專利名稱：一種應(yīng)用于無人駕駛飛機(jī)的組合導(dǎo)航系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及導(dǎo)航領(lǐng)域，具體來說是一種應(yīng)用于無人駕駛飛機(jī)的組合導(dǎo)航系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
無人機(jī)(Unmanned Aerial Vehicle,縮寫為UAV)是無人駕駛飛行器的簡稱，它是由機(jī)內(nèi)控制系統(tǒng)自主控制執(zhí)行任務(wù)或由機(jī)外控制站發(fā)遙控指令操縱執(zhí)行任務(wù)的飛行器，主要由機(jī)體、動(dòng)力系統(tǒng)、導(dǎo)航與控制系統(tǒng)、起飛和回收裝置以及電子設(shè)備等組成，其相對(duì)有人駕駛飛機(jī)具有體積小、重量輕、滑跑距離短、造價(jià)低和隱蔽性好等特點(diǎn)。
隨著技術(shù)的發(fā)展，無人機(jī)的使用范圍擴(kuò)展到了從軍事應(yīng)用到科學(xué)研究的廣泛領(lǐng)域。在軍事方面，無人機(jī)得益于其強(qiáng)大的功能和低廉的使用成本，已逐漸替代有人機(jī)在偵察與電子支援、電子戰(zhàn)和空中作戰(zhàn)領(lǐng)域得到了或即將得到廣泛的使用，如美國軍方研制的捕食者無人偵察機(jī)和"全球鷹"(Global Hawk)高空長航時(shí)無人偵察機(jī)，英國于2008年6月在6000公里之
外進(jìn)行遙控并對(duì)目標(biāo)發(fā)動(dòng)攻擊的"死神"無人機(jī)等。民用方面則主要用于氣象探測、災(zāi)害監(jiān)測、地質(zhì)勘測、地圖測繪、交通管制和邊境控制等，如2008年在四川大地震中進(jìn)行震情調(diào)查的無人機(jī)。
無人機(jī)導(dǎo)航是指無人機(jī)依賴機(jī)載的導(dǎo)航設(shè)備和飛行控制系統(tǒng)來進(jìn)行定位和控制并最終完成飛行任務(wù)。目前國內(nèi)外研究的用于實(shí)現(xiàn)無人機(jī)導(dǎo)航方法包括遙控指揮、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(Inertial Navigation System, INS)、衛(wèi)星導(dǎo)航、組合導(dǎo)航等。目前也逐漸開展視覺導(dǎo)航系統(tǒng)的研究，但基本上都是以GPS衛(wèi)星導(dǎo)航為主，其他三種導(dǎo)航方式為輔的方案。然而，由于無人機(jī)，特別是作戰(zhàn)用小型無人機(jī)，其應(yīng)用的電磁環(huán)境惡劣，遙控通訊鏈路難以維持，GPS信號(hào)也容易受干擾從而導(dǎo)致甚至GPS衛(wèi)星導(dǎo)航方法無法使用。
在此情況下，研究一種適應(yīng)于無人機(jī)應(yīng)用環(huán)境，并且具有較高導(dǎo)航精度的導(dǎo)航方法成為無人機(jī)發(fā)展的當(dāng)務(wù)之急。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)由于其結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，能夠自主、實(shí)時(shí)提供全面導(dǎo)航信息，短時(shí)精度高，從而得到了廣泛的應(yīng)用。景象匹配導(dǎo)航方法由于其只需要飛行路徑點(diǎn)上的某些地區(qū)圖像，可以實(shí)現(xiàn)完全脫離控制的導(dǎo)航，從而受到了研究者的重視，并且已經(jīng)進(jìn)入了實(shí)用化階段。但是景象匹配導(dǎo)航必須事先得到飛行路徑點(diǎn)上的某些區(qū)域圖像，這在某種應(yīng)用情況下受到了制約，在此情況下提出了未知環(huán)境下的視覺導(dǎo)航問題。