[发明专利]无人机上的主动旋转激光雷达系统及其控制方法

说明书

本发明公开了一种无人机上的主动旋转激光雷达系统及其控制方法，该系统及方法中设置能够旋转的激光雷达，在激光雷达主动旋转的过程中，因为IMU短期的高精准性，可以用IMU的姿态数据暂时代替激光雷达的里程计结果，在激光雷达采集到约束足够的数据时，选择使用激光雷达的里程计结果，具体来说，实时解算并判断激光雷达获得的数据图像是否可靠，在不可靠的情况下，主动旋转该激光雷达，以使得下一帧数据图像的可靠性提高，另外，通过设置特异性的非线性方程来处理激光雷达获得的数据图像，从而得到无人机的位姿，进而据此对无人机进行控制。

技术领域

本发明涉及激光雷达导航技术，具体涉及一种无人机上的主动旋转激光雷达系统及其控制方法。

背景技术

无人机(UAV)是指无人驾驶的由无线电遥控设备控制的或预先编译的程序控制的飞行器。与载人飞机相比，它具有体积小、造价低、使用方便、对作战环境要求低和战场生存能力较强等优点。随着近几年无人机的研究有很大进展，小型自主旋翼无人机能够在受限空间内进行高度敏捷的操作，并且不受地面障碍物的阻碍，在危险区域或人类无法抵达空间开展巡检、探测领域有着广阔的应用需求，无人机的应用领域也在不断扩大中。为了无人机能够适应各种不同场景的任务，无人机对周围环境感知的要求也不断提高。因此无人机的导航技术是无人机领域的重要技术之一。

现阶段大多数无人机的定位方法还是基于惯性传感器和全球导航卫星系统(GNSS)。而在应用场景不再是室外GNSS信号无遮挡的区域，而是室内、城市环境和树林等GNSS信号不稳定或无GNSS信号的环境的时候，无人机在这些场景的应用受到了严重的限制。

同步定位与建图(Simultaneous Localization and Mapping,SLAM)技术是是机器人视觉的一个重要研究内容，采用SLAM技术可以通过无人机搭载的激光雷达传感器对环境进行感知。结合IMU惯性测量元件，无人机可以估计自身的位姿。并且无人机通过对激光雷达采集的数据进行处理后，还可以建立起点云地图，通过对障碍物的检测，可以实现避障功能，从而提高无人机的避障飞行能力。

多数SLAM技术采用的是视觉摄像头导航，但是相机对环境的敏感性较高，对硬件的处理能力要求较高，应用场景限制在了无强光照的室内环境下。而在室外环境下，由于激光雷达具有精度高，对计算量要求小和不受光照干扰的特点，更多的方案则采用激光雷达导航。

在反制低慢小无人机时，激光SLAM可以为反制无人机提供良好的定位能力，但同时由于低慢小无人机的空间位置不确定性，要求反低慢小无人机在导航方面具有更强的环境适应性。无人机搭载固定放置的激光雷达传感器，在遇到狭长环境或只有高楼环境等这类俯仰方向约束极小的情况下，会因为几何特征不明显，容易引起退化现象，导致定位可靠性降低。虽然激光雷达的水平方向的视野可以达到360°，但垂直只有30°左右，俯仰方向的约束少，几何特征不明显的缺陷会被无限放大。而如果采用多摄像头或者多激光雷达的方式会造成负重增大的结果，必须提升无人机的载重，同时也会提高大量的经济成本。因此如何在几何特征少，约束不够的环境下进行定位和导航的问题仍需解决。

由于上述原因，本发明人对现有的激光雷达及其制导方法做了深入研究，以期待设计出一种能够解决上述问题的新的系统及方法。

发明内容

为了克服上述问题，本发明人进行了锐意研究，设计出一种无人机上的主动旋转激光雷达系统及其控制方法，该系统及方法中设置能够旋转的激光雷达，在激光雷达主动旋转的过程中，因为IMU短期的高精准性，可以用IMU的姿态数据暂时代替激光雷达的里程计结果，在激光雷达采集到约束足够的数据时，选择使用激光雷达的里程计结果，具体来说，实时解算并判断激光雷达获得的数据图像是否可靠，在不可靠的情况下，主动旋转该激光雷达，以使得下一帧数据图像的可靠性提高，另外，通过设置特异性的非线性方程来处理激光雷达获得的数据图像，从而得到无人机的位姿，进而据此对无人机进行控制，从而完成本发明。