專利名稱：基于激光探測和圖像識別的無人直升機三維定位及測繪方法
技術領域：
本發(fā)明是用于無人直升機在復雜未知環(huán)境中進行定位和探測的方法，能夠高精 度地實現(xiàn)無人直升機在復雜未知環(huán)境中的三維同步定位及測繪。主要應用在航空航天、 無人機和機器人等技術領域。
背景技術：
在復雜未知環(huán)境中的三維同步定位及測繪是無人直升機重要的智能功能之一， 主要目的在未知環(huán)境中完成定位、探測和地圖繪制，并輔助無人直升機進行高度自主化 的飛行。傳統(tǒng)的三維同步定位及測繪飛行多在地形探測雷達的輔助下完成。由于地形 探測雷達重量大，小型無人直升機難以裝備。因此，無人直升機通常采用激光雷達。然 而，激光雷達只能獲得二維定位和測繪數(shù)據(jù)。如果需要進行三維定位和探測，則無人直 升機必須改變飛行高度，以完成不同高度下的定位和探測。對于無人直升機在未知環(huán)境 中的飛行，改變飛行高度可能會造成與障礙物的碰撞。此外，激光雷達價格昂貴、重量 較大，并非無人直升機的最佳選擇。由于普通的無人直升機通常都具有機載攝像機、高度傳感器和飛行控制計算 機。本發(fā)明在上述設備的基礎上，通過添加一個激光發(fā)射器，使激光發(fā)射器、機載攝像 機組成一個基于激光探測和圖像識別的測距傳感器。隨后，在高度傳感器和飛行控制計 算機的配合下，通過使機載攝像機和激光發(fā)射器在俯仰方向和偏航方向進行同步偏轉(zhuǎn)， 可以實時探測并得到無人直升機與周圍障礙物之間的距離和距地高度。根據(jù)探測距離、 探測角度和飛行高度，可以得到無人直升機距周圍環(huán)境的距離及探測角度的數(shù)據(jù)庫，從 而得到無人直升機周圍未知環(huán)境的三維數(shù)字地圖，進而實現(xiàn)三維同步定位及測繪。與傳 統(tǒng)的地形探測雷達(IOOKg級)相比，本發(fā)明的重量要輕得多(50g級)，可以被無人直升 機，尤其是小型無人直升機所攜帶；與激光雷達相比，本發(fā)明無需改變無人直升機的飛 行高度，只需改變激光發(fā)射器的俯仰角和偏航角即可實現(xiàn)三維同步定位和探測，這樣可 以大大增加無人直升機的飛行安全性。此外，本發(fā)明充分利用了無人直升機原有的機載 設備，只需增加一個激光發(fā)射器即可。因此，本發(fā)明具有結(jié)構簡單、造價低廉、改裝容 易的優(yōu)點，而且不添加復雜昂貴的硬件，以軟件升級為主，對無人直升機增重極少，并 可用于輔助無人直升機進行高度自主化的飛行。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種使無人直升機在復雜未知環(huán)境中實現(xiàn)高精度三維同 步定位及測繪的方法。本發(fā)明的特征在于，含有基于激光探測和圖像識別的測距傳感器、高度傳感 器和飛行控制計算機，其中，基于激光探測和圖像識別的測距傳感器由機載攝像機和激 光發(fā)射器組成，用于探測無人直升機與周圍障礙物之間的距離D，高度傳感器用于測量無人直升機的飛行高度H，其中通過改變激光發(fā)射器的俯仰角θ的航向角Ψ，激光發(fā)射器利用其發(fā)射的激光對 無人直升機的周圍環(huán)境進行掃描探測；當激光照射到周圍的障礙物時，會在其上產(chǎn)生激 光光點；機載攝像機拍攝到激光光點，并將視頻發(fā)送給飛行控制計算機；飛行控制計算 機根據(jù)該視頻中光點的位置，即可計算出無人直升機距周圍障礙物的距離D；飛行控制 計算機通過高度傳感器，可以獲知無人直升機距地面的飛行高度H;根據(jù)激光發(fā)射器在 各個俯仰角 、航向角Ψ和飛行高度H條件下測量得到的距障礙物距離D，可以得到無 人直升機周圍未知環(huán)境的三維數(shù)字地圖，從而實現(xiàn)三維同步定位及測繪；而無人直升機 機身對激光發(fā)射器所發(fā)射的激光造成的遮擋，可以通過無人直升機的偏航飛行來解決。本發(fā)明的優(yōu)點在于結(jié)構簡單、造價低廉、改裝容易的優(yōu)點，而且不添加復雜 昂貴的硬件，以軟件升級為主，對無人直升機增重極少，并可用于輔助無人直升機進行 高度自主化的飛行。與傳統(tǒng)的地形探測雷達(IOOKg級)相比，本發(fā)明的重量要輕得多 (50g級)，可以被無人直升機所攜帶；與激光雷達相比，本發(fā)明無需改變無人直升機的 飛行高度，只需改變激光發(fā)射器的俯仰角和偏航角即可實現(xiàn)三維同步定位和探測，這樣 可以大大增加無人直升機的飛行安全性。此外，本發(fā)明充分利用了無人直升機原有的機 載設備，只需增加一個激光發(fā)射器即可。
圖1是基于激光探測和圖像識別的無人直升機三維定位及測繪方法的原理圖(側(cè) 視圖)。圖2是基于激光探測和圖像識別的無人直升機三維定位及測繪方法的原理圖(俯 視圖)。在圖1和圖2中，1.無人直升機，2.飛行控制計算機，3.基于激光探測和圖像識 別的測距傳感器，4.機載攝像機，5.激光發(fā)射器，6.激光，7.激光照射在目標上的激光光 點，8.高度傳感器。