未知環(huán)境下的視覺導(dǎo)航方法依據(jù)地面特征點(diǎn)在攝像機(jī)圖像中的位置變化與飛行器位置和姿態(tài)的變化之間的關(guān)系，通過實(shí)時(shí)獲得地面圖像的特征點(diǎn)信息并與機(jī)載慣性傳感器(加速度計(jì)和陀螺儀)、無線電高度計(jì)信息融合，從而得到對(duì)自身姿態(tài)、速度和位置的估計(jì)。該方法不需要任何外部信息，具有抗干擾性能好、能適應(yīng)未知環(huán)境、短時(shí)間導(dǎo)航精度高、信息全面等優(yōu)點(diǎn)，伹是它的導(dǎo)航誤差仍然隨著時(shí)間累積，在實(shí)際應(yīng)用中仍然受到某些制約。除了上述導(dǎo)航方法之外，近年來隨著通信技術(shù)的發(fā)展，將無線通信信號(hào)應(yīng)用于導(dǎo)航也得到了廣泛的研究，根據(jù)所采用的原理不同，該方法接收不同通信基站發(fā)出的基站位置信息或者不同基站到達(dá)接收機(jī)的信號(hào)時(shí)間差對(duì)自身進(jìn)行定位。然而，由于該方法的原理性限制，在求解自身位置時(shí)出現(xiàn)多解的情況，需要另外的導(dǎo)航方法提供求解初值，因此，在要求一定精度的應(yīng)用環(huán)境下該方法無法單獨(dú)使用。雖然上述方法有各種不足，但是如果將它們組合起來將發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)未知環(huán)境下的無人機(jī)自主導(dǎo)航系統(tǒng)。該方法可以克服現(xiàn)有的無人機(jī)導(dǎo)航方法依賴外部信息(GPS導(dǎo)航)，誤差累積(慣性導(dǎo)航)等不足，可以將無人機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展至遮擋、干擾嚴(yán)重、敵方、事先信息貧乏等地區(qū)，甚至在經(jīng)過修改之后可以應(yīng)用于行星探測、水下等多種場合，具有十分重要的意義。同時(shí)，該方法也可應(yīng)用于有人飛機(jī)、飛艇等航空器的導(dǎo)航控制。
發(fā)明 內(nèi) 容
本發(fā)明采用慣性、蜂窩網(wǎng)無線定位、未知環(huán)境下視覺導(dǎo)航和景象匹配導(dǎo)航四種方式的組合，并且根據(jù)各種分系統(tǒng)的特征采用了各自不同的數(shù)據(jù)有效性判斷策略，提出一種基于無人駕駛飛機(jī)組合導(dǎo)航系統(tǒng)。適合于組合導(dǎo)航系統(tǒng)，同時(shí)也適合于有人駕駛飛機(jī)導(dǎo)航參考信息獲取。
本發(fā)明主要包括傳感器模塊、導(dǎo)航模塊、濾波器模塊。
傳感器模塊獲取進(jìn)行飛行器導(dǎo)航所必需的加速度、角速度、相對(duì)高度、下視圖像和蜂窩
網(wǎng)信號(hào)等；導(dǎo)航模塊對(duì)傳感器模塊獲取的信號(hào)進(jìn)行導(dǎo)航解算，各部分分別輸出包含誤差的導(dǎo)航解算結(jié)果；濾波器模塊用于對(duì)導(dǎo)航模塊輸出信息進(jìn)行融合從而得到相對(duì)較為精確的飛行器狀態(tài)估計(jì)，包括飛行器位置、速度、姿態(tài)和傳感器誤差等。
所述傳感器模塊包括慣性傳感器、無線電高度計(jì)、攝像機(jī)和通訊模塊。其中慣性傳感器包括三個(gè)加速度計(jì)和三個(gè)陀螺儀，用來采集飛行器的加速度和角速度信息等數(shù)據(jù)；無線電高度計(jì)測量得到當(dāng)前飛行器相對(duì)于地面的相對(duì)高度數(shù)據(jù)；攝像機(jī)采集飛行器當(dāng)前位置的下視圖像用于視覺導(dǎo)航和景象匹配導(dǎo)航；通訊單元獲取至少三個(gè)蜂窩網(wǎng)通訊基站的通信信號(hào)用于通信定位。最后將這些信息發(fā)送到信息總線上，由各個(gè)導(dǎo)航模塊根據(jù)需要從信息總線上獲取相
應(yīng)數(shù)據(jù)。
