无人机载激光雷达的振动抑制方法和系统

本发明涉及激光测量与无人机应用，具体涉及一种无人机载激光雷达的振动抑制方法和系统。

背景技术：

1、无人机机载激光雷达在测绘、地形勘测及水体测深等领域应用逐渐增多。由于无人机在实际飞行中会经历姿态调整、旋翼高频运转及环境风场扰动，机载平台及挂载的激光雷达系统往往伴随着持续性的振动。这些振动会对激光发射光轴指向、回波信号的相位与波形产生干扰，从而增加测距误差，影响点云数据的连续性与可信度。如何削弱机体振动对激光雷达测量性能的不利影响，是行业内一直关注的问题。

2、在现有技术中，针对机载激光雷达的振动抑制，绝对主流的方式为采用被动机械减震方案。公开号为cn112228507a的中国专利文献公开了一种无人机用激光雷达减震装置，采用硅胶减震垫与共同减震板连接，使雷达与天线相对位置固定以起到缓冲作用。授权公告号为cn113075685b的中国专利文献则公开了一种具有多级弹性件与斜面机构的联动结构，尝试通过机械结构的能量吸收来对机载雷达进行缓冲保护。然而，这类被动机械减震方案在工程实践中存在一定的局限性。被动减震主要依靠材料的弹性形变吸收振动能量，其减震带宽有限，在应对复杂多变的飞行环境时，对不同频率振动分量的抑制效果存在波动；同时，机械结构的增加提升了整机的负载和结构复杂度，在一些场合下难以兼顾减震效果与轻量化需求。此外，现有的被动机械减震系统缺乏主动感知当前瞬时振动状态并自适应调整控制逻辑的能力，在遇到突发强阵风或高频激振时，难以实时提供有效的抑制手段。

3、在基于硬件的实时处理方面，部分现有研究探讨了将fpga与惯性测量单元结合以提升激光雷达性能的技术途径。例如论文文献：武俊等.基于fpga的测风激光雷达双轴扫描转镜指向自适应控制系统.光学学报,2025,45(12):462-471.报道了基于fpga的激光指向自适应补偿控制系统，采用惯性测量单元测量激光雷达本体的姿态变化，通过fpga计算指向差值，补偿平台姿态的动态变化对测风激光雷达指向的影响。该类方案专注于解决姿态变化导致激光指向偏离目标的补偿问题，并未将机体的高频振动能量作为核心影响因子纳入闭环控制，也没有基于振动能量特征对激光雷达的采样时序进行主动调节。此外，传统的激光雷达电子快门控制通常采用独立的ttl外部触发或固定频率的转盘式机械快门同步机制。这些触发方式主要关注激光发射脉冲与接收器窗口之间的时间对齐，在触发策略的设计上并未引入与机体当前物理振动状态相关的判定逻辑。因此，即使在振动较为剧烈的时段，现有快门触发方式仍可能按照既定时序执行工作，使得回波信号落在振动干扰较明显的时刻。

技术实现思路

1、本发明的一个目的是解决以下问题：现有无人机机载激光雷达多依赖被动机械减震，缺乏实时感知机体瞬时振动能量并主动干预采样时序的能力。当遭遇强阵风等复杂工况时，平台振动导致激光回波畸变、测距误差增大，传统方案无法根据当前振动状态动态调整激光器的实际触发相位，从而难以在动态扰动环境下保证测距数据的稳定性。

2、为实现上述目的，本发明提供的一种无人机载激光雷达的振动抑制方法，包括以下步骤：步骤1，通过惯性测量单元实时采集无人机飞行过程中的姿态角、角速度及加速度信号；步骤2，fpga主控对采集的姿态角、角速度及加速度信号执行数据归一化、滑动平均滤波和快速傅里叶变换处理以提取主振动频率，基于主振动频率自适应调整计算窗口长度，并对经过多通道加权融合的综合振动信号计算滑动均方根值，获得瞬时振动能量数值；步骤3，根据瞬时振动能量数值与当前工况下的振动稳定判据值确定控制障碍函数安全边界，将安全边界构建为瞬时振动能量数值低于振动稳定判据值的状态，并以该状态作为约束条件，以最小化时序偏差为目标求解约束优化问题，输出最优触发时序补偿量；步骤4，判断瞬时振动能量数值是否低于振动稳定判据值，若是，则依据最优触发时序补偿量触发激光雷达的激光器与接收器同步工作。

