适用于烟囱内部作业的飞行平台定位装置和定位方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种适用于烟囱内部作业的飞行平台定位装置和定位方法。飞行平台定位装置由空中从烟囱顶端竖直进入烟囱内部，通过二维环形激光雷达和四路超声波传感器获取二维空间信息；通过机载电子罗盘获取绝对角度信息，融合解算得到二维平面坐标点；通过一体式云台相机的摄像头结合烟囱已知总高度获取第一高度信息，通过气压计获取第二高度信息，通过辅助定位处理器对两个高度信息进行融合获得绝对高度，进而获得空间位置。本发明专利技术中的方法简便易行，使飞行平台定位装置满足烟囱内部作业时的定位问题，具有较高的实用价值。

【技术实现步骤摘要】
适用于烟囱内部作业的飞行平台定位装置和定位方法
本专利技术涉及无人机定位领域，特别是涉及到一种适用于烟囱内部作业的飞行平台定位装置和定位方法。
技术介绍
多旋翼无人飞行器又称多轴飞行器，是一种结构简单、能够垂直起降的、多旋翼式无人飞行器，凭借其可靠的稳定性，多旋翼无人机经常被用于航拍，桥梁检测，定点巡航等场景。以多旋翼无人飞行器为平台搭载用于烟囱内壁腐蚀图像采集设备可以有效的代替传统的人工检测方法，有利于提高检测效率，降低人员风险，减少检测成本。定位系统在机器人，无人飞行器等移动平台中起着重要的作用。路径规划，环境检测，实时控制等操作和动作都依赖于定位系统可靠高效的定位结果。准确和稳定的定位系统和定位方法是机器人和无人飞行器等实现其功能的基础和根本。目前无人飞行器的定位方式主要采用GPS卫星定位。火力发电厂烟囱内部本封闭空间的特性影响GPS定位系统和气压计的稳定性和准确性。无人机飞行器的控制系统的运算能力难以支持视觉为主的定位方式。
技术实现思路
为了解决
技术介绍
中存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种适用于烟囱内部作业的飞行平台定位装置和定位方法，可以基于先验的应用环境，通过算法准确有效的解算出无人飞行平台定位装置在烟囱内部作业时的位置。本专利技术的技术方案包括：一、一种适用于烟囱内部作业的飞行平台定位装置：包括半封闭空间内部作业无人机、辅助定位装置、基于旋翼无人机的中继器和地面监控站；半封闭空间内部作业无人机上安装有辅助定位装置，半封闭空间内部作业无人机经中继器与地面监控站连接。所述半封闭空间内部作业无人机包括多轴飞行器支架和安装多轴飞行器支架上的飞行控制器、飞行执行机构、电源系统、下承载板、一体式云台相机、加速度计、陀螺仪、电子罗盘、气压计、数传模块和图传模块；一体式云台相机上装载摄像头，飞行执行机构布置在多轴飞行器支架周围各角处，多轴飞行器支架上安装有加速度计、陀螺仪、电子罗盘、气压计和飞行控制器，飞行执行机构、加速度计、陀螺仪、电子罗盘和气压计均连接到飞行控制器；多轴飞行器支架中设有下承载板，下承载板底面安装有一体式云台相机，下承载板上安装有数传模块、图传模块和电源系统，数传模块、图传模块、一体式云台相机和电源系统均与飞行控制器连接。所述的中继器包括数传中继器和图传中继器，数传模块、图传模块分别经数传中继器和图传中继器与地面监控站无线通信连接。所述辅助定位装置包括辅助定位装置支架以及安装在辅助定位装置支架上的辅助定位处理器、存储模块、电源管理模块、二维环形激光雷达和四路超声波传感器；辅助定位装置支架固定安装在多轴飞行器支架上，四路超声波传感器布置在辅助定位装置支架周围侧面；二维环形激光雷达布置在辅助定位装置支架顶面，辅助定位装置支架中安装有辅助定位处理器、存储模块和电源管理模块，辅助定位处理器和飞行控制器通讯连接，辅助定位处理器分别与存储模块、电源管理模块、二维环形激光雷达和四路超声波传感器连接。二维环形激光雷达和四路超声波传感器均用于采集获得角度信息及其对应的距离信息。所述的辅助定位装置中的辅助定位处理器和飞行控制器之间通过can总线以PnP方式通讯连接。所述的四路超声波传感器分别布置在辅助定位装置支架周围侧面的四边边缘处并且传感器探头水平向外布置。所述的飞行执行机构主要由电机和螺旋桨构成。