一种无人机高精度自主避障飞行方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及无人机导航领域，具体涉及一种无人机高精度自主避障飞行方法。
【背景技术】
[0002]无人驾驶飞机简称“无人机”，是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机。无人机广泛应用于警用、城市管理、农业、地质、气象、电力、抢险救灾、视频拍摄等行业。从助力现代乡村到给力智慧城市，凡是需要空中解决方案的地方，都将有无人机的一席之地。随着无人机应用范围越来越广，作业区域越来越复杂，如何能够使无人机工作自主能力更高更强，使用更加便捷，是无人机技术发展的方向。
[0003]目前无人机飞行分为手动控制飞行、半自动驾驶飞行以及自动驾驶飞行三种方式，对于手动控制飞行和半自动驾驶飞行需要飞行操控技术人员实时操作无人机，控制飞行航线。自动驾驶飞行则在飞行前规划航线，将数据导入无人机控制系统中保存，之后实现无人机根据卫星定位按预定航线自动驾驶飞行。
[0004]在低空、复杂地形飞行应用中，由于现有的卫星定位精度不够，无人机无法获知准确的位置信息，所以不能采用全自主的飞行方式，只能依靠地面操控人员手动操作无人机进行飞行作业。这样不仅受到通讯方式的限制无法实现远距离高精度飞行，而且需要经验丰富技术娴熟的地面操控人员，人工成本高、作业效率低，不足以满足无人机日益扩大的使用需求。
[0005]传统无人机无法实现高精度自主避障，因此只能实现在远离障碍物的高空进行自驾飞行，而在靠近障碍物的复杂飞行区域内，只能通过经验丰富的操控人员进行手动辅助飞行。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是针对现有技术中的不足，提供一种使无人机在复杂地形中具备高精度自主飞行能力的无人机高精度自主避障飞行方法。
[0007]为实现上述目的，本发明公开了如下技术方案:
[0008]一种无人机高精度自主避障飞行方法，包括如下步骤:
[0009](I)建立高精度地图模型:
[0010]1.1)当无人机负载作业设备到达指定作业区域后，通过差分GPS系统获得无人机的空间精准位置，并依据已知激光扫描系统与无人机的相对位置获得激光扫描系统的空间精准坐标；
[0011]1.2)惯性导航装置作为整个激光雷达系统的基准中心，实时获取无人机符合精度要求的姿态以及坐标位置；
[0012]1.3)将差分GPS的数据信息与惯性导航的数据信息汇集在存储计算控制模块中，进行解算修正和融合；
[0013]1.4)将步骤1.3中的数据信息传送到高速旋转的激光扫描头；
[0014]1.5)高速旋转的激光扫描头根据测距数据以及旋转角度快速计算出每个激光点的空间坐标；
[0015]1.6)向飞行控制系统和航路设计系统提供激光扫描系统的位置和姿态数据；
[0016]1.7)实现对高精度三维地图模型的建模；
[0017](2)三维航路规划飞行控制:
[0018]2.1)根据步骤(I)中建立好的高精度三维地图模型，在人机交互界面的高精度三维地图模型上准确的规划飞行路径；
[0019]2.2)将无人机精准位置信号和高精度三维地图模型结合，输出飞行控制信号；
[0020](3)将步骤(2)中的飞行控制信号输送至无人机飞行器伺服机构的舵机，通过改变舵机的位置从而达到控制的目的。
[0021 ] 进一步的，所述惯性导航装置由高精度的三轴陀螺仪以及三个坐标轴方向上的加速计组成。
[0022]进一步的，所述差分GPS系统由微型差分GPS模块实现。
[0023]进一步的，所述步骤2.1中的飞行路径规划为通过自动或人工手动的方式进行的。
[0024]进一步的，所述步骤(3)中改变舵机的位置的具体步骤为:无人机伺服机构的舵机由脉宽调制信号控制，利用占空比的变化，由DSP产生的多路并行脉宽调制信号，加上信号隔离驱动的舵机控制电路，从而改变舵机的位置。
[0025]进一步的，所述三维地图模型中包含所要飞行区域的所有空间坐标，这些空间坐标全部保存到三维飞行控制系统内，以3D地图界面方式出现，然后利用三维航路规划飞行控制算法计算飞行路径，此飞行路径保存在无人机控制系统中，当无人机进行作业时，无人机在飞行过程中通过差分GPS技术准确获知的无人机位置，并实时反馈给三维飞行控制系统。
[0026]进一步的，所述三维飞行控制系统内包括定位与导航模块。
[0027]进一步的，定位与导航模块用于完成以下功能:
[0028]I)解码计算机与GPS数据之间的通讯，包括定位数据的接收，GPS控制命令的发送、定位数据的处理；
[0029]2)进行航迹控制系统控制量的计算，在导航控制量计算的同时，利用机载传感器进行航程推算；
[0030]3)同时对风场进行估计，并利用估计的风场进行航位修正，以减少风场干扰；
