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CN102023003A - 基于激光探测和图像识别的无人直升机三维定位及测绘方法 - Google Patents

基于激光探测和图像识别的无人直升机三维定位及测绘方法 Download PDF

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CN102023003A CN 201010297558 CN201010297558A CN102023003A CN 102023003 A CN102023003 A CN 102023003A CN 201010297558 CN201010297558 CN 201010297558 CN 201010297558 A CN201010297558 A CN 201010297558A CN 102023003 A CN102023003 A CN 102023003A
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王冠林
朱纪洪
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Abstract

基于激光探测和图像识别的无人直升机三维定位及测绘方法属于无人机应用技术领域,其特征在于,含有:基于激光探测和图像识别的测距传感器、高度传感器和飞行控制计算机,其中,测距传感器由机载摄像机和激光发射器组成,用于探测无人直升机距周围障碍物的距离,其中:通过改变俯仰角和偏航角,测距传感器对无人直升机周围环境进行探测并测距;高度传感器用于测量无人直升机距地面的飞行高度;根据在不同俯仰角、航向角和飞行高度条件下测量得到的测距数据,可以实现无人直升机对未知环境的三维同步定位及测绘。本发明通过在无人直升机上搭载激光探测和图像识别的测距传感器,可以在飞行过程中快速、简便和可靠地对周围环境进行探测。

Description

基于激光探测和图像识别的无人直升机三维定位及测绘方法
技术领域
本发明是用于无人直升机在复杂未知环境中进行定位和探测的方法,能够高精度地实现无人直升机在复杂未知环境中的三维同步定位及测绘。主要应用在航空航天、无人机和机器人等技术领域。
背景技术
在复杂未知环境中的三维同步定位及测绘是无人直升机重要的智能功能之一,主要目的在未知环境中完成定位、探测和地图绘制,并辅助无人直升机进行高度自主化的飞行。传统的三维同步定位及测绘飞行多在地形探测雷达的辅助下完成。由于地形探测雷达重量大,小型无人直升机难以装备。因此,无人直升机通常采用激光雷达。然而,激光雷达只能获得二维定位和测绘数据。如果需要进行三维定位和探测,则无人直升机必须改变飞行高度,以完成不同高度下的定位和探测。对于无人直升机在未知环境中的飞行,改变飞行高度可能会造成与障碍物的碰撞。此外,激光雷达价格昂贵、重量较大,并非无人直升机的最佳选择。
由于普通的无人直升机通常都具有机载摄像机、高度传感器和飞行控制计算机。本发明在上述设备的基础上,通过添加一个激光发射器,使激光发射器、机载摄像机组成一个基于激光探测和图像识别的测距传感器。随后,在高度传感器和飞行控制计算机的配合下,通过使机载摄像机和激光发射器在俯仰方向和偏航方向进行同步偏转,可以实时探测并得到无人直升机与周围障碍物之间的距离和距地高度。根据探测距离、探测角度和飞行高度,可以得到无人直升机距周围环境的距离及探测角度的数据库,从而得到无人直升机周围未知环境的三维数字地图,进而实现三维同步定位及测绘。与传统的地形探测雷达(100Kg级)相比,本发明的重量要轻得多(50g级),可以被无人直升机,尤其是小型无人直升机所携带;与激光雷达相比,本发明无需改变无人直升机的飞行高度,只需改变激光发射器的俯仰角和偏航角即可实现三维同步定位和探测,这样可以大大增加无人直升机的飞行安全性。此外,本发明充分利用了无人直升机原有的机载设备,只需增加一个激光发射器即可。因此,本发明具有结构简单、造价低廉、改装容易的优点,而且不添加复杂昂贵的硬件,以软件升级为主,对无人直升机增重极少,并可用于辅助无人直升机进行高度自主化的飞行。
发明内容
本发明的目的在于提供一种使无人直升机在复杂未知环境中实现高精度三维同步定位及测绘的方法。
本发明的特征在于,含有:基于激光探测和图像识别的测距传感器、高度传感器和飞行控制计算机,其中,基于激光探测和图像识别的测距传感器由机载摄像机和激光发射器组成,用于探测无人直升机与周围障碍物之间的距离D,高度传感器用于测量无人直升机的飞行高度H,其中:
通过改变激光发射器的俯仰角Θ的航向角Ψ,激光发射器利用其发射的激光对无人直升机的周围环境进行扫描探测;当激光照射到周围的障碍物时,会在其上产生激光光点;机载摄像机拍摄到激光光点,并将视频发送给飞行控制计算机;飞行控制计算机根据该视频中光点的位置,即可计算出无人直升机距周围障碍物的距离D;飞行控制计算机通过高度传感器,可以获知无人直升机距地面的飞行高度H;根据激光发射器在各个俯仰角Θ、航向角Ψ和飞行高度H条件下测量得到的距障碍物距离D,可以得到无人直升机周围未知环境的三维数字地图,从而实现三维同步定位及测绘;而无人直升机机身对激光发射器所发射的激光造成的遮挡,可以通过无人直升机的偏航飞行来解决。
本发明的优点在于:结构简单、造价低廉、改装容易的优点,而且不添加复杂昂贵的硬件,以软件升级为主,对无人直升机增重极少,并可用于辅助无人直升机进行高度自主化的飞行。与传统的地形探测雷达(100Kg级)相比,本发明的重量要轻得多(50g级),可以被无人直升机所携带;与激光雷达相比,本发明无需改变无人直升机的飞行高度,只需改变激光发射器的俯仰角和偏航角即可实现三维同步定位和探测,这样可以大大增加无人直升机的飞行安全性。此外,本发明充分利用了无人直升机原有的机载设备,只需增加一个激光发射器即可。
附图说明
图1是基于激光探测和图像识别的无人直升机三维定位及测绘方法的原理图(侧视图)。
图2是基于激光探测和图像识别的无人直升机三维定位及测绘方法的原理图(俯视图)。
在图1和图2中,1.无人直升机,2.飞行控制计算机,3.基于激光探测和图像识别的测距传感器,4.机载摄像机,5.激光发射器,6.激光,7.激光照射在目标上的激光光点,8.高度传感器。
具体实施方式
基于激光探测和图像识别的无人直升机三维定位及测绘方法需要有基于激光探测和图像识别的测距传感器(3)、高度传感器(8)和飞行控制计算机(2)三者协同完成。其中,基于激光探测和图像识别的测距传感器(3)用于探测无人直升机(1)与周围障碍物之间的距离D,高度传感器(8)用于测量无人直升机(1)的飞行高度H,飞行控制计算机(2)用于计算传感器数据,并完成无人直升机(1)在复杂未知环境中的三维定位及测绘。
基于激光探测和图像识别的测距传感器(3)由机载摄像机(4)和激光发射器(5)组成。机载摄像机(4)和激光发射器(5)整体同步偏转,并将所拍摄到的视频实时传送给飞行控制计算机(2)。根据激光光点(7)在视频中的位置,飞行控制计算机(2)可以计算得出无人直升机(1)与周围障碍物之间的距离D。
通过改变激光发射器(5)的俯仰角Θ的航向角Ψ,激光发射器(5)利用其发射的激光(6),对无人直升机(1)周围的环境进行扫描。当激光(6)照射到周围障碍物时,会在其表面产生激光光点(7)。机载摄像机(4)拍摄到激光光点(7),并将视频发送给飞行控制计算机(2)。飞行控制计算机(2)根据该视频中激光光点(7)在摄像机平面中的位置,即可计算出无人直升机(1)距周围障碍物的距离D。飞行控制计算机(2)通过高度传感器(8),可以获知无人直升机(1)距地面的飞行高度H。
不可避免地,无人直升机(1)的机身会对激光发射器(5)所发射的激光(6)造成一定遮挡,这可以通过无人直升机(1)的偏航飞行来解决。
根据激光发射器(5)在各个俯仰角Θ、航向角Ψ和无人直升机(1)飞行高度H条件下,测量得到的距障碍物距离D,可以得到无人直升机(1)距周围环境的距离及探测角度的数据库。从而可以得到无人直升机(1)周围未知环境的三维数字地图(球坐标),进而实现无人直升机(1)在未知环境中的三维同步定位及测绘。

