一种适用于无人机测高定姿的激光传感器及其工作方法技术

本发明专利技术公开了一种适用于无人机测高定姿的激光传感器，包括发射镜头、第一脉冲激光二极管、第二脉冲激光二极管、第三脉冲激光二极管、3通道并行驱动电路、时序控制电路、激光回波接收镜头、第一光电转换器、第二光电转换器、第三光电转换器、3通道并行信号放大与鉴别电路、3路并行高精度时间‑数字转换电路、高度计算与姿态确定模块。本发明专利技术利用上述装置得到无人机与三个地面参考位置间的距离信息，基于空间几何及解析几何理论通过专设算法，得到无人机的高度和飞行姿态信息，克服了现有技术测量误差大、计算结果延迟高和算力要求高编程复杂等局限性，具有装置小、稳定性和实时性强、测量分辨率高、功耗低和算力要求低等优势。

A Laser Sensor for Height and Attitude Determination of UAV and Its Working Method

【技术实现步骤摘要】
一种适用于无人机测高定姿的激光传感器及其工作方法
本专利技术涉及无人机控制、激光探测、信号处理、导航
，具体而言涉及一种适用于无人机测高定姿的激光传感器及其工作方法。
技术介绍
在近些年来，无人机在军事，民用，科研等领域逐渐有了十分广泛的应用，特别是旋翼无人机，具有体积小，结构简单，控制方便等特点，可以在狭小的空间内执行复杂的任务。旋翼无人机是一个典型的欠驱动系统，具有多变量、强耦合、非线性等特性的系统，而且涉及学科众多，领域十分广泛，飞行过程中状态复杂。综合上述问题，旋翼无人机的测高以及定姿具有很大的困难。现有的无人机测高传感器系统多是利用传统的GPS，气压计，加速度计等传感器读取高度数据。然而这些传统的传感器本身的一些弊端在旋翼无人机这个需要高精度和实时性的系统中暴露得尤为明显。气压计的测量会受到大气波动影响，这导致气压计的测量值会出现较大误差波动，GPS是被动定位的，会受到GPS系统的关闭影响出现故障，加速度计随测量时间的加长会出现积分漂移的现象。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种适用于无人机测高定姿的激光传感器及其工作方法，能够克服现有技术测量误差大、计算结果延迟高和算法编程复杂等局限性，具有稳定性强、测量分辨率高、实时性强和算法简单等优势。为达成上述目的，结合图1，本专利技术提出一种适用于无人机测高定姿的激光传感器，所述激光传感器安装在无人机上。所述激光传感器包括发射镜头、第一脉冲激光二极管、第二脉冲激光二极管、第三脉冲激光二极管、3通道并行驱动电路、时序控制电路、激光回波接收镜头、第一光电转换器、第二光电转换器、第三光电转换器、3通道并行信号放大与鉴别电路、3路并行高精度时间-数字转换电路、高度计算与姿态确定模块。所述第一脉冲激光二极管、第二脉冲激光二极管和第三脉冲激光二极管与3通道并行驱动电路相连。所述第一光电转换器、第二光电转换器和第三光电转换器均与3通道并行信号放大与鉴别电路的输入端相连；3通道并行信号放大与鉴别电路的输出端与3路并行高精度时间-数字转换电路的输入端相连；3路并行高精度时间-数字转换电路的输出端和高度计算与姿态确定模块相连。所述时序控制电路与3通道并行驱动电路、3路并行高精度时间-数字转换电路和高度与姿态计算模块相连。所述第一脉冲激光二极管、第二脉冲激光二极管和第三脉冲激光二极管位于发射镜头的焦平面内，且以发射镜头的焦点为中心呈等边三角形分布。所述第一光电转换器、第二光电转换器和第三光电转换器位于激光回波接收镜头的焦平面内，且其通过激光回波接收镜头形成的接收视场分别覆盖由第一脉冲激光二极管、第二脉冲激光二极管和第三脉冲激光二极管通过发射镜头形成的发射视场。所述第一脉冲激光二极管、第二脉冲激光二极管和第三脉冲激光二极管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、第二光电转换器和第三光电转换器接收后，经3通道并行信号放大与鉴别电路放大和整形，并且发送至3路并行高精度时间-数字转换电路，3路并行高精度时间-数字转换电路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，高度计算与姿态确定模块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和无人机的飞行姿态参数。其中，所述无人机的飞行姿态参数包括俯仰角γ和横滚角将三个激光着地点构成的平面定义成测点平面，俯仰角γ为无人机纵轴线与测点平面的夹角，横滚角为无人机横轴线与与测点平面的夹角。进一步的，所述激光传感器还包括3通道增益控制电路。所述第一光电转换器、第二光电转换器和第三光电转换器均与3通道增益控制电路的输出端相连；所述时序控制电路与3通道增益控制电路相连。