自主机器人的导航问题要有由 Leonard、Durrant等人[22]提出的三个基本问题“Where am I?”“ Where am I going?”“ How should I get there?”组成的。

针对于四旋翼无人机室内导航来说，其中第一个问题就是关于定位的问题，可以利用上述提到的激光扫描仪获取距离信息来确定四旋翼无人机的位置。首先，利用所采集的扫描点数据构建局部地图，把特征地图作为环境地图的表示方法；然后，对测量区域中的扫描点簇进行分割聚类，提取出具有明显特征的线段外廓并进行匹配成直线段；其次，采用经典的ICP扫描匹配算法匹配扫描所得的前后两次的数据，确定四旋翼无人机的实时位姿状态；最后，通过组合局部地图构建全局地图以明确四旋翼无人机在全局地图中的具体坐标。

第二个问题，对四旋翼导航而言是要明确任务目标的位置，即目标识别过程。在室内复杂环境中，通过设计避障算法绕开障碍物的阻碍保证平稳到达目标位置。仅依靠单一激光扫描仪还无法正确识别物体特征，可以结合摄像头视觉识别物体特征。当然，可以预先在全局地图中设置目标位置，通过比较四旋翼无人机实时定位的当前位置与处理建成的全局地图中目标的位置调整。根据位置控制回路，逐渐靠近任务目标位置。在飞

行过程中，不断调整飞行速度和航偏角以跟周围物体保持合适的距离。

第三个问题即是最优路径选择问题。根据不能碰触任何障碍物、飞行距离最短、调整位姿次数最少、耗时最少等原则，确定一条最佳飞行路线。利用当前局部地图已获得环境信息，设定不同的步长将飞行路线分段，在某段时间内到达子目标点，以此类推最后到达终点。

3  无人机系统模型的搭建

3。1  四旋翼飞行平台模型

为了简化飞行器的数学模型，需要进行相关的假设无人机为密度均匀的6个自由度的刚体，其中包括Yaw、Pitch、Roll三个轴的转动和沿着x、y、z轴的移动，如下图3。1所示。

                     图3。1  四旋翼无人机的坐标系的模型 论文网

为了准确的描述无人机的飞行状态，确定无人机的绝对位置需要用到地球坐标系，而确定相对位置则选择机身坐标系即可。地球坐标系食欲地球相固连的坐标系，OX轴表示沿着地平面的任意一个方向，OY轴与OZ轴构成平面与之垂直构成右手坐标系

3。2  激光传感器模型

3。2。1  激光测距的方法

利用激光进行测距主要有两种方式：一种是脉冲测距法，另一种是连续波测距法。

图3。2  激光扫描仪脉冲信号

脉冲测距方法，又称为飞行时间测距法（Time of Flight, TOF），主要应用于反射条

件变化很大的动态目标。典型的脉冲激光测距系统分为激光发射模块、双脉冲接收通道、时间判断模块、时间差监测模块和信号控制处理模块。

3。2。2  激光测距的原理

图3。3  激光扫描仪原理图

脉冲测距方法的工作原理是：激光器发射一个激光脉冲，内部定时器开始计时，这个脉冲经过分光器后，其中较少部分激光被直接送入接收器1，时间判断模块检测到信号后立即产生一个起始( START )信号并进行时间间隔计数，而剩余的大部分激光束向被测物体发射，经过距离D后到达物体表面并被反射。然后被接收器2中的光电检测装置接收并产生返回脉冲，这个返回脉冲信号经放大电路后被送入时间判断模块并输出一个终止( STOP )信号，停止计时并算出时间差。最后，时间差监测模块把所测得的发射和接收脉冲时间差传给处理控制单元，这样就可以计算出物体到扫描仪的距离：