具體實施方式
基于激光探測和圖像識別的無人直升機三維定位及測繪方法需要有基于激光探 測和圖像識別的測距傳感器(3)、高度傳感器(8)和飛行控制計算機(2)三者協(xié)同完成。 其中，基于激光探測和圖像識別的測距傳感器(3)用于探測無人直升機(1)與周圍障礙物 之間的距離D，高度傳感器(8)用于測量無人直升機(1)的飛行高度H，飛行控制計算機 (2)用于計算傳感器數(shù)據(jù)，并完成無人直升機(1)在復雜未知環(huán)境中的三維定位及測繪?；诩す馓綔y和圖像識別的測距傳感器(3)由機載攝像機⑷和激光發(fā)射器(5) 組成。機載攝像機(4)和激光發(fā)射器(5)整體同步偏轉(zhuǎn)，并將所拍攝到的視頻實時傳送 給飛行控制計算機(2)。根據(jù)激光光點(7)在視頻中的位置，飛行控制計算機(2)可以計 算得出無人直升機(1)與周圍障礙物之間的距離D。通過改變激光發(fā)射器(5)的俯仰角θ的航向角Ψ，激光發(fā)射器(5)利用其發(fā)射 的激光(6)，對無人直升機(1)周圍的環(huán)境進行掃描。當激光(6)照射到周圍障礙物時， 會在其表面產(chǎn)生激光光點(7)。機載攝像機(4)拍攝到激光光點(7)，并將視頻發(fā)送給飛行控制計算機(2)。飛行控制計算機(2)根據(jù)該視頻中激光光點(7)在攝像機平面中的位 置，即可計算出無人直升機(1)距周圍障礙物的距離D。飛行控制計算機(2)通過高度 傳感器(8)，可以獲知無人直升機(1)距地面的飛行高度H。 不可避免地，無人直升機(1)的機身會對激光發(fā)射器(5)所發(fā)射的激光(6)造成 一定遮擋，這可以通過無人直升機(1)的偏航飛行來解決。根據(jù)激光發(fā)射器(5)在各個俯仰角 、航向角Ψ和無人直升機(1)飛行高度H 條件下，測量得到的距障礙物距離D，可以得到無人直升機⑴距周圍環(huán)境的距離及探測 角度的數(shù)據(jù)庫。從而可以得到無人直升機(1)周圍未知環(huán)境的三維數(shù)字地圖(球坐標)， 進而實現(xiàn)無人直升機(1)在未知環(huán)境中的三維同步定位及測繪。
權利要求
1.基于激光探測和圖像識別的無人直升機三維定位及測繪方法，其特征在于，含 有基于激光探測和圖像識別的測距傳感器、高度傳感器和飛行控制計算機，其中， 基于激光探測和圖像識別的測距傳感器由機載攝像機和激光發(fā)射器組成，用于探測無人 直升機與周圍障礙物之間的距離D，高度傳感器用于測量無人直升機的飛行高度H，其 中機載攝像機和激光發(fā)射器之間的相對位置固定，并可以整體同步轉(zhuǎn)動；基于激光探 測和圖像識別的測距傳感器通過繞俯仰軸和航向軸的轉(zhuǎn)動，可以改變激光發(fā)射器的俯仰 角 的航向角Ψ ；通過改變激光發(fā)射器的俯仰角 的航向角Ψ，激光發(fā)射器利用其發(fā) 射的激光對無人直升機的周圍環(huán)境進行掃描探測；當激光照射到周圍的障礙物時，會在 其表面產(chǎn)生激光光點；機載攝像機拍攝到激光光點，并將視頻發(fā)送給飛行控制計算機； 飛行控制計算機根據(jù)該視頻中光點的位置，即可計算出無人直升機距該障礙物的距離 D；飛行控制計算機通過高度傳感器，可以獲知無人直升機距地面的飛行高度H;根據(jù) 激光發(fā)射器在各個俯仰角 、航向角Ψ和無人直升機飛行高度H條件下測量得到的距障 礙物距離D，可以得到無人直升機距周圍環(huán)境的距離及探測角度的數(shù)據(jù)庫，從而得到無 人直升機周圍未知環(huán)境的三維數(shù)字地圖，進而實現(xiàn)無人直升機在未知環(huán)境中的三維同步 定位及測繪；而無人直升機機身對激光發(fā)射器所發(fā)射的激光造成的遮擋，可以通過無人 直升機的偏航飛行來解決。
全文摘要
基于激光探測和圖像識別的無人直升機三維定位及測繪方法屬于無人機應用技術領域，其特征在于，含有基于激光探測和圖像識別的測距傳感器、高度傳感器和飛行控制計算機，其中，測距傳感器由機載攝像機和激光發(fā)射器組成，用于探測無人直升機距周圍障礙物的距離，其中通過改變俯仰角和偏航角，測距傳感器對無人直升機周圍環(huán)境進行探測并測距；高度傳感器用于測量無人直升機距地面的飛行高度；根據(jù)在不同俯仰角、航向角和飛行高度條件下測量得到的測距數(shù)據(jù)，可以實現(xiàn)無人直升機對未知環(huán)境的三維同步定位及測繪。本發(fā)明通過在無人直升機上搭載激光探測和圖像識別的測距傳感器，可以在飛行過程中快速、簡便和可靠地對周圍環(huán)境進行探測。
文檔編號G01C11/36GK102023003SQ201010297558
公開日2011年4月20日 申請日期2010年9月29日 優(yōu)先權日2010年9月29日
發(fā)明者朱紀洪, 王冠林 申請人:清華大學