用于多旋翼无人机巡检的自适应仿地雷达及其控制方法

1.本发明涉及无人机领域，尤其是涉及用于多旋翼无人机巡检的自适应仿地雷达及其控制方法。


背景技术：

2.目前市面上现有的多旋翼无人机大多数仅依靠激光雷达直接安装在无人机上进行对地高度测量来保持飞行高度，如公开号为cn211293257u的实用新型公开的一种基于激光雷达的无人机地形检测装置，包括无人机、激光雷达、重力水平仪、中央处理器和地面基站，激光雷达和挂载在无人机的下方，且扫描方向朝向下方，重力水平仪与无人机的底面平行，中央处理器用于对无人机进行定位以及获取激光雷达和重力水平仪所获得的数据并进行结合，激光雷达用于扫描无人机下方的地面，重力水平仪用于测量无人机与水平面的角度，地面基站用于接收中央处理器发送的数据并生成地形地图。该无人机地形检测装置通过无人机上的激光雷达检测探测区域的地形信息，根据探测区域的地形信息，调整无人机的飞行方向，使得无人机一直保持与地面平行且具有恒定高度的状态。
3.但是该方案存在以下缺陷：多旋翼无人机在运动的过程中机身会倾斜来控制飞行方向，从而激光雷达发射板与地面且无法保持水平，导致测高数据失真，影响多旋翼无人机定高功能。


