[发明专利]基于激光测距和自稳云台的无人机地形测绘装置及方法

说明书

本发明公开了基于激光测距和自稳云台的无人机地形测绘装置及方法，测绘装置包含多旋翼无人机、安装在多旋翼无人机的顶端的机载GPS模块、设在多旋翼无人机的下方的自稳云台、在自稳云台的底部且竖直朝下的激光测距模块；自稳云台包括调平盘、伺服电机、固定盘，固定盘水平安装在多旋翼无人机的机架底部，调平盘位于固定盘下方，调平盘上安装有倾角传感器，在自稳云台上还设置有用于读取倾角传感器数据的外接单片机控制模块；在固定盘上设有伺服电机，通过控制连杆机构确保调平盘处于水平工作状态，本发明利用自稳云台消除无人机测绘系统作业时机体倾角的动态变化对激光测距模块的测量精度造成的影响，使得地形测绘作业更加便捷、高效、精确。

技术领域

本发明涉及地形测绘技术领域，具体的说是基于激光测距和自稳云台的无人机地形测绘装置及方法。

背景技术

以多旋翼无人机为载体，安装激光测距装置与高精度的全球定位系统模块（GPS）进行地形测绘作业，可以方便、快捷、精准地获取地形数据。但是，多旋翼无人机的螺旋桨固定安装在浆盘平面内均匀分布的多个直流电机上，其高速旋转而产生的升力始终垂直于浆盘平面，故无人机的机体仅在竖直上升、竖直下降或定点悬停的过程中处于水平状态，而在其余阶段机体以倾斜姿态飞行。例如，当多旋翼无人机以一定的速度朝向某一方向飞行时，无人机的机体则以“前低后高”的倾斜姿态围绕一定的俯仰角度进行实时动态调整；当飞行速度或飞行方向改变时，无人机机体的倾斜角度大小及方向（俯仰角、横滚角与偏航角）相应地发生变化，反之亦然。另外，无人机测绘系统飞行时不可避免地受到气流、横风、机械振动、负载扰动等多种因素影响，加剧了无人机的倾角变化，进而使得安装在无人机上的激光测距模块产生倾角偏差，严重影响地形测绘精度，为了改善地形测绘精度，通常采用在无人机机体上安装姿态传感器，待测绘作业完成后获取无人机倾斜角度的方法来修正激光测距值，如图三所示，其中d为多旋翼无人机倾斜一定角度时的无人机与地面点之间的距离测量值，dcorr为采用无人机姿态器数据、利用三角函数修正后的无人机与正下方地面点之间的真实距离值。该方法在地势起伏平缓的区域一定程度上可以改善地形测绘精度，但是在地面起伏急剧变化、凹凸点块密集的区域使用三角函数对激光测距值进行修正，反而会导致更大的系统误差。因此，迫切需要一种装置和先进方法来消除因多旋翼无人机动态飞行倾角变化对地形测绘精度造成的影响。

发明内容

本发明为解决上述问题，提供了基于激光测距和自稳云台的无人机地形测绘装置及方法，利用自稳云台消除多旋翼无人机测绘系统作业时机体倾角的动态变化对激光测距模块的测量精度造成的影响，使得地形测绘作业更加便捷、高效、精确。

本发明通过以下技术方案来实现：

基于激光测距和自稳云台的无人机地形测绘装置，包含多旋翼无人机、机载GPS模块、自稳云台、激光测距模块，所述机载GPS模块固定安装在多旋翼无人机的顶端，所述自稳云台设置在多旋翼无人机的下方，所述激光测距模块固定在自稳云台的底部，且竖直朝下发射并接收测距激光信号；

所述自稳云台包括调平盘、伺服电机、固定盘，所述固定盘水平安装在多旋翼无人机的机架底部，所述调平盘位于固定盘下方，所述调平盘上安装有倾角传感器，在自稳云台上还设置有用于读取倾角传感器数据的外接单片机控制模块；

在固定盘上均匀设置有若干个伺服电机，在固定盘与调平盘之间设置有连杆机构，所述连杆机构包括铰接机构以及连杆，若干个伺服电机分别通过摇臂与连杆连接，所述连杆的另一端通过铰接机构与调平盘连接。

进一步的，所述激光测距模块竖直朝下固定在自稳云台的调平盘的底部。

进一步的，所述伺服电机的数量为3个，分别为电机A，电机B，电机C，且3个电机呈120°夹角中心对称分布在固定盘上。

基于激光测距和自稳云台的无人机地形测绘装置的测绘方法，主要包括以下步骤：