所述導(dǎo)航模塊分為慣性導(dǎo)航模塊、視覺導(dǎo)航模塊、景象匹配導(dǎo)航模塊、通信定位模塊四部分。其中，慣性導(dǎo)航t莫塊從信息總線上獲取慣性數(shù)據(jù)與高度數(shù)據(jù)進(jìn)行導(dǎo)航解算；視覺導(dǎo)航模塊從信息總線上獲取慣性數(shù)據(jù)和圖像數(shù)據(jù)，構(gòu)建濾波狀態(tài)和觀測方程，采用非線性濾波方法估計(jì)飛行器當(dāng)前的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；景象匹配導(dǎo)航模塊從信息總線上獲取高度數(shù)據(jù)對(duì)攝像機(jī)釆集的圖像在預(yù)先裝載的地圖庫中進(jìn)行匹配定位，并且根據(jù)系統(tǒng)誤差方程對(duì)傳感器誤差進(jìn)行濾波估計(jì)；通信定位模塊接收信息總線上的通訊信號(hào)，采用到達(dá)信號(hào)時(shí)間差方法對(duì)飛行器進(jìn)行三維定位。
所述濾波器申莫塊釆用了聯(lián)邦卡爾曼濾波器，其主要由一個(gè)主濾波器與第一、第二、第三、第四共四個(gè)子濾波器組成濾波器組成，每個(gè)子濾波器分別用來處理導(dǎo)航模塊中各個(gè)單元的信息濾波融合，并通過每個(gè)子濾波器的故障檢測功能對(duì)輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行有效性判定，最后將無故障的導(dǎo)航信息發(fā)送到濾波器，通過主濾波器對(duì)各個(gè)子濾波器輸出的導(dǎo)航信息進(jìn)行濾波融合，從而得到對(duì)飛行器的定位結(jié)果。
第一子濾波器主要對(duì)慣性導(dǎo)航模塊由信息總線上獲取的慣性數(shù)據(jù)和高度數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理，得到飛行器運(yùn)動(dòng)信息(位置、速度和姿態(tài))；
第二子濾波器從信息總線上獲取慣性數(shù)據(jù)構(gòu)建狀態(tài)方程，再將高度數(shù)據(jù)和從攝像機(jī)釆集到的圖像中提取特征點(diǎn)信息作為觀測量構(gòu)建觀測方程，將兩個(gè)方程結(jié)合進(jìn)行濾波估計(jì)從而得到第二子濾波器對(duì)飛行器狀態(tài)(姿態(tài)、速度和位置)的估計(jì)。第二子濾波器工作條件為攝像機(jī)獲取的圖象質(zhì)量良好、特征點(diǎn)提取準(zhǔn)確并且匹配效果具有較強(qiáng)的魯棒性；
所述狀態(tài)方程為
1) + F"(A:-l)Af，-+ +< (A: -1) +(A: - (拳
其中，^為濾波周期數(shù)，,("、、 ^"W分別表示當(dāng)前飛行器的位置、速度和姿態(tài)，、 W(A:)和g"分別為當(dāng)前加速度計(jì)測得的比力、陀螺儀輸出的角速度和重力加
<formula>formula see original document page 7</formula>速度向量，AZ為解算周期。G"(A:-1)和《(A;-l)為姿態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣。
第三子濾波器為斷續(xù)工作方式。由于機(jī)載處理器和存儲(chǔ)空間限制，因此，只能在預(yù)先設(shè)定的景象匹配區(qū)域上進(jìn)行景象匹配，第三子濾波器對(duì)主濾波器輸出的位置信息進(jìn)行不間斷檢測，當(dāng)發(fā)現(xiàn)飛行器已經(jīng)進(jìn)入預(yù)先設(shè)定的景象匹配區(qū)域之后啟動(dòng)該部分進(jìn)行景象匹配并且對(duì)系統(tǒng)位置進(jìn)行校正。第三子濾波器的濾波結(jié)構(gòu)中釆用系統(tǒng)誤差傳遞方程作為狀態(tài)方程，將當(dāng)前景象匹配位置和導(dǎo)航位置之差作為觀測量進(jìn)行濾波估計(jì)，從而得到對(duì)傳感器誤差和導(dǎo)航誤差的估計(jì)；
