasonic sensor to obtain the relative distance of obstacles; raspberry pie and laser scanner through USB wire connected to form a map building system, through the laser scanner to collect environmental information around the aircraft. The invention has the ability of autonomous path planning according to indoor environment, autonomous obstacle avoidance and autonomous navigation flight, can obtain two-dimensional maps at different altitudes, and has the advantages of strong operation ability, high intelligence and high efficiency.

【技术实现步骤摘要】
一种基于激光扫描地图构建系统的四轴飞行器及其方法
本专利技术属于无人机
更具体地，涉及一种基于激光扫描地图构建系统的四轴飞行器及其方法。
技术介绍
四轴飞行器电子系统可由传感器及飞行控制两个子系统组成；传感器系统需要对无人机状态进行精确测量或估计，其将无人机位置、速度、姿态角、角速度等飞行状态传递给飞行控制子系统，并由其实现良好的飞行控制；传感器系统可细分为姿态传感器及位置传感器两类；常用姿态传感器由三轴加速度计、三轴陀螺仪、磁力计等MEMS元件组成，其在室内外均可使用；位置传感器则多采用GPS、北斗等卫星定位导航系统，然而该种传感器难以在GPS信号微弱的楼群间及室内环境中实现精确定位；国际上为解决无GPS环境下精确定位问题，常用方法可分为基于VICON等运动捕获系统定位，基于机载摄像头定位及基于机载激光雷达定位三种；利用激光雷达作为机载位置传感器，相较于其他方法，具有定位精度高、对环境依赖程度较弱、利于向室外扩展等优势，是国际控制领域研究的热点问题。室内地图构建装置主要有固定平台和移动机器人两种，基于固定平台的室内地图构建装置可以对距离相对固定的物体进行重构，由于其不可以移动，导致分辨率单一；移动机器人与激光扫描仪等测距模块配合使用虽然也可应用于室内环境的地图构建，但是有些室内的地面环境情况复杂，例如室内环境污染、火灾或有军事威胁等，存在着轮式机器人或履带机器人的移动不便的情况，从而导致了工作效率低甚至是无法工作。而且，一般的轮式机器人因不能爬楼梯，只能在某一楼层范围内进行探索，移动范围受到了限制；具有爬楼梯能力的履带机器人体型较大，在某些转角会出现转弯不便的情况，移动速度或范围都受到了限制，无法实现复杂环境的侦察和构图，从而影响了其应用价值与使用范围。另外，在轮式机器人或履带机器人的平台上，大多数激光扫描仪被固定在某一高度，使得创建的地图被局限于某一水平面上，导致环境信息的获取量被限制了。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是克服上述现有技术的不足，提供一种基于激光扫描地图构建系统的四轴飞行器。本专利技术另一目的是提供使用所述基于激光扫描地图构建系统的四轴飞行器构建室内地图的方法。本专利技术上述目的通过以下技术方案实现：一种基于激光扫描地图构建系统的四轴飞行器，包括机架、处理器模块、传感器模块；其中，所述机架包括螺旋桨、无刷电机、支撑脚、机臂轴和载板，所述机架从下向上分别设置有三层载板，第一层和第二层载板之间设置有呈十字形交叉的四个机臂轴，形成机架主体；每个机臂轴的端部固定安装有螺旋桨和用于驱动螺旋桨转动的无刷电机，各螺旋桨和无刷电机匹配使用；所述无刷电机下方设置有支撑脚；所述处理器模块包括设置在第二层载板上的飞控中心和树莓派，所述飞控中心与树莓派通过串口通信构成自动避障系统；所述传感器模块包括设置在第一层载板上的超声波传感器以及设置在第三层载板中央的激光扫描仪；所述树莓派与超声波传感器电连接构成超声测距系统；所述树莓派与激光扫描仪通过USB线电连接组成地图构建系统，通过激光扫描仪采集飞行器周围的环境信息；所述飞控中心会执行来自树莓派与地面站的控制指令，实现整个飞行器的空中飞行、悬停、定位和姿态控制。本专利技术利用四轴飞行器作为移动平台，并设置有飞控中心，树莓派与超声波传感器组成测距系统，通过超声波传感器获得障碍物的相对距离，由树莓派分析飞行器与障碍物的相对距离，结合飞行器的运动状态，以规避飞行中与障碍物碰撞；树莓派与激光扫描仪组成地图构建系统，通过激光扫描仪采集飞行器周围的环境信息；树莓派与飞控中心通过串口通信构成自动避障系统，树莓派根据障碍物的距离信息向飞控中心传送飞行控制指令，基于树莓派的ROS系统与粒子滤波技术对激光扫描数据处理并且采用栅格模型构建地图。本专利技术有针对性的将超声波传感器测距技术、激光雷达扫描技术与四轴飞行器进行结合，发挥各自优势，同时突破未知内地面环境复杂使普通地面机器人无法进入的难题，具有根据室内环境自主规划路径与自主导航飞行能力，自主避免与室内墙壁或障碍物碰撞，同时提高室内地图构建的分辨率，具有作业能力强、智能化程度高、效率高等优点。优选地，所述超声波传感器设置在第一层载板上的前、后、左、右、下五个正方向。位于飞行器五个正方向的超声波传感器实时检测飞行器与前方、侧面、地面或下方物体的相对距离，一方面用于与下方物体或地面保持安全距离，另一方面用于在安全距离的范围内，用户可调节飞行器在不同高度的悬停以进行扫描构建地图。