[发明专利]基于小型四旋翼无人机的构图装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于移动机器人定位与导航技术领域，具体涉及一种基于小型四旋翼无人机的构图装置及方法。

背景技术

近年来，移动机器人得到的迅速的发展，移动机器人的定位和导航也越来越受到重视。实现自主定位和导航是机器人完成各种任务的重要前提，而实现定位和导航的关键在于建立起完整的地图信息，因此，二维构图对于移动机器人技术的发展具有重要的意义。随着技术的不断发展，对地图创建的要求也越来越高，尤其对于灾难现场等一些障碍比较多、结构比较复杂、对建图实时性要求高的复杂场合，传统的地图创建方法很难胜任。基于机器视觉的地图创建方法只能创建高度信息地图，地图信息比较单一，而且对图像的处理对电脑要求较高，建图速度也不理想。针对这些情况，出现了移动机器人一边运动一边创建地图(SLAM，Simultaneous localization and mapping)的方法，这种方法在一定程度上克服了一些上述的障碍，但是依然有很多的弊端：机器人的运动都依赖履带或者轮子，在狭小的空间中实现转向会比较困难，而且机器人只能在地面上运动，容易受到地面障碍物的干扰；在多楼层环境中，机器人只能在有限的楼层范围内进行探索，很难进入到高楼层区域，移动范围受到了极大的限制，无法实现复杂环境的侦察和构图；地面移动机器人只能在地面上运动，其建立的二维地图也就局限于接近地面的高度，得到的地图信息过于单一，应用价值和使用范围爱到了很大的限制。因此，目前利用上述两种方式进行室内环境信息的感知和探索都难以达到理想的效果。

发明内容

针对现有技术的缺点，本发明提出一种基于小型四旋翼无人机的构图装置及方法，以达到在复杂环境中快速准确地构建出二维地图的目的。

一种基于小型四旋翼无人机的构图装置，包括四旋翼无人机、激光雷达、无线路由器、反光镜，还包括PC机、远程控制开关、机载计算机、控制器和电源，其中，所述的激光雷达设置于四旋翼无人机上端中心位置，反光镜设置于激光雷达发射端初始位置相对处，并与四旋翼无人机平面之间的夹角为45°，所述的远程控制开关、机载计算机、控制器和电源构成机载控制部分，设置于四旋翼无人机的中心位置；

所述的激光雷达的输出端连接机载计算机的输入端，机载计算机的输出端连接控制器的输入端，控制器的四路输出端分别连接四旋翼无人机四个螺旋桨的电机输入端，在控制器与电源之间设置有远程控制开关；所述的机载计算机通过无线网络连接无线路由器，并且无线路由器通过无线网络连接PC机。

所述的PC机内部包括环境构图模块、构图矫正模块和路径规划模块，其中，

环境构图模块：用于采用同步定位与地图构建方法(SLAM)根据激光雷达采集到的激光数据进行扫描区域的构图，所述的激光数据包括扫描角度和该角度对应反射点的距离；

构图矫正模块：用于根据控制器内部的惯性测量单元测量的无人机倾斜角度和每个扫描角度对应反射点的距离，计算获得每个反射点水平方向上的距离，根据每个反射点水平方向上的距离重新进行构图，获得矫正后的环境构图；

路径规划模块：用于基于代价地图(costmap)的Dijkstra最优路径算法根据获得的矫正后的环境构图获得无人机飞行路径，并将飞行路径通过机载计算机发送至控制器中。

所述的远程控制开关包括一个电阻、一个电源接口、一个机载计算机接口、一个天线接口、一个稳压管、一个MOSFET管，其中，稳压管的输入端同时连接电源接口的输出端和机载计算机接口的输入端，稳压管的输出端连接天线接口的输入端，稳压管的输入端接地，天线接口的另一个端口同时连接MOSFET管的栅极和电阻的一端，电阻的另一端接地，MOSFET管的源极接地，MOSFET管的漏极连接机载计算机接口的输出端。

还设置有一个用于控制远程控制开关的遥控器和一个天线，所述的天线通过天线接口连接远程控制开关，遥控器发送紧急信号至天线，使其强制切断控制器的电源。

采用基于小型四旋翼无人机的构图装置进行的构图方法，包括以下步骤：

步骤1、在目标构图区域内，以无人机起飞位置作为原点建立坐标系，并根据实际需求设置无人机的目标飞行高度和飞行速度；

步骤2、启动无人机上升飞行，采用激光雷达发射激光并通过反射镜反射激光，根据反射的时间，计算无人机实时飞行高度，当无人机达到目标飞行高度时停止上升；

步骤3、在目标高度，采用激光雷达进行旋转扫描，获得不同激光雷达数据，所述的激光雷达数据包括采样旋转角度和该角度对应反射点的距离，并将采激光雷达数据发送至机载计算机中；