第四子濾波器接收蜂窩網(wǎng)通訊基站的通訊信號(hào)作為定位信息來源，從主濾波器輸出的導(dǎo)航信息中得到當(dāng)前位置(含較大誤差)作為解算初值進(jìn)行蜂窩網(wǎng)定位。第四子濾波器采用系統(tǒng)誤差傳遞方程作為狀態(tài)方程，將當(dāng)前蜂窩網(wǎng)定位位置輸出和導(dǎo)航位置之差作為觀測量進(jìn)行濾波估計(jì)，得到對(duì)傳感器誤差和導(dǎo)航誤差的估計(jì)；
所述蜂窩網(wǎng)無線定位通過通信單元接收到至少三個(gè)地面基站無線通訊信號(hào)，并將其兩兩之間進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)算從而得到不同信號(hào)之間的到達(dá)時(shí)間差；然后將其他導(dǎo)航系統(tǒng)輸出作為迭
代計(jì)算初始值求解定位輸出，該輸出為一條曲線，因此需要利用高度計(jì)的高度輸出進(jìn)行三維定位；
各子濾波器輸出還需要進(jìn)行數(shù)據(jù)有效性判定，設(shè)計(jì)故障檢測函數(shù)",(A:)，其算式如下《(A) = z,- i/,A (A: I A: -1)《(A) =(^ (A: I A: - (A:) +及,
z,("為濾波觀測量，/Z,(A:)為濾波輸出矩陣，i,(A:IA:-l)是狀態(tài)一步預(yù)測向量，i^lA:-l)為方差預(yù)測矩陣，《(W為觀測誤差方差陣。
根據(jù)濾波定義，有A("服從/分布。當(dāng)馬(">^時(shí)認(rèn)為對(duì)應(yīng)該子濾波器輸出數(shù)據(jù)不可用，應(yīng)予切除；當(dāng)A("〈^時(shí)則認(rèn)為子濾波器無故障。？L為預(yù)先定義的閾值，表示誤報(bào)警率。當(dāng)取誤報(bào)警率P,。-"時(shí)，可由尸,。=尸[4>&|仏]="式?jīng)Q定閾值7;。
最后主濾波器對(duì)各個(gè)子濾波器輸出的導(dǎo)航信息進(jìn)行濾波融合，從而得到飛行器狀態(tài)和傳感器誤差的精確估計(jì)。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于
(1)將慣性導(dǎo)航、視覺導(dǎo)航、景象匹配導(dǎo)航和通信定位方法相結(jié)合得到一種無人機(jī)組合導(dǎo)航系統(tǒng)，具有實(shí)用性好、誤差小的優(yōu)點(diǎn)；
(2) 采用聯(lián)邦卡爾曼濾波方法對(duì)以上四種信息進(jìn)行融合，并且l艮據(jù)故障診斷算法對(duì)各獨(dú)立算法輸出數(shù)據(jù)的有效性進(jìn)行判斷，提高了系統(tǒng)的可靠性；
(3) 該方法充分利用了慣性導(dǎo)航、視覺導(dǎo)航不需要外部信息和事先信息，景象匹配和通信定位精度高的優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)在任何環(huán)境下的定位導(dǎo)航。


圖i是本發(fā)明的系統(tǒng)框圖；圖2為濾波器部分結(jié)構(gòu)框圖；圖3為蜂窩網(wǎng)定位方法流程具體實(shí)施例方式
下面將結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
本發(fā)明主要包括傳感器模塊、導(dǎo)航模塊、濾波器模塊。
如圖1所示，傳感器模塊1獲取進(jìn)行飛行器導(dǎo)航所必需的加速度、角速度、相對(duì)高度、
下視圖像和蜂窩網(wǎng)信號(hào)等；導(dǎo)航模塊2對(duì)傳感器模塊1獲取的信號(hào)進(jìn)行導(dǎo)航解算，各部分分別輸出包含誤差的導(dǎo)航解算結(jié)果；濾波器模塊3用于對(duì)導(dǎo)航模塊2輸出信息進(jìn)行融合從而得到相對(duì)較為精確的飛行器狀態(tài)估計(jì)，包括飛行器位置、速度、姿態(tài)和傳感器誤差等。