技术实现要素：

4.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在激光雷达发射板与地面且无法保持水平，导致测高数据失真，影响多旋翼无人机定高功能的缺陷而提供一种用于多旋翼无人机巡检的自适应仿地雷达及其控制方法。
5.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
6.一种用于多旋翼无人机巡检的自适应仿地雷达，包括云台保护外壳、多轴运动处理组件、处理器、自稳云台、激光雷达连接座和激光雷达，所述多轴运动处理组件、处理器和自稳云台均安装在云台保护外壳上，所述自稳云台的驱动端连接所述激光雷达连接座，所述激光雷达安装在激光雷达连接座上，所述处理器分别连接多轴运动处理组件、自稳云台和激光雷达，所述多轴运动处理组件连接自稳云台。
7.进一步地，所述自稳云台包括横滚轴云台臂、横滚舵机、俯仰轴云台臂、俯仰舵机和云台效应器，所述横滚轴云台臂受横滚舵机驱动，所述俯仰轴云台臂受俯仰舵机驱动，所述横滚舵机和俯仰舵机均安装在云台保护外壳上，所述横滚轴云台臂和俯仰轴云台臂均一端可转动连接云台效应器，所述激光雷达连接座安装在云台效应器上。
8.进一步地，所述横滚轴云台臂为u型台臂，所述横滚轴云台臂的中部底端连接横滚舵机，所述横滚轴云台臂的两端分别可转动连接在云台效应器的两侧，所述云台效应器远离横滚轴云台臂的一侧可转动连接所述俯仰轴云台臂，所述横滚轴云台臂和俯仰轴云台臂分别连接在所述云台保护外壳中相互垂直的两个平面上。
9.进一步地，所述俯仰轴云台臂包括相互连接的第一l型台臂和第二l型台臂，所述第一l型台臂的一端连接俯仰舵机，另一端可转动连接第二l型台臂，所述第二l型台臂远离第一l型台臂的一端可转动连接所述云台效应器。
10.进一步地，所述云台保护外壳包括顶板、左侧板、右侧板和连接板，所述顶板垂直连接在连接板的顶部，所述左侧板垂直连接在连接板的左侧，所述右侧板垂直连接在连接板的右侧，所述顶板的两侧还分别连接左侧板和右侧板；所述第一l型台臂围绕右侧板和顶板设置，所述第二l型台臂可转动连接在云台效应器远离横滚轴云台臂的一侧。
11.进一步地，所述云台效应器与横滚轴云台臂和俯仰轴云台臂的连接处均设有滚珠轴承，所述第一l型台臂和第二l型台臂的连接处设有滚珠轴承。
12.进一步地，所述云台保护外壳上设有保护卡扣，该保护卡扣安装在多轴运动处理组件外侧，用户保护多轴运动处理组件。
13.进一步地，所述云台保护外壳上设有处理器保护壳，所述处理器安装在该处理器保护壳内，所述处理器保护壳设有走线孔，所述云台保护外壳对应设有铜锣柱，所述处理器的接线通过走线孔缠绕在铜锣柱上。
14.进一步地，所述多轴运动处理组件为mpu6050模块。
15.进一步地，所述处理器为arduino uno板。
16.本发明还一种如上所述的一种用于多旋翼无人机巡检的自适应仿地雷达的控制方法，所述多轴运动处理组件内设有加速度计和陀螺仪，所述自稳云台用于对激光雷达进行x轴和y轴位置调整，所述控制方法包括以下步骤：
17.根据加速度计的输出结果进行滤波采样获取多个x轴和y轴的加速度采样数据，根据陀螺仪的输出结果获取多个x轴和y轴相对于z轴的夹角采样数据，并对夹角采样数据进行滑动加权滤波；
18.根据加速度采样数据和滤波后的夹角采样数据计算x轴和y轴的角速度，并进行积分和平均处理后计算方差得到卡尔曼增益，将该卡尔曼增益与加速度采样数据叠加，得到x轴和y轴的p值，最终得到x轴和y轴的舵机修正量对舵机进行控制；
19.通过所述激光雷达实时采集雷达数据。
20.与现有技术相比，本发明具有以下优点：
21.(1)本发明加入自适应云台调节激光雷达水平度以降低飞行姿态对定高效果的影响。
22.(2)本发明云台根据横滚轴云台臂与俯仰轴云台臂的配合工作来调整云台效应器通过激光雷达连接座连接激光雷达的角度方向，云台臂连接处皆安置滚珠轴承以降低配合公差与工艺误差所产生的摩擦力，同时云台臂与舵机连接处开设舵机连接卡扣槽以降低响应误差。
23.(3)本方案通过两个l型台臂组合形成俯仰轴云台臂，一方面，第一l型台臂能贴合云台保护外壳的内壁，更加安全可靠；另一方便，第二l型台臂可转动连接第一l型台臂，能使得横滚轴云台臂和俯仰轴云台臂可以同时顺畅驱动，并且增加云台效应器的空间变换范围。
24.(4)本产品采用半包覆式结构以保证不正当飞行导致的损坏。
25.(5)本产品采用mpu6050的数字运动处理(dmp:digital motion processing)引擎
可减少复杂的融合演算数据、感测器同步化、姿势感应等的负荷。
26.(6)本产品采用自适应对地云台算法，区别于其他自稳云台的自稳算法，稳定性更强，免除了组合陀螺仪与加速器时间轴之差的问题，减少大量的封装空间。
附图说明
27.图1为本发明实施例中提供的一种用于多旋翼无人机巡检的自适应仿地雷达的顶部视角示意图；
28.图2为本发明实施例中提供的一种用于多旋翼无人机巡检的自适应仿地雷达的正面视角示意图；
29.图3为本发明实施例中提供的一种用于多旋翼无人机巡检的自适应仿地雷达的背部视角示意图；
30.图中，1、云台保护外壳，2、多轴运动处理组件，3、保护卡扣，4、处理器保护壳，5、处理器，6、走线孔，7、铜锣柱，8、走线卡扣，9、舵机，10、横滚轴云台臂，11、俯仰轴云台臂，12、云台效应器，13、激光雷达连接座，14、激光雷达，15、滚珠轴承，16、舵机连接卡扣槽。
具体实施方式
31.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
32.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
33.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
