一種適用于低空無人機(jī)的高度測量系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種適用于低空無人機(jī)的高度測量系統(tǒng)，包括氣壓傳感器模塊、激光測高模塊、超聲波測高模塊和微控制器，氣壓傳感器模塊、激光測高模塊、超聲波測高模塊均與微控制器連接，微控制器通過數(shù)據(jù)接口與飛行控制計(jì)算機(jī)連接，本實(shí)用新型提出的低空高度測量系統(tǒng)，把氣壓高度、激光高度和超聲波高度結(jié)合起來，利用自適應(yīng)加權(quán)平均算法融合三種數(shù)據(jù)，得到適合低空無人機(jī)飛行的高精度的高度數(shù)據(jù)，適合無人機(jī)低空和超低空飛行對(duì)高度數(shù)據(jù)的要求，尤其適合無人機(jī)自主飛行中的起飛和著陸過程。
【專利說明】一種適用于低空無人機(jī)的高度測量系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及無人機(jī)飛行高度測量【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]無人機(jī)在起飛和著陸過程當(dāng)中，尤其是在自主飛行中的起飛和著陸中，對(duì)高度數(shù)據(jù)有高精度的要求。無人機(jī)目前使用的高度計(jì)主要有氣壓高度計(jì)、無線電高度計(jì)、GPS高度計(jì)、超聲波高度計(jì)等。氣壓高度計(jì)測量范圍寬，但誤差較大；無線電高度計(jì)測量準(zhǔn)確，但容易受到無線電信號(hào)的干擾；GPS高度計(jì)存在信號(hào)不穩(wěn)定的問題；超聲波高度計(jì)測量范圍太小。無人機(jī)在低空飛行時(shí)，尤其是在起飛和著陸時(shí)對(duì)高度的測量有很高的要求，因而迫切需要解決無人機(jī)低空飛行時(shí)的高度測量問題。專利201010596672.5中提出了把氣壓高度計(jì)、無線電高度計(jì)和超聲波高度計(jì)的值進(jìn)行閾值判斷選擇一種或兩種平均值的方法。這種方法忽略了三種高度計(jì)的缺點(diǎn)，而且在不同閾值范圍內(nèi)的切換和數(shù)據(jù)處理方法在實(shí)際使用中會(huì)存在問題，不適合在低空飛行時(shí)無人機(jī)對(duì)高度測量的需求。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0003]本實(shí)用新型的目的是提供一種適用于低空無人機(jī)的高度測量系統(tǒng)及方法。把氣壓高度、激光高度和超聲波高度結(jié)合起來，利用自適應(yīng)加權(quán)平均算法融合三種數(shù)據(jù)，得到適合低空無人機(jī)飛行的聞精度的聞度數(shù)據(jù)。
[0004]為解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案為:
[0005]一種適用于低空無人機(jī)的高度測量系統(tǒng)，包括氣壓傳感器模塊、激光測高模塊、超聲波測高模塊和微控制器，氣壓傳感器模塊、激光測高模塊、超聲波測高模塊均與微控制器連接，微控制器通過數(shù)據(jù)接口與飛行控制計(jì)算機(jī)連接。
[0006]所述氣壓傳感器模塊采用BMP085傳感器。
[0007]所述激光測高模塊包括激光發(fā)射接收部分和計(jì)時(shí)部分。所述計(jì)時(shí)部分采用TDC-GP22計(jì)時(shí)器，激光發(fā)射部分采用半導(dǎo)體脈沖激光二極管發(fā)射激光，激光波長905nm，峰值功率75W，型號(hào)為SPL PL90_3半導(dǎo)體脈沖激光二極管，接收器件為AD500-9 T052S1雪崩
光電管。
[0008]超聲波測高模塊包括超聲波傳感器部分和計(jì)時(shí)部分。所述計(jì)時(shí)部分采用TDC-GP22計(jì)時(shí)器。
[0009]應(yīng)用上述適用于低空無人機(jī)的高度測量系統(tǒng)的測量方法，包括以下步驟:
[0010](I)對(duì)原始?xì)鈮焊叨葦?shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘濾波，濾除系統(tǒng)噪聲干擾，之后進(jìn)行溫度補(bǔ)償校正和最小二乘擬合，得到海拔高度數(shù)據(jù)；
[0011](2)計(jì)算相對(duì)高度，相對(duì)高度=AX氣壓相對(duì)高度+BX激光高度+CX超聲波高度，其中A、B、C為加權(quán)系數(shù)，且A+B+C = 1，氣壓相對(duì)高度=飛行實(shí)時(shí)氣壓高度-起飛時(shí)刻氣壓高度；
[0012](3)微控制器把三種數(shù)據(jù)融合后，通過CAN、RS485或者UART接口中任意一個(gè)接口與外部的飛行控制計(jì)算機(jī)連接。
[0013]本實(shí)用新型的有益效果在于:
[0014]本實(shí)用新型提出的低空高度測量系統(tǒng)，把氣壓高度、激光高度和超聲波高度結(jié)合起來，利用自適應(yīng)加權(quán)平均算法融合三種數(shù)據(jù)，得到適合低空無人機(jī)飛行的高精度的高度數(shù)據(jù)，適合無人機(jī)低空和超低空飛行對(duì)高度數(shù)據(jù)的要求，尤其適合無人機(jī)自主飛行中的起飛和著陸過程。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
[0016]圖1為高度測量系統(tǒng)原理框圖。
[0017]圖2為高度數(shù)據(jù)處理流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018]如圖1所示，一種適用于低空無人機(jī)的高度測量系統(tǒng)，包括氣壓傳感器模塊、激光測高模塊、超聲波測高模塊和微控制器，氣壓傳感器模塊、激光測高模塊、超聲波測高模塊均與微控制器連接，微控制器通過數(shù)據(jù)接口與飛行控制計(jì)算機(jī)連接。
[0019]所述氣壓傳感器模塊采用BMP085傳感器。氣壓傳感器感測到大氣壓力數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理后將大氣壓數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成海拔高度。此外大氣壓力還受到諸如溫度等因素的影響，因此必須對(duì)大氣數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度補(bǔ)償校正。BMP085是一種高精度、超低能耗的數(shù)字壓力傳感器。傳感器通過I2C端口將數(shù)據(jù)傳送給微控制器STM32F103ZET6，經(jīng)過計(jì)算即可得到當(dāng)前的氣壓值和溫度值。氣壓測量范圍為300-1 IOOhPa (海拔高度_500m?+9000m)，絕對(duì)精度可以達(dá)到 0.03hPa (0.25m)。
[0020]但是通過氣壓傳感器得到的高度數(shù)據(jù)為海拔高度，而且高度誤差在2_3m，因而必須結(jié)合其它傳感器的數(shù)據(jù)來校正。
[0021]所述激光測高模塊包括激光發(fā)射接收部分和計(jì)時(shí)部分。所述計(jì)時(shí)部分采用TDC-GP22計(jì)時(shí)器，分辨率達(dá)到90ps。采用半導(dǎo)體脈沖激光二極管發(fā)射激光，激光波長905nm,峰值功率75W，型號(hào)為OSRAM公司的SPL PL90_3半導(dǎo)體脈沖激光二極管。接收器件APD為First Sensor公司的AD500-9 T052S1雪崩光電管。微控制器發(fā)出STARTl啟動(dòng)信號(hào)，激光發(fā)射電路工作，發(fā)射激光信號(hào)，通過分光鏡得到激光發(fā)射起始信號(hào)送給STOPl。等到激光遇到地面物體反射回來信號(hào)后，經(jīng)過APD (雪崩二級(jí)管)檢測到接收信號(hào)送到ST0P2，這樣GP22就可以計(jì)算出從STOPl到ST0P2的時(shí)間間隔(0-2.5us)，滿足高精度測高的要求。
[0022]根據(jù)公式h = c* Λ t/2 (其中c為光速299792458米/秒，Λ t為激光傳播時(shí)間差，單位秒山為測量的高度值，單位米)，可以計(jì)算出高度值。經(jīng)過實(shí)測，測高精度達(dá)到18cm，工作高度達(dá)到800m，工作盲區(qū)有40cm。
[0023]盡管測高精度達(dá)到18cm，但工作盲區(qū)有40cm，即距離地面40cm以下測不出來高度值。這是就要使用另外一種高精度測高傳感器-超聲波傳感器。
[0024]超聲波測高模塊包括超聲波傳感器部分和計(jì)時(shí)部分。所述計(jì)時(shí)部分采用TDC-GP22計(jì)時(shí)器。超聲波測高的工作原理與激光測高是一樣的。超聲波傳感器采用Senscomp公司的7000系列靜電超聲波換能器，工作頻率50KHz。微控制器發(fā)出START2啟動(dòng)信號(hào)，發(fā)射超聲波后，檢測出起始信號(hào)，送到TDC-GP22的ST0P1，接收到回波后檢測出到達(dá)信號(hào)，送給TDC-GP22的ST0P2，計(jì)時(shí)器TDC-GP22計(jì)算出時(shí)間差送給微控制器處理。由于采用了高精度計(jì)時(shí)器TDC-GP22，測高精度理論上達(dá)到微米級(jí)，但由于實(shí)際工作環(huán)境的限制，實(shí)測精度達(dá)到3mm。限于超聲波測量原理，工作距離只有10m。
[0025]高度數(shù)據(jù)處理工作過程:
[0026]氣壓高度計(jì)工作范圍最大，但精度低；激光高度計(jì)工作距離適中，精度高，但存在盲區(qū)；超聲波高度計(jì)工作距離短，但精度最高。本高度測量系統(tǒng)正是利用了各個(gè)傳感器的特長和優(yōu)勢，互相彌補(bǔ)，從而實(shí)現(xiàn)了高精度低空無人機(jī)的高度測量系統(tǒng)。