所述傳感器模塊1包括慣性傳感器101、無線電高度計(jì)102、攝像機(jī)103和通訊模塊104等，其中慣性傳感器101包括三個(gè)加速度計(jì)和三個(gè)陀螺儀，用來釆集飛行器載體的加速度和角速度信息等慣性數(shù)據(jù)；無線電高度計(jì)102測量得到當(dāng)前飛行器相對(duì)于地面的相對(duì)高度數(shù)據(jù)；攝像機(jī)103采集飛行器當(dāng)前位置的下視圖像用于視覺導(dǎo)航和景象匹配導(dǎo)航；通訊模塊104獲取至少三個(gè)蜂窩網(wǎng)通訊基站的通信信號(hào)用于通信定位。最后將這些信息發(fā)送到信息總線上，由各個(gè)導(dǎo)航*莫塊根據(jù)需要從信息總線上獲取相應(yīng)數(shù)據(jù)。
所述導(dǎo)航模塊2分為慣性導(dǎo)航模塊201、視覺導(dǎo)航模塊202、景象匹配導(dǎo)航模塊203、通信定位模塊204四部分。其中，慣性導(dǎo)航模塊201從信息總線上獲取慣性數(shù)據(jù)與高度數(shù)據(jù)進(jìn)行導(dǎo)航解算；視覺導(dǎo)航模塊202從信息總線上獲取慣性數(shù)據(jù)和圖像數(shù)據(jù)，構(gòu)建濾波狀態(tài)和觀測方程，采用非線性濾波方法估計(jì)飛行器當(dāng)前的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；景象匹配導(dǎo)航模塊203從信息總線上獲取高度數(shù)據(jù)對(duì)攝像機(jī)103采集的圖像在預(yù)先裝載的地圖庫中進(jìn)行匹配定位，并且根據(jù)系統(tǒng)誤差方程對(duì)傳感器誤差進(jìn)行濾波估計(jì)；通信定位模塊204接收信息總線上的通訊信號(hào)，采用到達(dá)信號(hào)時(shí)間差方法對(duì)飛行器進(jìn)行三維定位。
所述濾波器模i央3采用了聯(lián)邦卡爾曼濾波器，其主要由1個(gè)主濾波器與4個(gè)子濾波器組成，每個(gè)子濾波器分別用來處理導(dǎo)航模塊2中各個(gè)模塊的信息濾波融合，并通過每個(gè)子濾波器的故障檢測功能進(jìn)行數(shù)據(jù)有效性判定，最后將無故障的導(dǎo)航信息發(fā)送主濾波器301，通過主濾波器對(duì)各個(gè)子濾波器的輸出信號(hào)進(jìn)行濾波融合從而得到對(duì)飛行器的定位結(jié)果。
第一子濾波器302主要對(duì)慣性導(dǎo)航模塊201由信息總線上獲取的慣性數(shù)據(jù)和高度數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)箅處理，得到飛行器運(yùn)動(dòng)信息(位置、速度和姿態(tài))；
第二子濾波器303通從信息總線上獲取的慣性數(shù)據(jù)構(gòu)建狀態(tài)方程，再將高度數(shù)據(jù)和從攝
像機(jī)103釆集到的圖像中提取特征點(diǎn)信息作為觀測量構(gòu)建觀測方程，將兩個(gè)方程結(jié)合進(jìn)行濾
波估計(jì)從而得到第二子濾波器303對(duì)飛行器狀態(tài)(姿態(tài)、速度和位置)的估計(jì)。第二子濾波
器303工作條件為攝像機(jī)103獲取的圖象質(zhì)量良好、特征點(diǎn)提取準(zhǔn)確并且匹配結(jié)果具有
較強(qiáng)的魯棒性；
所述狀態(tài)方程為
<formula>formula see original document page 10</formula>其中，fc為濾波周期數(shù)，、K"(A:)、 Z(AO分別表示當(dāng)前飛行器的位置、速度和姿態(tài)，廣(W、 6/(Q和g"分別為當(dāng)前加速度計(jì)和陀螺儀輸出以及重力加速度向量，"為解算周期。Cr(A:-l)和《(^:-l)為姿態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣。
