[发明专利]一种基于激光扫描地图构建系统的四轴飞行器及其方法

说明书

本发明公开了一种基于激光扫描地图构建系统的四轴飞行器及其方法。该四轴飞行器包括机架、处理器模块、传感器模块；其中，机架包括螺旋桨、无刷电机、支撑脚、机臂轴和载板，处理器模块包括飞控中心和树莓派，飞控中心与树莓派通过串口通信构成自动避障系统，传感器模块包括超声波传感器以及激光扫描仪；树莓派与超声波传感器电连接构成超声测距系统，通过超声波传感器获得障碍物的相对距离；树莓派与激光扫描仪通过USB线电连接组成地图构建系统，通过激光扫描仪采集飞行器周围的环境信息。本发明具有根据室内环境自主规划路径、自主避障与自主导航飞行能力，能够获取不同高度上的二维地图，具有作业能力强、智能化程度高、效率高等优点。

技术领域

本发明属于无人机技术领域。更具体地，涉及一种基于激光扫描地图构建系统的四轴飞行器及其方法。

背景技术

四轴飞行器电子系统可由传感器及飞行控制两个子系统组成；传感器系统需要对无人机状态进行精确测量或估计，其将无人机位置、速度、姿态角、角速度等飞行状态传递给飞行控制子系统，并由其实现良好的飞行控制；传感器系统可细分为姿态传感器及位置传感器两类；常用姿态传感器由三轴加速度计、三轴陀螺仪、磁力计等MEMS元件组成，其在室内外均可使用；位置传感器则多采用GPS、北斗等卫星定位导航系统，然而该种传感器难以在GPS信号微弱的楼群间及室内环境中实现精确定位；国际上为解决无GPS环境下精确定位问题，常用方法可分为基于VICON等运动捕获系统定位，基于机载摄像头定位及基于机载激光雷达定位三种；利用激光雷达作为机载位置传感器，相较于其他方法，具有定位精度高、对环境依赖程度较弱、利于向室外扩展等优势，是国际控制领域研究的热点问题。

室内地图构建装置主要有固定平台和移动机器人两种，基于固定平台的室内地图构建装置可以对距离相对固定的物体进行重构，由于其不可以移动，导致分辨率单一；移动机器人与激光扫描仪等测距模块配合使用虽然也可应用于室内环境的地图构建，但是有些室内的地面环境情况复杂，例如室内环境污染、火灾或有军事威胁等，存在着轮式机器人或履带机器人的移动不便的情况，从而导致了工作效率低甚至是无法工作。而且，一般的轮式机器人因不能爬楼梯，只能在某一楼层范围内进行探索，移动范围受到了限制；具有爬楼梯能力的履带机器人体型较大，在某些转角会出现转弯不便的情况，移动速度或范围都受到了限制，无法实现复杂环境的侦察和构图，从而影响了其应用价值与使用范围。另外，在轮式机器人或履带机器人的平台上，大多数激光扫描仪被固定在某一高度，使得创建的地图被局限于某一水平面上，导致环境信息的获取量被限制了。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服上述现有技术的不足，提供一种基于激光扫描地图构建系统的四轴飞行器。

本发明另一目的是提供使用所述基于激光扫描地图构建系统的四轴飞行器构建室内地图的方法。

本发明上述目的通过以下技术方案实现：

一种基于激光扫描地图构建系统的四轴飞行器，包括机架、处理器模块、传感器模块；

其中，所述机架包括螺旋桨、无刷电机、支撑脚、机臂轴和载板，所述机架从下向上分别设置有三层载板，第一层和第二层载板之间设置有呈十字形交叉的四个机臂轴，形成机架主体；每个机臂轴的端部固定安装有螺旋桨和用于驱动螺旋桨转动的无刷电机，各螺旋桨和无刷电机匹配使用；所述无刷电机下方设置有支撑脚；

所述处理器模块包括设置在第二层载板上的飞控中心和树莓派，所述飞控中心与树莓派通过串口通信构成自动避障系统；

所述传感器模块包括设置在第一层载板上的超声波传感器以及设置在第三层载板中央的激光扫描仪；

所述树莓派与超声波传感器电连接构成超声测距系统；所述树莓派与激光扫描仪通过USB线电连接组成地图构建系统，通过激光扫描仪采集飞行器周围的环境信息；所述飞控中心会执行来自树莓派与地面站的控制指令，实现整个飞行器的空中飞行、悬停、定位和姿态控制。