优选地，所述支撑脚由不同形状的固定板组成；不同形状的固定板之间相互卡紧。更优选地，所述固定板包括水平设置并且与机臂轴线平行的第一固定板、竖直设置的第二固定板、水平设置并且与机臂轴线垂直的第三固定板；第一固定板用于固定无刷电机，同时与机臂轴固定连接；第二固定板卡紧第一固定板；第三固定板卡紧第二固定板。本专利技术所述固定板为亚克力切割板。优选地，第一层和第二层载板之间设有用于固定机臂轴的轴夹，所述机臂轴通过螺栓和轴夹固定连接。优选地，第二层载板与第三层载板之间的距离为40～60mm。更优选地，第二层载板与第三层载板之间的距离为50mm。优选地，第一层载板、第二层载板与第三层载板之间相互平行。优选地，第一层载板与第二层载板之间通过螺栓和轴夹连接。优选地，第二层载板与第三层载板之间通过螺钉和铜柱连接。优选地，所述飞控中心为PIX4飞控中心。优选地，所述飞控中心的处理器为STM32处理器。优选地，所述机架的尺寸为420mm×420mm（包括螺旋桨的旋转范围）。优选地，所述超声波传感器的Trig引脚与树莓派主板的GPIO2（Pin3）连接，Echo引脚先连接一个1k电阻再进一步连接树莓派主板的GPIO3（Pin5），在连接1k电阻与GPIO3之间的线路引出一个带2k电阻的电路接到GND，1k和2k电阻组成了一个分压电路，使GPIO3脚的电压降到了3.3v左右。优选地，所述树莓派主板的TXD0（Pin8）、RXD0（Pin10）引脚分别与飞控中心的STM32芯片的USART1_RX（PA10）与USART1_TX（PA9）引脚电连接。优选地，所述树莓派配置有ROS操作系统。本专利技术同时设置有测距系统、地图构建系统和自动避障系统，本专利技术还提供了使用所述的基于激光扫描地图构建系统的四轴飞行器进行构建室内地图的方法。优选地，所述四轴飞行器在树莓派中实现粒子滤波算法，利用所得到的信息完成自身位置估计，同时基于此信息，创建所处环境的栅格地图，实现即时定位与地图构建。具体优选地，所述即时定位与地图构建的运行方法，包括以下步骤：S11.在树莓派8的ROSGMapping包中，获取激光扫描数据传入openslamGMapping包中，为新一时刻的建图做准备；S12.根据t-1时刻的粒子位姿数据，预测t时刻的粒子位姿，在初始值的基础上增加高斯采样的噪声估计；S13.采用30个采样粒子，对每个粒子执行扫描匹配算法，找到每个粒子在t时刻位姿的最佳坐标，即每个粒子将会产生一个与之相对应的预测粒子，为后面每个粒子权重更新做准备；S14.通过粒子滤波算法对预测粒子进行评价，越接近于真实状态的粒子，其权重越大，反之，与真实值相差较大的粒子，其权重越小；S15.根据粒子权重对粒子进行筛选，筛选过程中，大量保留本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于激光扫描地图构建系统的四轴飞行器，其特征在于，包括机架、处理器模块、传感器模块；其中，所述机架包括螺旋桨（1）、无刷电机（2）、支撑脚（3）、机臂轴（4）和载板（6），所述机架从下向上分别设置有三层载板（6），第一层载板和第二层载板之间设置有呈十字形交叉的四个机臂轴（4），形成机架主体；每个机臂轴（4）的端部固定安装有螺旋桨（1）和用于驱动螺旋桨（1）转动的无刷电机（2），无刷电机（2）下方设置有支撑脚（3）；所述处理器模块包括设置在第二层载板上的飞控中心（7）和树莓派（8），所述飞控中心（7）与树莓派（8）通过串口通信构成自动避障系统；所述传感器模块包括设置在第一层载板上的超声波传感器（9）以及设置在第三层载板中央的激光扫描仪（10）；所述树莓派（8）配置有ROS操作系统；所述树莓派（8）与超声波传感器（9）电连接构成超声测距系统；所述树莓派（8）与激光扫描仪（10）通过USB线电连接组成地图构建系统。

【技术特征摘要】
1.一种基于激光扫描地图构建系统的四轴飞行器，其特征在于，包括机架、处理器模块、传感器模块；其中，所述机架包括螺旋桨（1）、无刷电机（2）、支撑脚（3）、机臂轴（4）和载板（6），所述机架从下向上分别设置有三层载板（6），第一层载板和第二层载板之间设置有呈十字形交叉的四个机臂轴（4），形成机架主体；每个机臂轴（4）的端部固定安装有螺旋桨（1）和用于驱动螺旋桨（1）转动的无刷电机（2），无刷电机（2）下方设置有支撑脚（3）；所述处理器模块包括设置在第二层载板上的飞控中心（7）和树莓派（8），所述飞控中心（7）与树莓派（8）通过串口通信构成自动避障系统；所述传感器模块包括设置在第一层载板上的超声波传感器（9）以及设置在第三层载板中央的激光扫描仪（10）；所述树莓派（8）配置有ROS操作系统；所述树莓派（8）与超声波传感器（9）电连接构成超声测距系统；所述树莓派（8）与激光扫描仪（10）通过USB线电连接组成地图构建系统。2.根据权利要求1所述基于激光扫描地图构建系统的四轴飞行器，其特征在于，所述超声波传感器（9）设置在第一层载板上的前、后、左、右、下五个正方向。3.根据权利要求1所述基于激光扫描地图构建系统的四轴飞行器，其特征在于，所述支撑脚（3）由不同形状的固定板组成；不同形状的固定板之间相互卡紧。4.根据权利要求3所述基于激光扫描地图构建系统的四轴飞行器，...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭建文，刘延星，劳振鹏，孙振忠，叶国良，黄市生，许昌，伍圳，黄杰良，
申请(专利权)人：东莞理工学院，东莞市横沥模具科技产业发展有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44