一种无人机的多机协同高精度建图定位系统技术方案

一种无人机的多机协同高精度建图定位系统，属于无人机集群控制策略规划的算法领域，具体涉及无人机多机协同建图定位系统。解决了现有的建图过程中，无法立体、快速的实现动态环境的建图的问题。本发明专利技术的通信系统包括通信基站，通过无线基站建立无线局域网，所述无线局域网覆盖目标区域；无人机环境感知系统采用点云扫描的方式获取目标区域点云数据、无人机高度数据和无人机定位数据；控制系统用于根据不同时刻多无人机的位置，对每架无人机的飞行速度、角度及位姿进行控制；无人机协同建图控制系统根据目标区域对无人机的飞行路线进行规划，建立坐标系，对多无人机扫描的点云数据进行融合获取目标区域的三维图像。本发明专利技术适用于未知区域建图使用。

【技术实现步骤摘要】
一种无人机的多机协同高精度建图定位系统
本专利技术属于无人机集群控制策略规划的算法领域，具体涉及无人机多机协同建图定位系统。
技术介绍
无人机(UnmannedAerialVehicle，UAV)作为一种新型技术，因其灵活机动、成本低、受地面地形约束小的特点，可以在多种场景中发挥重要作用，尤其在三维点云建图受环境影响较小。为了在复杂三维场景环境下快速实现高精度建图，多无人机的协同控制、高精度建图仍然是一个难点。对于无人机多机协同，在特定区域内的协同建图、任务分配及路径规划问题上总体协调还很难解决，从而无法快速的实现无人机资源的最优化分配。
技术实现思路
本专利技术是为了解决现有的建图定位过程(simultaneouslocalizationandmapping,SLAM)中，无法立体、快速的实现动态环境的建图的问题，提出了一种无人机的多机协同高精度建图定位系统。本专利技术所述的一种无人机的多机协同高精度建图定位系统，包括无人机环境感知系统、控制系统、无人机协同建图控制系统和通信系统；通信系统包括通信基站，通过无线基站建立无线局域网，所述无线局域网覆盖目标区域；无人机环境感知系统采用点云扫描的方式获取目标区域点云数据、无人机高度数据和无人机定位数据；控制系统用于根据不同时刻多无人机的位置，对每架无人机的飞行速度、角度及位姿进行控制；无人机协同建图控制系统用于根据目标区域对每架无人机的飞行路线进行规划，并建立坐标系，对多无人机扫描的点云数据进行融合获取目标区域的三维点云地图信息。进一步地，本专利技术中，无人机环境感知系统包括多个子单元，每个子单元设置在一架无人机上，每个子单元均包括点云激光雷达传感器模块、陀螺仪传感器、高度测量模块、高精度定位模块；点云激光雷达传感器模块用于对目标区域进行点云数据采集；陀螺仪传感器用于对无人机姿态进行采集；高度测量模块用于实时测量无人机的高度；高精度定位模块用于实时对无人机进行定位。进一步地，本专利技术中，控制系统包括无人机中央控制模块、无人机飞行控制模块和无线通信模块；无线通信模块利用无线网络与无人机协同建图控制系统进行无线通信；将测量无人机的高度数据、无人机定位状态和点云数据传输至无人机协同建图控制系统；还将多无人机的编队、避障和巡航控制信号发送至无人机飞行控制模块；无人机中央控制模块用于将采集的点云数据传输至无线通信模块；无人机飞行控制模块用于根据无人机的高度信息、定位信息、无人机的编队、避障和巡航控制信号对无人机进行导航，同时根据陀螺仪传感器采集信息对无人机的位姿进行调整；无人机飞行控制模块还用于根据无人机的位置和高度实时对无人机的飞行速度和飞行状态进行控制。进一步地，本专利技术中，无人机环境感知系统的每个子模块还包括风速传感器，所述风速传感器用于采集所处环境的风速及风向信息，并将风速及风向信息发送至无人机飞行控制模块，所述无人机飞行控制模块还用于根据风速风向信号调整无人机的航行速度和方向。进一步地，本专利技术中，无人机协同建图控制系统获取目标区域的三维点云地图信息的具体方法为：首先根据目标区域的范围，利用聚类分析结合A*算法对多无人机的飞行路线进行初始规划，获取初始编队、避障和巡航控制信号；然后实时接收点云数据、无人机的高度数据、无人机定位信息和无人机姿态，通过多源数据融合将多无人机的点云数据融合到同一坐标系，再采用二次签名距算法及迭代就近点法ICP算法对点云数据进行匹配，获得目标区域的三维重构图，再采用支持向量机、随机森林算法结合贝叶斯判别分类器对三维重构图进行三维点云语义分割，获得带标签的三维点云重构图，对目标区域进行带语义识别的三维立体重构，获得目标区域的三维点云地图信息。进一步地，本专利技术中，还包括云台和云台控制模块，所述云台安装在无人机的下侧，用于安装点云激光雷达传感器模块,所述云台控制模块利用无人机的姿态信息自适应调节点云激光雷达传感器模块的采样角度。进一步地，本专利技术中，还包括云端服务器，所述云端服务器用于实时接收多无人机发送的点云数据、无人机的高度数据、无人机定位信息和无人机姿态数据，建立坐标系，对多无人机扫描的点云数据进行融合获取目标区域的实时三维图像，并根据所述实时三维图像与目标区域，判断是否存在点云图像空缺部分，根据点云图像空缺部分的位置与无人机的实时定位信息，调整与空缺部分位置临近的无人机的航行路线，点云激光雷达对图像空缺部分位置进行点云扫描，并将目标区域的实时三维图像与无人机的航行路线控制信号发送至无人机协同建图控制系统。本专利技术利用聚类分析与A*算法结合的方式，解决多目标、多通信无人机情况下对无人机的最优分配。使每个无人机都能够完成规划的巡航路程，从而实现对目标区域的覆盖。可以实现未知环境下、大范围的场景的迅速建图及目标的三维重构。本专利技术具有规划时间短、建图精度高、定位准确、响应速度快和多机协同集群作业等优点，可以有效快速实现特定区域的覆盖，且可将点云数据通过局域网传输至PC端，实现大规模快速建图。附图说明图1是本专利技术所述的无人机的多机协同高精度建图定位系统原理框图；图2是本专利技术所述的无人机的多机协同高精度建图定位系统图像扫描示意图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本专利技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。具体实施方式一：下面结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述一种无人机的多机协同高精度建图定位系统，包括无人机环境感知系统1、控制系统2、无人机协同建图控制系统3和通信系统4；通信系统4包括通信基站，通过无线基站建立无线局域网，所述无线局域网覆盖目标区域；无人机环境感知系统1采用点云扫描的方式获取目标区域点云数据、无人机高度数据和无人机定位数据；控制系统2用于根据不同时刻多无人机的位置，对每架无人机的飞行速度、角度及位姿进行控制；无人机协同建图控制系统3用于根据目标区域对每架无人机的飞行路线进行规划，并建立坐标系，对多无人机扫描的点云数据进行融合获取目标区域的三维点云地图信息。进一步地，本实施方式中，无人机环境感知系统1包括多个子单元，每个子单元设置在一架无人机上，每个子单元均包括点云激光雷达传感器模1-1、陀螺仪传感器1-2、高度测量模块1-3、高精度定位模块1-4；点云激光雷达传感器模1-1用于对目标区域进行点云数据采集；陀螺仪传感器1-2用于对无人机姿态进行采集；高度测量模块1-3用于实时测量无人机的高度；高精度定位模块1-4用于实时对无人机进行定位。进一步地本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无人机的多机协同高精度建图定位系统，其特征在于，包括无人机环境感知系统(1)、控制系统(2)、无人机协同建图控制系统(3)和通信系统(4)；/n通信系统(4)包括通信基站，通过无线基站建立无线局域网，所述无线局域网覆盖目标区域；/n无人机环境感知系统(1)采用点云扫描的方式获取目标区域点云数据、无人机高度数据和无人机定位数据；/n控制系统(2)用于根据不同时刻多无人机的位置，对每架无人机的飞行速度、角度及位姿进行控制；/n无人机协同建图控制系统(3)用于根据目标区域对每架无人机的飞行路线进行规划，并建立坐标系，对多无人机扫描的点云数据进行融合获取目标区域的三维点云地图信息。/n