所述3通道增益控制电路用以控制第一光电转换器、第二光电转换器和第三光电转换器三个激光回波接收通道的增益值。基于前述激光传感器，本专利技术还提及一种适用于无人机测高定姿的激光传感器的工作方法，所述工作方法包括：S1：通过时序控制电路，使第一脉冲激光二极管、第二脉冲激光二极管和第三脉冲激光二极管同步发出三束激光信号至三个激光着地点。S2：获取第一脉冲激光二极管、第二脉冲激光二极管和第三脉冲激光二极管到三个激光着地点的距离分别为h1、h2和h3。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的相对位置，计算得到无人机到地面的距离和无人机的飞行姿态参数，包括无人机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和第二脉冲激光二极管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：在本专利技术中，激光雷达传感器装置不直接测量其与地面的高度，因为除了测高以外，飞行姿态的确认和调整是更为关键的一件事。在本专利技术中，我们首先利用探测器得到无人机与三个地面参考位置间的距离，然后利用空间几何以及解析几何的理论知识得到目标参数与已知量和测量之间的关系方程，最终得到无人机的高度数据和飞行姿态信息。以上本专利技术的技术方案，与现有相比，其显著的有益效果在于：(1)本专利技术中的传感器装置采用激光二极管作为其信号源，其具有分辨率高、抗干扰能力强、低空探测性能好、体积小质量轻等优点，非常适合应用于小型无人机的探测。(2)本专利技术相较传统的无人机高度探测装置例如GPS，气压计，加速度计等在测量误差、稳定性和实时性方面优势明显，并且结合本专利技术所提供的算法还可以得到无人机的实时飞行姿态，使无人机飞行控制更加精确，更有利于保证飞行器的稳定性。(3)本专利技术采用的算法是基于空间几何和解析几何的基础上实现的，计算精度高，算法计算量小编程简单，对处理器的要求不高，在当前无人机小型化，轻量化的基础上可以实现较好的成本控制。应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的专利技术主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的专利技术主题的一部分。结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本专利技术教导的前述和其他方面、实施例和特征。本专利技术的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本专利技术教导的具体实施方式的实践中得知。附图说明附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本专利技术的各个方面的实本文档来自技高网...

【技术保护点】
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)和高度与姿态计算模块(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。...

【技术特征摘要】
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)和高度与姿态计算模块(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。2.根据权利要求1所述的适用于无人机测高定姿的激光传感器，其特征在于，所述激光传感器还包括3通道增益控制电路(12)；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通道增益控制电路(12)的输出端相连；所述时序控制电路(6)与3通道增益控制电路(12)相连；所述3通道增益控制电路(12)用以控制第一光电转换器(8)、第二光电转换器(9)和第三光电转换器(10)三个激光回波接收通道的增益值。3.根据权利要求1所述的适用于无人机测高定姿的激光传感器，其特征在于，所述发射镜头(1)与激光回波接收镜头(7)的光轴平行，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)与第一脉冲激光二极管(2)、第二脉冲激光二...

【专利技术属性】
技术研发人员：田倚和，陈志富，
申请(专利权)人：南京拓曼思电气科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32