[发明专利]机载2D激光测距机获取3D点云的方法

说明书

技术领域

本发明涉及飞行器自主飞行技术领域，特别涉及一种机载2D激光测距机获取3D点云的方法。

背景技术

随着微电子技术和机器人技术的发展，使飞行器具备自主飞行的能力成为可能，同时在民用和军用领域对飞行器的自主性能也提出了更高的需求，特别是在勘察，救援，监控等方面的需求也日益增加。其中，对环境的感知能力是飞行器自主飞行的重要基础，如果能获取飞行器所在环境的信息并实时估计自身位置，将会大幅度提升无人机的自主性能。不同于普通的地面机器人，飞行器在飞行过程中具有6自由度，因此需要获取所在环境的3D信息，但是现有技术中大部分的传感器都难以获取有效的3D环境信息，而成为自主飞行器发展的瓶颈。

发明内容

本发明的目的旨在至少解决上述的技术缺陷之一。

为此，本发明的目的在于提出一种机载2D激光测距机获取3D点云的方法。

为达到上述目的，本发明的实施例提出一种机载2D激光测距机获取3D点云的方法，包括以下步骤：通过EKF算法对惯性测量设备所测量的角速度进行处理，以得到横滚角和俯仰角；通过机载激光测距机获取飞行器的高度信息，并根据所述横滚角和俯仰角以及所述高度信息得到飞行器的高度坐标；根据所述横滚角和俯仰角对激光测距机所采集的扫描数据进行处理以得到第一扫描数据和第二扫描数据；根据所述第一扫描数据的数据进行数据间的匹配以得到所述飞行器的水平位置和偏航角；以及根据所述第二扫描数据、所述高度坐标、所述横滚角和俯仰角、所述水平位置和偏航角得到所述飞行器的世界坐标集，并根据所述世界坐标集构成所述飞行器所在环境的3D点云。

本发明的一个实施例中，通过如下方式获得所述飞行器的世界坐标：将所述第二扫描数据转化为测量点机载坐标系下的坐标；根据所述机载坐标系下的坐标、所述高度坐标、所述横滚角和俯仰角、所述水平位置和偏航角得到所机载坐标系与世界坐标系的转换关系；以及根据所述机载坐标系与世界坐标系的转换关系将所述机载坐标系下的坐标转化为所述世界坐标。

本发明的一个实施例中，所述激光测距机的光束与所述激光测距机反射装置的平面镜成45°角。

本发明的一个实施例中，所述第一扫描数据是通过对所述第二扫描数据进行投影处理得到的。

本发明的一个实施例中，所述激光测距机为2D激光测距机。

本发明的一个实施例中，所述机载坐标系转换为世界坐标系的公式如下，所述公式为：其中，x_i^W为第i个观测点的x轴世界坐标，y_i^W为第i个观测点的y轴世界坐标，z_i^W为第i个观测点的z轴世界坐标，θ为当前激光测距机的偏航角，为当前激光测距机的横滚，ψ为当前激光测距机的俯仰角，x_i^L为第i个观测点的x轴局部坐标，y_i^L为第i个观测点的y轴局部坐标，x为激光测距机所在世界坐标系x坐标，y为激光测距机所在世界坐标系y坐标，z为激光测距机所在世界坐标系z坐标，(x_i^W,y_i^W,z_i^W)为第i个观测点的世界坐标，(x_i^L,y_i^L,0)为第i个观测点的局部坐标，(x,y,z)为激光测距机中心的世界坐标。

本发明的一个实施例中，所述第一扫描数据通过如下公式表示，所述公式为：

其中，为投影后的测量距离，为投影后的测量角度，r_i为投影前的测量距离，α_i为投影前的测量角度，ψ为飞行器俯仰角，为飞行器横滚角。

根据本发明实施例的方法具有如下优点：

1、可获取飞行器所在环境的3D点云数据，以弥补传统激光测距机只能获取2D数据的不足。

2、仅利用飞行器的惯导传感器和2D激光测距机，而不需要其余设备，因此有效地减轻了飞行器的载重负担。

3、通过激光测距机获取水平位置和偏航角，因此与使用传统的惯导传感器相比更具有鲁棒性。

4、通过激光测距的倾斜校正和噪声处理使得激光测距数据的利用更加有效。