第三子濾波器C304為斷續(xù)工作方式。由于機(jī)載處理器和存儲(chǔ)空間限制，因此，只能在預(yù)先設(shè)定的景象匹配區(qū)域上進(jìn)行景象匹配，第三子濾波器304對(duì)主濾波器301輸出的位置信息進(jìn)行不間斷檢測，當(dāng)發(fā)現(xiàn)飛行器已經(jīng)進(jìn)入預(yù)先設(shè)定的景象匹配區(qū)域之后啟動(dòng)該部分進(jìn)行景象匹配并且對(duì)系統(tǒng)位置進(jìn)行校正。第三子濾波器304的濾波結(jié)構(gòu)中釆用系統(tǒng)誤差傳遞方程作為狀態(tài)方程，將當(dāng)前景象匹配位置和導(dǎo)航位置之差作為觀測量進(jìn)行濾波估計(jì)，從而得到對(duì)傳感器誤差和導(dǎo)航誤差的估計(jì)；
第四子濾波器305接收蜂窩網(wǎng)通訊基站的通訊信號(hào)作為定位信息來源，從主濾波器301輸出的導(dǎo)航信息中得到當(dāng)前位置(含較大誤差)作為解箅初值進(jìn)行蜂窩網(wǎng)定位。第四子濾波器305采用系統(tǒng)誤差傳遞方程作為狀態(tài)方程，將當(dāng)前蜂窩網(wǎng)定位位置輸出和導(dǎo)航位置之差作為觀測量進(jìn)行濾波估計(jì)，得到對(duì)傳感器誤差和導(dǎo)航誤差的估計(jì)；如圖2所示，所述蜂窩網(wǎng)無線定位通過通信單元接收至少三個(gè)地面基站無線通訊信號(hào)，將其兩兩之間進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)箅從而得到不同信號(hào)的到達(dá)時(shí)間差；然后將其他導(dǎo)航系統(tǒng)輸出作為迭代計(jì)算初始值求解定位輸出，該輸出為一條曲線，因此需要利用高度計(jì)的高度輸出得到自身精確定位；此定位輸出可以認(rèn)為是其他導(dǎo)航系統(tǒng)輸出的基礎(chǔ)上進(jìn)行更精確定位的結(jié)果。相對(duì)于攝像機(jī)視野范圍而言，通信基站覆蓋范圍更廣，因此，蜂窩網(wǎng)無線定位輸出結(jié)果更精確，連續(xù)性更強(qiáng)。
如圖3所示，設(shè)兩基站到達(dá)通訊模塊的信號(hào)到達(dá)時(shí)間差為r， BSI、 BSII、 BS邁為通訊基站，MS為當(dāng)前飛行器位置，i^為到BSI、 BSn基站距離差恒定為"的雙曲線，i^到BSI、 BSffl基站距離差恒定為"的雙曲線，c為光速。在已知兩基站到達(dá)通訊模塊的信號(hào)到達(dá)時(shí)間差的前提下，則通訊模塊當(dāng)前的位置即在及21和^31的交點(diǎn)上，在三維情況下此交點(diǎn)
為一曲線。
各子濾波器輸出還需要進(jìn)行數(shù)據(jù)有效性判定，設(shè)計(jì)故障檢測函數(shù)A("，其算式如下《=z, (/t) - //, (A: I A: -1)S, (" = //, ("， I A: -+《
為濾波觀測量，//,(A)為濾波輸出矩陣，f A: -1)是狀態(tài)一步預(yù)測向量，f (A | & -1)為方差預(yù)測矩陣，i ,("為觀測誤差方差陣。
根據(jù)濾波定義，有A("服從f分布。當(dāng)馬(^)>^時(shí)認(rèn)為對(duì)應(yīng)該子濾波器輸出數(shù)據(jù)不可用應(yīng)予切除；當(dāng)",(^<^時(shí)則認(rèn)為該子濾波器無故障。^為預(yù)先定義的閾值，表示誤報(bào)警率。當(dāng)取誤報(bào)警率^="時(shí)，可由&=戶[^>^|//。]="式?jīng)Q定閾值7^。
最后主濾波器30l對(duì)各個(gè)子濾波器輸出的導(dǎo)航信息進(jìn)行濾波融合，從而得到飛行器狀態(tài)和傳感器誤差的精確估計(jì)。
權(quán)利要求