[0027]三種高度數(shù)據(jù)的采集頻率為100Hz，滿足無人機(jī)導(dǎo)航的需求。三種高度數(shù)據(jù)進(jìn)入微控制器后采用同質(zhì)多傳感器數(shù)據(jù)融合原理進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最終得到高精度的高度信息。
[0028]如圖2所示，應(yīng)用上述適用于低空無人機(jī)的高度測量系統(tǒng)的測量方法，包括以下步驟:
[0029](I)對(duì)原始?xì)鈮焊叨葦?shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘濾波，濾除系統(tǒng)噪聲干擾，之后進(jìn)行溫度補(bǔ)償校正和最小二乘擬合，得到海拔高度數(shù)據(jù)。
[0030](2)計(jì)算相對(duì)高度，相對(duì)高度=AX氣壓相對(duì)高度+BX激光高度+CX超聲波高度，其中A、B、C為加權(quán)系數(shù)，且A+B+C = 1，氣壓相對(duì)高度=飛行實(shí)時(shí)氣壓高度-起飛時(shí)刻
氣壓高度。
[0031]根據(jù)各類傳感器的特點(diǎn)，以氣壓相對(duì)高度為測量參考，系數(shù)A、B、C選取如下:
[0032]高度在Im 以下時(shí):A = O, B = O, C = 1.0 ；
[0033]高度在lm_6m 時(shí):A = 0,B = 0.1,C = 0.9;
[0034]高度在6m_10m 時(shí):A = 0,B = 0.8,C = 0.2;
[0035]高度在IOm-1OOm 時(shí):A = 0.1, B = 0.9, C = O ;
[0036]高度在100m_600m 時(shí):A = 0.2，B = 0.8，C = O;
[0037]高度在600m-800m 時(shí):A = 0.8，B = 0.2，C = O;
[0038]高度在800m 以上時(shí):A = 1.0, B = O, C = O ;
[0039](3)微控制器把三種數(shù)據(jù)融合后，通過CAN、RS485或者UART接口的任意一個(gè)接口與外部的飛行控制計(jì)算機(jī)連接。
[0040]以上公開的僅為本專利的具體實(shí)施例，但本專利并非局限于此，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本實(shí)用新型原理的前提下，做出的變形應(yīng)視為屬于本實(shí)用新型保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種適用于低空無人機(jī)的高度測量系統(tǒng)，其特征在于:包括氣壓傳感器模塊、激光測高模塊、超聲波測高模塊和微控制器，氣壓傳感器模塊、激光測高模塊、超聲波測高模塊均與微控制器連接，微控制器通過數(shù)據(jù)接口與飛行控制計(jì)算機(jī)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種適用于低空無人機(jī)的高度測量系統(tǒng)，其特征在于:所述氣壓傳感器模塊采用BMP085傳感器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種適用于低空無人機(jī)的高度測量系統(tǒng)，其特征在于:所述激光測高模塊包括激光發(fā)射接收部分和計(jì)時(shí)部分。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種適用于低空無人機(jī)的高度測量系統(tǒng)，其特征在于:所述計(jì)時(shí)部分采用TDC-GP22計(jì)時(shí)器，激光發(fā)射部分采用半導(dǎo)體脈沖激光二極管發(fā)射激光，激光波長905nm，峰值功率75W，型號(hào)為SPL PL90_3半導(dǎo)體脈沖激光二極管，接收器件為AD500-9T052S1雪崩光電管。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種適用于低空無人機(jī)的高度測量系統(tǒng)，其特征在于:超聲波測高模塊包括超聲波傳感器部分和計(jì)時(shí)部分。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種適用于低空無人機(jī)的高度測量系統(tǒng)，其特征在于:所述計(jì)時(shí)部分采用TDC-GP22計(jì)時(shí)器。
【文檔編號(hào)】G01C5/06GK203385413SQ201320346747
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2013年6月18日 優(yōu)先權(quán)日:2013年6月18日
【發(fā)明者】楊小平, 周國清, 秦子建, 李小霞, 高守行, 張彪, 劉源, 申慶華, 韋波, 龔克, 李新 申請人:桂林理工大學(xué), 桂林航龍科訊電子技術(shù)有限公司