【技术特征摘要】
1.一种无人机的多机协同高精度建图定位系统，其特征在于，包括无人机环境感知系统(1)、控制系统(2)、无人机协同建图控制系统(3)和通信系统(4)；
通信系统(4)包括通信基站，通过无线基站建立无线局域网，所述无线局域网覆盖目标区域；
无人机环境感知系统(1)采用点云扫描的方式获取目标区域点云数据、无人机高度数据和无人机定位数据；
控制系统(2)用于根据不同时刻多无人机的位置，对每架无人机的飞行速度、角度及位姿进行控制；
无人机协同建图控制系统(3)用于根据目标区域对每架无人机的飞行路线进行规划，并建立坐标系，对多无人机扫描的点云数据进行融合获取目标区域的三维点云地图信息。


2.根据权利要求1所述的一种无人机的多机协同高精度建图定位系统，其特征在于，无人机环境感知系统(1)包括多个子单元，每个子单元设置在一架无人机上，每个子单元均包括点云激光雷达传感器模块(1-1)、陀螺仪传感器(1-2)、高度测量模块(1-3)、高精度定位模块(1-4)；
点云激光雷达传感器模块(1-1)用于对目标区域进行点云数据采集；
陀螺仪传感器(1-2)用于对无人机姿态进行采集；
高度测量模块(1-3)用于实时测量无人机的高度；
高精度定位模块(1-4)用于实时对无人机进行定位。


3.根据权利要求2所述的一种无人机的多机协同高精度建图定位系统，其特征在于，控制系统(2)包括无人机中央控制模块(2-1)、无人机飞行控制模块(2-2)和无线通信模块(2-3)；
无线通信模块(2-3)利用无线网络与无人机协同建图控制系统(3)进行无线通信；
将测量无人机的高度数据、无人机定位状态和点云数据传输至无人机协同建图控制系统(3)；
还将多无人机的编队、避障和巡航控制信号发送至无人机飞行控制模块(2-2)；
无人机中央控制模块(2-1)用于将采集的点云数据传输至无线通信模块(2-3)；
无人机飞行控制模块(2-2)用于根据无人机的高度信息、定位信息、无人机的编队、避障和巡航控制信号对无人机进行导航，同时根据陀螺仪传感器(1-2)采集信息对无人机的位姿进行调整；
还用于根据无人机的位置和高度实时对无人机的飞行速度和飞行状态...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙光辉，付金宇，李晓磊，刘越，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23