1、一種應(yīng)用于無人駕駛飛機(jī)的組合導(dǎo)航系統(tǒng)，其特征在于本發(fā)明主要包括傳感器模塊、導(dǎo)航模塊、濾波器模塊；傳感器模塊獲取進(jìn)行飛行器導(dǎo)航所必需的加速度、角速度、相對(duì)高度、下視圖像和蜂窩網(wǎng)信號(hào)等；導(dǎo)航模塊對(duì)傳感器模塊獲取的信號(hào)進(jìn)行導(dǎo)航解算，各部分分別輸出包含誤差的導(dǎo)航解算結(jié)果；濾波器模塊用于對(duì)導(dǎo)航模塊輸出信息進(jìn)行融合從而得到相對(duì)較為精確的飛行器狀態(tài)估計(jì)，包括飛行器位置、速度、姿態(tài)和傳感器誤差等。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種應(yīng)用于無人駕駛飛機(jī)的組合導(dǎo)航系統(tǒng)，其特征在于所 述傳感器模塊包括慣性傳感器、無線電高度計(jì)、攝像機(jī)和通訊單元等，其中慣性傳感器包括 三個(gè)加速度計(jì)和三個(gè)陀螺儀，用來采集飛行器載體的加速度和角速度信息等慣性數(shù)據(jù)；無線 電髙度計(jì)測量得到當(dāng)前飛行器相對(duì)于地面的相對(duì)高度數(shù)據(jù)；攝像機(jī)采集飛行器當(dāng)前位置的下 視圖像用于視覺導(dǎo)航和景象匹配導(dǎo)航；通訊模塊獲取至少三個(gè)蜂窩網(wǎng)通訊基站的通信信號(hào)用 于通信定位；最后將這些信息發(fā)送到信息總線上，由各個(gè)導(dǎo)航模塊根據(jù)需要從信息總線上獲 取相應(yīng)數(shù)據(jù)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種應(yīng)用于無人駕駛飛機(jī)的組合導(dǎo)航系統(tǒng)，其特征在于所 述導(dǎo)航模塊分為慣性導(dǎo)航模塊、視覺導(dǎo)航模塊、景象匹配導(dǎo)航模塊、通信定位模塊四部分；慣性導(dǎo)航單元從信息總線上獲取慣性數(shù)據(jù)與高度數(shù)據(jù)進(jìn)行導(dǎo)航解算；視覺導(dǎo)航模塊從信 息總線上獲取慣性數(shù)據(jù)和圖像數(shù)據(jù)，構(gòu)建濾波狀態(tài)和觀測方程，采用非線性濾波方法估計(jì)飛 行器當(dāng)前的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；景象匹配導(dǎo)航模塊從信息總線上獲取高度數(shù)據(jù)對(duì)攝像機(jī)采集的圖像在 預(yù)先裝載的地圖庫中進(jìn)行匹配定位，并且根據(jù)系統(tǒng)誤差方程對(duì)傳感器誤差進(jìn)行濾波估計(jì)；通 信定位模塊接收信息總線上的通訊信號(hào)，采用到達(dá)信號(hào)時(shí)間差方法對(duì)飛行器進(jìn)行三維定位。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種應(yīng)用于無人駕駛飛機(jī)的組合導(dǎo)航系統(tǒng)，其特征在于所 述濾波器模塊采用了聯(lián)邦卡爾曼濾波器，其主要由l個(gè)主濾波器與第一、第二、第三、第四 共四個(gè)子濾波器組成，每個(gè)子濾波器分別用來處理導(dǎo)航模塊中各個(gè)單元的信息濾波融合，并 通過每個(gè)子濾波器的故障檢測功能對(duì)輸出進(jìn)行數(shù)據(jù)有效性判定，最后將無故障的導(dǎo)航信息發(fā) 送主濾波器，主濾波器對(duì)各個(gè)子濾波器輸出的導(dǎo)航信息進(jìn)行濾波融合，從而得到對(duì)飛行器的 定位結(jié)果。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種應(yīng)用于無人駕駛飛機(jī)的組合導(dǎo)航系統(tǒng)，其特征在于 所述子第一濾波器主要對(duì)慣性導(dǎo)航模塊由信息總線上獲取的慣性數(shù)據(jù)和高度數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理，得到飛行器運(yùn)動(dòng)信息；所述子第二濾波器從信息總線上獲取慣性數(shù)據(jù)狀態(tài)方程，再將高度數(shù)據(jù)和從攝像頭采集 到的圖像中提取特征點(diǎn)信息作為觀測量構(gòu)建觀測方程，將兩個(gè)方程結(jié)合進(jìn)行濾波估計(jì)從而得到第二子濾波器對(duì)飛行器狀態(tài)的估計(jì)；所述第三子濾波器為斷續(xù)工作方式；由于機(jī)載處理器和存儲(chǔ)空間限制，因此，只能在預(yù)先設(shè)定的景象匹配區(qū)域上進(jìn)行景象匹配，第三子濾波器對(duì)主濾波器輸出的位置信息進(jìn)行不間 