Claims (1)

1.基于激光探测和图像识别的无人直升机三维定位及测绘方法,其特征在于,含有:基于激光探测和图像识别的测距传感器、高度传感器和飞行控制计算机,其中,基于激光探测和图像识别的测距传感器由机载摄像机和激光发射器组成,用于探测无人直升机与周围障碍物之间的距离D,高度传感器用于测量无人直升机的飞行高度H,其中:
机载摄像机和激光发射器之间的相对位置固定,并可以整体同步转动;基于激光探测和图像识别的测距传感器通过绕俯仰轴和航向轴的转动,可以改变激光发射器的俯仰角Θ的航向角Ψ;通过改变激光发射器的俯仰角Θ的航向角Ψ,激光发射器利用其发射的激光对无人直升机的周围环境进行扫描探测;当激光照射到周围的障碍物时,会在其表面产生激光光点;机载摄像机拍摄到激光光点,并将视频发送给飞行控制计算机;飞行控制计算机根据该视频中光点的位置,即可计算出无人直升机距该障碍物的距离D;飞行控制计算机通过高度传感器,可以获知无人直升机距地面的飞行高度H;根据激光发射器在各个俯仰角Θ、航向角Ψ和无人直升机飞行高度H条件下测量得到的距障碍物距离D,可以得到无人直升机距周围环境的距离及探测角度的数据库,从而得到无人直升机周围未知环境的三维数字地图,进而实现无人直升机在未知环境中的三维同步定位及测绘;而无人直升机机身对激光发射器所发射的激光造成的遮挡,可以通过无人直升机的偏航飞行来解决。
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