二、一种适用于烟囱内部作业的飞行定位方法：1)所述飞行平台定位装置由空中从烟囱顶端竖直进入烟囱内部，通过二维环形激光雷达和四路超声波传感器获取飞行平台定位装置在水平面所处位置的二维空间信息；2)通过机载电子罗盘获取飞行平台定位装置机头正前方向的绝对角度信息，通过辅助定位处理器对所获取的二维空间信息和绝对角度信息进行融合解算得到飞行平台定位装置在烟囱为坐标系下的二维平面坐标点(x',y')；3)通过一体式云台相机的摄像头结合烟囱已知总高度获取飞行平台定位装置在烟囱内部距离烟囱底部的第一高度信息，通过气压计获取飞行平台定位装置相对地面的第二高度信息，通过辅助定位处理器对两个高度信息进行融合，获得飞行平台定位装置在烟囱内部作业时距离地面的绝对高度h；4)组合步骤2)获得的二维平面坐标点和步骤3)获得的绝对高度获得飞行平台定位装置以烟囱为坐标系下的空间位置(x',y'，h)。所述步骤1)中，通过二维环形激光雷达所获取飞行平台定位装置在水平面所处位置的二维空间信息，具体为：1.1)通过二维环形激光雷达得到各个采样点的采样信息，采样信息包括角度信息θi和距离信息di，i为二维环形激光雷达采样一周时的采样点序数；1.2)二维环形激光雷达采样一周得到的采样信息构成一个采样点集，对采样点集去除误差：1.2.1)通过二维环形激光雷达采样一周得到的采样点的角度信息θi和距离信息di，采用以下公式获取相邻采样点之间的采样差信息(Δθn，Δdn)：Δθn＝θi-θi-1，Δdn＝di-di-1，n＝(1,2,3...m)其中，Δθn为相邻采样点角度变化信息，Δdn为相邻角度变化信息Δθn所对应的距离变化信息，m表示采样差总数，n表示采样差的序数；1.2.2)将采样点集以平均分布的每五个点为一组的采样差信息建立拟合点集，从而将采样点集的采样差信息分为多个拟合点集，第k个拟合点集Φk表示为：Φk＝{(Δθk,Δdk)}(k＝n,n+s,n+2s,n+3s,n+4s),(n＝1，2，3，...s),(s＝1/5m)将每个拟合点集Φk二次函数多项式f(x)＝ax2+bx+c拟合并通过最小二乘法解算每个拟合点集Φk的的参数解(ak,bk,ck)，(ak,bk,ck)表示第k个拟合点集Φk通过二次函数多项式拟合后的第一、第二、第三参数解，将各个拟合点集的参数解构成多项式参数解集：U＝{(ak,bk,ck)|k＝1,2,3...s}1.2.3)针对每个参数解(ak,bk,ck)采用以下公式的筛选条件进行判断：其中，δ1、δ2、δ3分别表示第一、第二、第三参数解的偏差阈值；若参数解(ak,bk,ck)中的任一参数解不满足上述参数解(ak,bk,ck)筛选条件，则将该参数解(ak,bk,ck)的拟合点集Φk对应的采样点从采样点集中剔除，得到去除误差的采样点集；1.3)通过扩展卡尔曼滤波算法对去除误差的采样点集处理去除噪声干扰，得到的二维环形激光雷达采样一周得到的雷达初始采样信息集Ψ1＝{(θ'i,d'i)}。所述步骤1)中，通过四路超声波传感器所获取飞行平台定位装置在水平面所处位置的二维空间信息，具体为：以飞行平台定位装置的无人机机头正前方向为0°，作为参考方向，通过测量得到四路超声波传感器的四个超声波传感器分别在飞行平台定位装置上相对于参考方向的安装角度α，超声波传感器通过卡尔曼滤波后获取距离初始距离信息l，四路超声波传感器分别得到超声波初始采样信息集Ψ2＝{(αu,lu)|u＝1,2,3,4}。所述步骤3)具体为：3.1)固定机载摄像头朝向为水平，飞行平台定位装置根据摄像头在从烟囱顶端下降飞行过程中采集到的图像序列解算出飞行平台定位装置在烟囱内部由烟囱顶端向烟囱底端飞行的距离c，结合烟囱已知总高度H获取飞行平台定位装置在烟囱内部距离烟囱底部的第一高度信息h1＝H-c；3.2)通过气压计经过卡尔曼滤波滤波后获得第二高度信息h2；3.3)通过以下本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种适用于烟囱内部作业的飞行平台定位装置，其特征在于：包括半封闭空间内部作业无人机(S1)、辅助定位装置(S2)、基于旋翼无人机的中继器(S3)和地面监控站(S4)；半封闭空间内部作业无人机(S1)上安装有辅助定位装置(S2)，半封闭空间内部作业无人机(S1)经中继器(S3)与地面监控站(S4)连接。

【技术特征摘要】