[0031]4)导航计算模块与飞行控制计算机数据通讯系统会根据飞机当前回传数据与规划好的路径坐标进行高精度的对比运算，发出控制指令，及时修正无人机姿态及下一步飞行目标。
[0032]本发明公开的一种无人机高精度自主避障飞行方法，具有以下有益效果:
[0033]本发明借由微型差分GPS模块，解决了原有差分GPS体积大、重量重，无法装载在无人机等小型飞行器上的缺点，采用的微型差分GPS模块是原有设备体积和重量的几十分之一；无人机采用差分GPS技术，可以把无人机定位精度提升到厘米级，使无人机可以在飞行过程中实时获知自身准确的空间位置；采用激光扫描技术并结合差分GPS技术，可以获得所在区域地形环境的空间坐标，为自主避障规划航路提供支持；整个飞行过程位置控制误差在厘米级，确保了无人机能够沿事先规划的路径飞行，从而达到自动避开障碍物的效果，最后无人机飞到目的地实施作业等工作。
【附图说明】
[0034]图1是本发明的简易流程图；
[0035]图2是本发明的详细流程图。
【具体实施方式】
[0036]下面结合实施例并参照附图对本发明作进一步描述。
[0037]一种无人机高精度资助避障飞行方法，包括如下步骤:
[0038](I)建立高精度地图模型:
[0039]1.1)当无人机负载作业设备到达指定作业区域后，通过差分GPS系统获得无人机的空间精准位置，并依据已知激光扫描系统与无人机的相对位置获得激光扫描系统的空间精准坐标，其中差分GPS系统由微型差分GPS模块实现；
[0040]1.2)惯性导航装置作为整个激光雷达系统的基准中心，实时获取无人机符合精度要求的姿态以及坐标位置；
[0041]1.3)将差分GPS的数据信息与惯性导航的数据信息汇集在存储计算控制模块中，进行解算修正和融合；
[0042]1.4)将步骤1.3中的数据信息传送到高速旋转的激光扫描头；
[0043]1.5)高速旋转的激光扫描头根据测距数据以及旋转角度快速计算出每个激光点的空间坐标；
[0044]1.6)向飞行控制系统和航路设计系统提供激光扫描系统的位置和姿态数据；
[0045]1.7)实现对高精度三维地图模型的建模；
[0046](2)三维航路规划飞行控制:
[0047]2.1)根据步骤(I)中建立好的高精度三维地图模型，在人机交互界面的高精度三维地图模型上准确的规划飞行路径；
[0048]2.2)将无人机精准位置信号和高精度三维地图模型结合，输出飞行控制信号；
[0049](3)将步骤(2)中的飞行控制信号输送至无人机飞行器伺服机构的舵机，通过改变舵机的位置从而达到控制的目的，改变舵机位置的具体步骤为:无人机伺服机构的舵机由脉宽调制信号控制，利用占空比的变化，由DSP产生的多路并行脉宽调制信号，加上信号隔离驱动的舵机控制电路，从而改变舵机的位置。
[0050]本发明中，惯性导航装置由高精度的三轴陀螺仪以及三个坐标轴方向上的加速计组成；步骤2.1中的飞行路径规划可以通过自动或人工手动的方式进行。
[0051]本发明中，三维地图模型中包含所要飞行区域的所有空间坐标，这些空间坐标全部保存到三维飞行控制系统内，以3D地图界面方式出现，然后利用三维航路规划飞行控制算法计算飞行路径，此飞行路径保存在无人机控制系统中，当无人机进行作业时，无人机在飞行过程中通过差分GPS技术准确获知的无人机位置，并实时反馈给三维飞行控制系统。
[0052]三维飞行控制系统内包括定位与导航模块，定位与导航模块用于完成以下功能:
[0053]I)解码计算机与GPS数据之间的通讯，包括定位数据的接收，GPS控制命令的发送、定位数据的处理；
[0054]2)进行行及控制系统控制量的计算，在导航控制量计算的同时，利用机载传感器进行航程推算；
[0055]3)同时对风场进行估计，并利用估计的风场进行航位修正，以减少风场干扰；
[0056]4)导航计算模块与飞行控制计算机数据通讯系统会根据飞机当前回传数据与规划好的路径坐标进行高精度的对比运算，发出控制指令，及时修正无人机姿态及下一步的飞行目标。
[0057]见图1。无人机起飞后，通过三维激光扫描和地形建模技术，获得飞行区域厘米级地理信息，经过手动或者自动的飞行航线规划，利用飞行控制系统和差分GPS系统获得飞行中的准确信息位置，进行精准避障自主飞行。
[0058]见图2。无人机飞至目标所在区域，利用激光扫描设备进行地形建模，获得与目标物、障碍物相对位置，通过数据解算综合飞行动力学参数求得理想飞行航线，通过计算设备获得目标的飞行姿态，进而根据飞行姿态进行飞行控制，并利用惯性导航、差分GPS系统进行实时修正。其中，在进行地形建模时，由惯性导航(MU)、GPS系统、地面基站组成的POS系统，与激光扫描设备进行同步，激光扫描设备将数据存入存储控制单元，存储控制单元提供扫描点数据进行地形建模。
[0059]本发明实现了无人机高精度自主避障飞行，主要依托高精度地形建模、无人机精准定位，以及三维航路规划飞行控制等技术。
[0060]下面分