[发明专利]一种直升机防撞用激光扫描方法与装置

权利要求书

1.一种直升机防撞用激光扫描装置，其特征在于包括防撞激光扫描仪装置（1）、直升机体俯仰角测量装置（2）、直升机体（3）；所述防撞激光扫描仪装置（1），其特征在于包括防撞激光扫描仪控制器（11）、俯仰扫描电机（12）、传动机构（13）、俯仰扫描旋转框架（14）、俯仰扫描光电轴角编码器（15）、圆锥扫描电机（16）、圆锥扫描镜（17）、圆锥扫描光电轴角编码器（18）、激光测距仪（19）；所述直升机体俯仰角测量装置（2），其特征在于包括GPS（31）、IMU（32）、卡尔曼滤波器（23）；所述防撞激光扫描仪装置（1）和所述直升机体俯仰角测量装置（2）均固定在所述直升机体（3）上；所述圆锥扫描电机（16）、所述圆锥扫描镜（17）、所述圆锥扫描光电轴角编码器（18）和所述激光测距仪（19）均安装在所述俯仰扫描旋转框架（14）上；在所述防撞激光扫描仪装置（1）中，所述俯仰扫描电机（12）通过所述传动机构（13），带动所述俯仰扫描旋转框架（14）以正弦方式进行摆动；所述圆锥扫描电机（16）带动所述圆锥扫描镜（17）旋转，反射由所述激光测距仪（19）发出的激光脉冲，所述激光测距仪（19）测量每个激光脉冲打在障碍物上的激光脚点的空间距离；当所述直升机体（3）有俯仰角变化时，由所述直升机体俯仰角测量装置（2）实时获得，提供给所述防撞激光扫描仪控制器（11），控制所述俯仰扫描电机（12）的摆动角度，以补偿俯仰角变化，使激光扫描俯仰视场角始终相对于当地水平坐标系不变，防止由于俯仰角的影响而使激光扫描区域漏扫地面障碍物。

2. 按照权利要求1所述的一种直升机防撞用激光扫描装置，其特征在于所述防撞激光扫描仪（1）安装在直升机体（3）的前下部，相对于水平方向的安装倾斜角为45°；激光扫描点云形态由两方面运动决定，一是俯仰方向的正弦摆动，二是扫描镜旋转运动形成的圆锥式激光扫描，两运动的合成产生圆形旋转推进的激光点扫描轨迹，形成长方形扫描条带，可高分辨率探测直升机前下方的障碍物；俯仰扫描视场角为                                                ，圆锥激光扫描的倾斜角为15°（即所述圆锥扫描镜的平面法线与所述圆锥扫描电机的转轴之间的夹角）；所述防撞激光扫描仪控制器（11）根据激光测距仪获得的激光脚点的空间距离和方位、所述俯仰扫描光电轴角编码器（15）获得的所述防撞激光扫描仪的俯仰方向转角，以及所述圆锥扫描光电轴角编码器（18）获得的旋转角度，可计算出地面激光脚点的空间位置；当激光扫描脉冲打到直升机前下方的地面障碍物上时，所述防撞激光扫描仪控制器（11）获得关于该障碍物的激光扫描点云，经过曲面拟合，获得障碍物的三维成像，判断出障碍物的形状和距离信息，并提醒飞行员及时操作直升机避开该障碍物。

3.按照权利要求1所述的一种直升机防撞用激光扫描装置，其特征在于所述GPS（21）的接收天线安装在所述直升机体（3）的上部，所述IMU（22）安装在直升机体（3）底部的机载平台（4）上，所述GPS（21）和所述IMU（22）的测量数据通过所述卡尔曼滤波器（23）的数据处理，获得所述直升机体（3）的实时俯仰角值，提供给所述防撞激光扫描仪（1）的所述防撞激光扫描仪控制器（11），通过补偿控制，使所述防撞激光扫描仪（1）的俯仰扫描视场角范围始终相对于当地水平参考坐标系不变，此时的俯仰扫描视场角=设定的俯仰扫描视场角（）-所述直升机体（3）的俯仰角，从而实现对俯仰角变化的实时补偿，消除所述直升机体（3）的俯仰角变化对激光扫描覆盖区域的不利影响，提高对直升机前下方障碍物的扫描可靠性，防止因所述直升机体（3）的大角度俯仰角变化而导致激光扫描区域脱离对地面障碍物的扫描。

4.按照权利要求1所述的一种直升机防撞用激光扫描装置，其特征在于所述传动机构（13）采用齿轮-齿轮传动或齿轮-带轮传动。

5.按照权利要求1所述的一种直升机防撞用激光扫描装置，其特征在于所述激光测距仪（19）的最大测距为300米，激光脉冲重复频率最大为100 kHz，圆锥扫描镜旋转频率为110 Hz（即旋转速度为6600r/min），俯仰方向的正弦摆动频率为2Hz；所述防撞激光扫描仪（1）的所述俯仰扫描旋转框架（14）的转动角度每转动一个正弦周期，可获得一帧扫描三维图像，对直升机前下方的障碍物进行一次测量；由于俯仰方向的正弦摆动频率为2Hz，因此每秒钟可进行两次激光扫描成像，获得两幅三维图像，保证扫描成像的实时性；而圆锥扫描镜旋转频率为110 Hz，则每秒钟可获得110圈激光扫描线（即激光脉冲点形成的轨迹线），以保证激光点云的密度，使三维成像具有较高的空间分辨率。