[发明专利]一种适用于无人机测高定姿的激光传感器及其工作方法

权利要求书

1.一种适用于无人机测高定姿的激光传感器，其特征在于，所述激光传感器安装在无人机(15)上；

所述激光传感器包括发射镜头(1)、第一脉冲激光二极管(2)、第二脉冲激光二极管(3)、第三脉冲激光二极管(4)、3通道并行驱动电路(5)、时序控制电路(6)、激光回波接收镜头(7)、第一光电转换器(8)、第二光电转换器(9)、第三光电转换器(10)、3通道并行信号放大与鉴别电路(11)、3路并行高精度时间-数字转换电路(13)、高度计算与姿态确定模块(14)；

所述第一脉冲激光二极管(2)、第二脉冲激光二极管(3)和第三脉冲激光二极管(4)与3通道并行驱动电路(5)相连；

所述第一光电转换器(8)、第二光电转换器(9)和第三光电转换器(10)均与3通道并行信号放大与鉴别电路(11)的输入端相连；3通道并行信号放大与鉴别电路(11)的输出端与3路并行高精度时间-数字转换电路(13)的输入端相连；3路并行高精度时间-数字转换电路(13)的输出端和高度计算与姿态确定模块(14)相连；

所述时序控制电路(6)与3通道并行驱动电路(5)、3路并行高精度时间-数字转换电路(13)和高度计算与姿态确定模块(14)相连；

所述第一脉冲激光二极管(2)、第二脉冲激光二极管(3)和第三脉冲激光二极管(4)位于发射镜头(1)的焦平面内，且以发射镜头(1)的焦点为中心呈等边三角形分布；

所述第一光电转换器(8)、第二光电转换器(9)和第三光电转换器(10)位于激光回波接收镜头(7)的焦平面内，且其通过激光回波接收镜头(7)形成的接收视场分别覆盖由第一脉冲激光二极管(2)、第二脉冲激光二极管(3)和第三脉冲激光二极管(4)通过发射镜头(1)形成的发射视场；

所述第一脉冲激光二极管(2)、第二脉冲激光二极管(3)和第三脉冲激光二极管(4)在时序控制电路的作用下同步发出三束激光信号至三个激光着地点，生成的三路激光回波信号分别被第一光电转换器(8)、第二光电转换器(9)和第三光电转换器(10)接收后，经3通道并行信号放大与鉴别电路(11)放大、整理和鉴别，并且发送至3路并行高精度时间-数字转换电路(13)，3路并行高精度时间-数字转换电路(13)计算得出激光传感器与三个激光着地点的距离数据，将计算得到的距离数据发送至高度计算与姿态确定模块(14)，高度计算与姿态确定模块(14)结合激光传感器与无人机的相对位置，计算得到无人机到地面的距离信息和无人机的飞行姿态参数；

所述计算得到无人机到地面的距离信息和无人机的飞行姿态参数的过程包括以下步骤：

S1：通过时序控制电路，使第一脉冲激光二极管(2)、第二脉冲激光二极管(3)和第三脉冲激光二极管(4)同步发出三束激光信号至三个激光着地点，所述三个激光着地点分别被定义成测点B、测点C和测点D；

S2：获取第一脉冲激光二极管(2)、第二脉冲激光二极管(3)和第三脉冲激光二极管(4)到对应激光着地点的距离分别为h₁、h₂和h₃，其中，h₁为第一脉冲激光二极管(2)到测点B的距离，h₂为第二脉冲激光二极管(3)到测点C的距离，h₃为第三脉冲激光二极管(4)到测点D的距离；

S3：将三个激光着地点构成的平面定义成测点平面，结合激光传感器与无人机(15)的相对位置，计算得到无人机(15)到地面的距离和无人机(15)的飞行姿态参数，包括无人机(15)垂直于测点平面的高度h以及描述无人机姿态的俯仰角γ和翻滚角

S31：以激光传感器中发射镜头为坐标原点建立xyz空间坐标系，xoy平面与无人机平面也即三个激光二极管所确定的平面平行，x轴平行于第一脉冲激光二极管(2)和第二脉冲激光二极管(3)组成的等边三角形的一条边，y轴正方向与无人机前进方向相同且第三脉冲激光二极管(4)的投影正好落在y轴上；z轴与激光传感器的光轴重合且其正方向朝向地面，z轴通过等边三角形垂心；

S32：在该空间坐标系下，获取地面上3个激光着地点的坐标(x₁，y₁，z₁)、(x₂，y₂，z₂)、(x₃，y₃，z₃)分别为：

其中，θ为3个脉冲激光二极管发出的3束测距光束的两两之间的夹角；

S33：设无人机平面的法向量为(0，0，1)，无人机纵轴方向向量为(0，1，0)，无人机横轴方向向量为(1，0，0)，计算得到测点平面的法向量为：

S34：由空间几何公式推导可得γ和为：

无人机的测量高度h为：