34.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
35.需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本技术的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
36.此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
37.实施例1
38.如图1-3所示，本实施例提供一种用于多旋翼无人机巡检的自适应仿地雷达，包括云台保护外壳1、多轴运动处理组件2、处理器5、自稳云台、激光雷达连接座13和激光雷达14，多轴运动处理组件2、处理器5和自稳云台均安装在云台保护外壳1上，自稳云台的驱动端连接激光雷达连接座13，激光雷达14安装在激光雷达连接座13上，处理器5分别连接多轴运动处理组件2、自稳云台和激光雷达14，多轴运动处理组件2连接自稳云台。
39.本发明对单一激光雷达14加装自稳云台，减小飞行姿态对激光雷达14的影响。
40.具体地，自稳云台包括横滚轴云台臂10、俯仰轴云台臂11和云台效应器12，横滚轴云台臂10和俯仰轴云台臂11均受对应的舵机9驱动，具体地，横滚轴云台臂10受横滚舵机驱动，俯仰轴云台臂11受俯仰舵机驱动，横滚舵机和俯仰舵机均安装在云台保护外壳1上，横滚轴云台臂10和俯仰轴云台臂11均一端可转动连接云台效应器12，激光雷达连接座13安装在云台效应器12上。
41.横滚轴云台臂10为u型台臂，横滚轴云台臂10的中部底端连接横滚舵机，横滚轴云台臂10的两端分别可转动连接在云台效应器12的两侧，云台效应器12远离横滚轴云台臂10的一侧可转动连接俯仰轴云台臂11，横滚轴云台臂10和俯仰轴云台臂11分别连接在云台保护外壳1中相互垂直的两个平面上。
42.俯仰轴云台臂11包括相互连接的第一l型台臂和第二l型台臂，第一l型台臂的一端连接俯仰舵机，另一端可转动连接第二l型台臂，第二l型台臂远离第一l型台臂的一端可转动连接云台效应器12。
43.云台保护外壳1包括顶板、左侧板、右侧板和连接板，顶板垂直连接在连接板的顶部，左侧板垂直连接在连接板的左侧，右侧板垂直连接在连接板的右侧，顶板的两侧还分别连接左侧板和右侧板；第一l型台臂围绕右侧板和顶板设置，第二l型台臂可转动连接在云台效应器12远离横滚轴云台臂10的一侧。
44.本方案通过两个l型台臂组合形成俯仰轴云台臂11，一方面，第一l型台臂能贴合云台保护外壳1的内壁，更加安全可靠；另一方便，第二l型台臂可转动连接第一l型台臂，能使得横滚轴云台臂10和俯仰轴云台臂11可以同时顺畅驱动，并且增加云台效应器12的空间变换范围。
45.云台效应器12与横滚轴云台臂10和俯仰轴云台臂11的连接处均设有滚珠轴承15，第一l型台臂和第二l型台臂的连接处设有滚珠轴承15，均可在受外力的作用下自由驱动。
46.云台保护外壳1上设有保护卡扣3，该保护卡扣3安装在多轴运动处理组件2外侧，用户保护多轴运动处理组件2，可在模块上方水平开槽口安装该保护卡扣3。
47.云台保护外壳1上设有处理器保护壳4，处理器5安装在该处理器保护壳4内，用以通过处理器保护壳4保护处理器5；处理器保护壳4设有走线孔6，云台保护外壳1对应设有铜锣柱7，处理器5的接线通过走线孔6缠绕在铜锣柱7上，以保护走线不会影响多旋翼无人机飞行任务。
48.还可在云台保护外壳1上设置走线卡扣8，用以固定舵机9的连接线，使其贴合云台整体结构以降低影响。
49.云台根据横滚轴云台臂10与俯仰轴云台臂11的配合工作来调整云台效应器12通过激光雷达连接座13连接激光雷达14的角度方向，云台臂连接处皆安置滚珠轴承15以降低配合公差与工艺误差所产生的摩擦力，同时云台臂与舵机连接处开设舵机连接卡扣槽16以
降低响应误差。
50.本实施例中，多轴运动处理组件2为mpu6050模块，处理器5为arduino uno板。
51.本实施例还提供一种如上的一种用于多旋翼无人机巡检的自适应仿地雷达的控制方法，多轴运动处理组件2内设有加速度计和陀螺仪，自稳云台用于对激光雷达14进行x轴和y轴位置调整，控制方法包括以下步骤：
52.根据加速度计的输出结果进行滤波采样获取多个x轴和y轴的加速度采样数据，根据陀螺仪的输出结果获取多个x轴和y轴相对于z轴的夹角采样数据，并对夹角采样数据进行滑动加权滤波；
53.根据加速度采样数据和滤波后的夹角采样数据计算x轴和y轴的角速度，并进行积分和平均处理后计算方差得到卡尔曼增益，将该卡尔曼增益与加速度采样数据叠加，得到x轴和y轴的p值，最终得到x轴和y轴的舵机修正量对舵机进行控制；
54.通过激光雷达14实时采集雷达数据。
55.具体流程为：多旋翼无人机运动时姿态改变，mpu6050检测到加速度计和陀螺仪的数据和原始数据不匹配，加速度计滤波算法获取8个x、y轴采样。读取当前四轴数值与原始数值&ax、&ay、&gx、&gy计算x、y加速度accx、accy，和x、y轴对于z轴夹角aax、aay，进行对于加速计原始数据的滑动加权滤波算法，将角度调幅0～90
°
，且此处应用实验法取得合适系数，经实验本例系数为9/7，得aax＝(aax_sum/(11*n_sample/2.0))*9/7.0、aay＝(aay_sum/(11*n_sample/2.0))*9/7.0。对x、y轴角速度gyrox、gyroy积分agx、agy，测量x、y轴加速度平均值sx、sy，得到方差rx、ry，计算卡尔曼增益kx、ky，陀螺仪角度与加速度计叠加agx、agy，更新p值px、py。由于要保持云台效应器与地面水平，故向舵机输出修正pitch＝90-agx、roll＝90-agy以保证激光雷达激光发射板与地面水平。
56.以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。