3、优选地，步骤2中的数据归一化、滑动平均滤波、快速傅里叶变换处理、基于主振动频率自适应调整计算窗口长度、多通道加权融合以及滑动均方根值的计算，均由fpga主控内部的底层硬件流水线并行执行；步骤3中的约束优化问题由fpga主控内部的底层硬件流水线执行求解；多通道加权融合配置各信号通道的权重系数，依据为各轴向振动分量对激光雷达测距精度的物理敏感度差异，其中垂直方向加速度振动分量及俯仰角振动分量在多通道加权融合中分配的权重高于水平方向加速度振动分量及偏航角振动分量；fpga主控在一个采样周期内完成约束优化问题的求解并输出最优触发时序补偿量。

4、优选地，步骤4中，fpga主控内部还预设有快门触发判据值，快门触发判据值的数值小于振动稳定判据值；在瞬时振动能量数值低于振动稳定判据值时，fpga主控将瞬时振动能量数值与快门触发判据值进行比对；当瞬时振动能量数值小于快门触发判据值时，判定当前时刻处于稳定时间窗口；电子快门控制单元仅在稳定时间窗口内，依据最优触发时序补偿量触发激光雷达的激光器与接收器同步工作。

5、优选地，步骤4中，电子快门控制单元触发激光器与接收器同步工作后，获取激光器的发射时刻与接收器的回波接收时刻之间的时间差；电子快门控制单元根据时间差，动态微调下一采样周期中激光器与接收器的触发时刻，使下一采样周期的触发时刻与稳定时间窗口内的振动极小值相位相对应。

6、优选地，fpga主控实时记录预设采样周期内连续输出的瞬时振动能量数值；统计瞬时振动能量数值的波动幅度或标准差以生成环境扰动因子；基于环境扰动因子，动态更新振动稳定判据值和/或快门触发判据值。

7、优选地，激光器与接收器同步工作后，fpga主控获取接收器接收的激光回波信号并提取点云测量数据；对点云测量数据执行异常值剔除处理，滤除位于稳定时间窗口边界处的噪声数据，输出滤波后的点云测量数据。

8、优选地，底层硬件流水线中依次衔接有滑动平均滤波逻辑、快速傅里叶变换逻辑和滑动均方根计算逻辑；滑动平均滤波逻辑输出的低频姿态变量信号，直接沿底层硬件流水线内部的数据链路传输至快速傅里叶变换逻辑的输入端；快速傅里叶变换逻辑输出的主振动频率与滑动平均滤波逻辑输出的信号，在同一时钟节拍下同步传输至滑动均方根计算逻辑的输入端；滑动均方根计算逻辑基于接收的主振动频率调整计算窗口长度，并直接对接收的信号执行滑动均方根值的运算。

9、优选地，步骤2中多通道加权融合执行时，fpga主控将各信号通道滤波后的低频姿态变量与各自对应的权重系数进行实时乘积计算并求和，生成综合振动信号。

10、优选地，步骤3中求解约束优化问题时，fpga主控以控制障碍函数安全边界沿系统状态空间的李导数作为收敛约束条件，并通过引入严格递增的扩展k类函数，调节系统向安全边界内收敛的速率。

11、优选地，当fpga主控判定瞬时振动能量数值大于或等于振动稳定判据值时，fpga主控输出禁止触发信号至电子快门控制单元，电子快门控制单元在接收到禁止触发信号期间，停止触发激光器与接收器。

12、优选地，步骤1中惯性测量单元通过高速串行通信接口将采集的姿态角、角速度及加速度信号传输至fpga主控；fpga主控在接收到信号后，先执行时钟同步解析与数据有效性校验，再对校验通过的信号执行步骤2中的数据归一化。