1.一种适用于烟囱内部作业的飞行平台定位装置，其特征在于：包括半封闭空间内部作业无人机(S1)、辅助定位装置(S2)、基于旋翼无人机的中继器(S3)和地面监控站(S4)；半封闭空间内部作业无人机(S1)上安装有辅助定位装置(S2)，半封闭空间内部作业无人机(S1)经中继器(S3)与地面监控站(S4)连接。2.根据权利要求1所述的一种适用于烟囱内部作业的飞行平台定位装置，其特征在于：所述半封闭空间内部作业无人机(S1)包括多轴飞行器支架(13)和安装多轴飞行器支架(13)上的飞行控制器(18)、飞行执行机构(17)、电源系统(10)、下承载板(11)、一体式云台相机(12)、加速度计(5)、陀螺仪(6)、电子罗盘(7)、气压计(14)、数传模块(8)和图传模块(9)；一体式云台相机(12)上装载摄像头，飞行执行机构(17)布置在多轴飞行器支架(13)周围各角处，多轴飞行器支架(13)上安装有加速度计(5)、陀螺仪(6)、电子罗盘(7)、气压计(14)和飞行控制器(18)，飞行执行机构(17)、加速度计(5)、陀螺仪(6)、电子罗盘(7)和气压计(14)均连接到飞行控制器(18)；多轴飞行器支架(13)中设有下承载板(11)，下承载板(11)底面安装有一体式云台相机(12)，下承载板(11)上安装有数传模块(8)、图传模块(9)和电源系统(10)，数传模块(8)、图传模块(9)、一体式云台相机(12)和电源系统(10)均与飞行控制器(18)连接；所述的中继器(S3)包括数传中继器(15)和图传中继器(16)，数传模块(8)、图传模块(9)分别经数传中继器(15)和图传中继器(16)与地面监控站(S4)无线通信连接；所述辅助定位装置(S2)包括辅助定位装置支架(4)以及安装在辅助定位装置支架(4)上的辅助定位处理器(3)、存储模块(19)、电源管理模块(20)、二维环形激光雷达(1)和四路超声波传感器(2)；辅助定位装置支架(4)固定安装在多轴飞行器支架(13)上，四路超声波传感器(2)布置在辅助定位装置支架(4)周围侧面；二维环形激光雷达(1)布置在辅助定位装置支架(4)顶面，辅助定位装置支架(4)中安装有辅助定位处理器(3)、存储模块(19)和电源管理模块(20)，辅助定位处理器(3)和飞行控制器(18)通讯连接，辅助定位处理器(3)分别与存储模块(19)、电源管理模块(20)、二维环形激光雷达(1)和四路超声波传感器(2)连接。3.根据权利要求1所述的一种适用于烟囱内部作业的飞行平台定位装置，其特征在于：所述的辅助定位装置(S2)中的辅助定位处理器(3)和飞行控制器(18)之间通过can总线以PnP方式通讯连接。4.根据权利要求1所述的一种适用于烟囱内部作业的飞行平台定位装置，其特征在于：所述的四路超声波传感器(2)分别布置在辅助定位装置支架(4)周围侧面的四边边缘处并且传感器探头水平向外布置。5.根据权利要求1所述的一种适用于烟囱内部作业的飞行平台定位装置，其特征在于：所述的飞行执行机构(17)主要由电机和螺旋桨构成。6.应用于权利要求2-5任一所述飞行平台定位装置的一种适用于烟囱内部作业的飞行定位方法，其特征在于所述方法包括：1)所述飞行平台定位装置由空中从烟囱顶端竖直进入烟囱内部，通过二维环形激光雷达(1)和四路超声波传感器(3)获取飞行平台定位装置在水平面所处位置的二维空间信息；2)通过机载电子罗盘(7)获取飞行平台定位装置机头正前方向的绝对角度信息，通过辅助定位处理器(2)对所获取的二维空间信息和绝对角度信息进行融合解算得到飞行平台定位装置在烟囱为坐标系下的二维平面坐标点(x',y')；3)通过一体式云台相机(12)的摄像头结合烟囱已知总高度获取飞行平台定位装置在烟囱内部距离烟囱底部的第一高度信息，通过气压计(14)获取飞行平台定位装置相对地面的第二高度信息，通过辅助定位处理器(2)对两个高度信息进行融合，获得飞行平台定位装置在烟囱内部作业时距离地面的绝对高度h；4)组合步骤2)获得的二维平面坐标点和步骤3)获得的绝对高度获得飞行平台定位装置以烟囱为坐标系下的空间位置(x',y'，h)。7.根据权利要求6所述的一种适用于烟囱内部作业的飞行定位方法，其特征在于：所述步骤1)中，通过二维环形激光雷达(1)所获取飞行平台定位装置在水平面所处位置的二维空间信息，具体为：1.1)通过二维环形激光雷达(...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑恩辉，陈嘉平，王翔宇，饶建民，汪新露，
申请(专利权)人：中国计量大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33