13、本发明的一种无人机载激光雷达的振动抑制系统，包括惯性测量单元、fpga主控、激光器以及接收器；惯性测量单元输出无人机飞行过程中的姿态角、角速度及加速度信号；fpga主控与惯性测量单元相连，fpga主控内配置有数据处理单元、控制障碍函数（controlbarrier function，简称cbf）主动抑振单元以及电子快门控制单元；数据处理单元的输入端接收惯性测量单元输出的姿态角、角速度及加速度信号，数据处理单元的输出端输出瞬时振动能量数值；控制障碍函数主动抑振单元的输入端接收数据处理单元输出的瞬时振动能量数值，控制障碍函数主动抑振单元的输出端输出最优触发时序补偿量；电子快门控制单元的输入端分别接收瞬时振动能量数值和最优触发时序补偿量，电子快门控制单元的输出端分别与激光器和接收器相连。

14、本发明至少具有以下有益效果：

15、1、本技术通过惯性测量单元、fpga主控与激光雷达的硬件协同，在无人机机载测距领域形成了兼顾主动约束与被动采样的振动抑制机制。该技术方案首先将cbf的安全边界概念从传统的空间防撞场景，拓展至能够反映激光测距精度需求的振动能量安全集，并通过fpga主控内部的底层硬件流水线，以较短的运算周期完成信号特征的提取与最优触发时序补偿量的求解。这一主动约束过程有助于降低高幅值振动能量直接干扰激光发射与接收的几率，为后续的精确触发提供相对平稳的物理环境。

16、2、在物理机制层面，本技术所构建的cbf安全边界约束方法，利用了沿系统状态空间的李导数作为收敛约束，并通过扩展k类函数对系统向安全边界内收敛的速率进行调节，这种基于数学模型的约束方式能够在一定程度上抑制控制参数的突变或振荡。同时，引入数值更小的快门触发判据值，在cbf主动抑制所维持的安全集内部进一步筛选出极低振动能量的稳定时间窗口；电子快门控制单元获取激光器的发射时刻与接收器的回波接收时刻之间的时间差，并据此动态微调下一个采样周期的触发相位，使得激光发射与回波接收动作倾向于锁定在振动能量曲线的极小值相位处。从信号获取源头上看，这一协同机制有利于减小因采样时刻的偏离对回波光程差带来的干扰。

17、3、由于fpga主控内部的滑动平均滤波逻辑、快速傅里叶变换逻辑和滑动均方根计算逻辑在底层硬件流水线上形成了直接物理链路与同步触发结构，数据在不同处理模块之间的流转不需要经过额外的缓存调度，这有助于降低信号处理环节内部的传输延迟，使得系统在遭遇突发的风场扰动时，能够较快地根据实时变化的瞬时振动能量调整触发决策。在数据链路的前端，惯性测量单元通过高速串行通信接口向fpga主控传输信号时，fpga主控会先对接收到的信号执行时钟同步解析与数据有效性校验，这一流程有助于避免因电磁干扰造成的数据误码被引入随后的闭环控制过程，从而在一定程度上维持了振动特征提取环节的输入质量。

18、4、在数据输出端，fpga主控在获取激光回波信号并提取点云测量数据后，通过排除位于稳定时间窗口边界处的噪声数据，能够在一定程度上提升输出点云的信号纯净度。而针对极端恶劣工况，当瞬时振动能量数值大于或等于振动稳定判据值时，fpga主控会输出禁止触发信号至电子快门控制单元，使电子快门控制单元在接收到该信号期间停止激光器与接收器的触发，这一闭锁逻辑有利于防范异常触发对激光测距系统造成冲击。整体而言，本技术在无人机机载激光雷达动态振动抑制的实际应用场景中，为兼顾系统响应速度、触发定位精度以及数据输出的可靠性提供了一种可参考的硬件与算法结合的工程化解决方案。

19、本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。