斷檢測，當(dāng)發(fā)現(xiàn)飛行器已經(jīng)進(jìn)入預(yù)先設(shè)定的景象匹配區(qū)域之后啟動(dòng)該部分進(jìn)行景象匹配并且對(duì)系統(tǒng)位置進(jìn)行校正；第三子濾波器的濾波結(jié)構(gòu)中釆用系統(tǒng)誤差傳遞方程作為狀態(tài)方程，將 當(dāng)前景象匹配位置和導(dǎo)航位置之差作為觀測量進(jìn)行濾波估計(jì)，從而得到對(duì)傳感器誤差和導(dǎo)航 誤差的估計(jì)；所述第四子濾波器接收蜂窩網(wǎng)通訊基站的通訊信號(hào)作為定位信息來源，從主濾波器輸出 的導(dǎo)航信息中得到當(dāng)前位置作為解算初值進(jìn)行蜂窩網(wǎng)定位；第四子濾波器采用系統(tǒng)誤差傳遞 方程作為狀態(tài)方程，將當(dāng)前蜂窩網(wǎng)定位位置輸出和導(dǎo)航位置之差作為觀測量進(jìn)行濾波估計(jì)， 得到對(duì)傳感器誤差和導(dǎo)航誤差的估計(jì)。
6、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種應(yīng)用于無人駕駛飛機(jī)的組合導(dǎo)航系統(tǒng)，其特征在于各子濾波器輸出還需要進(jìn)行數(shù)據(jù)有效性判定，設(shè)計(jì)故障檢測函數(shù)A("其算式如下 《(yt) = z,- /f, , (A: IA — 1)= ，， I & -1)《W +為濾波觀測量，i/,(A:)為濾波輸出矩陣，》(A: I A: -1)是狀態(tài)一步預(yù)測向量，I" 1) 為方差預(yù)測矩陣，i ,(A:)為觀測誤差方差陣；根據(jù)濾波定義，有",("服從/分布；當(dāng)",(">^時(shí)認(rèn)為對(duì)應(yīng)該子濾波器輸出數(shù)據(jù)不可 用應(yīng)予切除；當(dāng)A("〈^時(shí)則認(rèn)為該子濾波器輸出無故障；^為預(yù)先定義的閾值，表示誤 報(bào)警率；當(dāng)取誤報(bào)警率^="時(shí)，可由尸/。=/^>7^|//。]="式?jīng)Q定閾值[。
7、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種應(yīng)用于無人駕駛飛機(jī)的組合導(dǎo)航系統(tǒng)，其特征在于所 述狀態(tài)方程為<formula>formula see original document page 3</formula>P"(。、 F"(&) 、 ^"(A:)分別表示當(dāng)前飛行器的位置、速度和姿態(tài)，、 W(&)和g"分別為當(dāng)前加速度計(jì)和陀螺儀輸出以及重力加速度向量，A/為解算周期；C〗'(A-1)和《(A:-1) 為姿態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣。
8、根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種應(yīng)用于無人駕駛飛機(jī)的組合導(dǎo)航系統(tǒng)，其特征在于所 述蜂窩網(wǎng)無線定位通過通信單元接收到至少三個(gè)地面基站無線通訊信號(hào)，并將其兩兩之間進(jìn) 行互相關(guān)運(yùn)算從而得到不同信號(hào)之間的到達(dá)時(shí)間差；然后將其他導(dǎo)航系統(tǒng)輸出作為迭代計(jì)算 初始值求解定位輸出，該輸出為一條曲線，因此需要利用高度計(jì)的高度輸出得到自身精確定
全文摘要
本發(fā)明公開了一種應(yīng)用于無人駕駛飛機(jī)的組合導(dǎo)航系統(tǒng)，所采用的傳感器包括慣性傳感器、無線電高度計(jì)、通訊模塊、攝像機(jī)等，其中，慣性傳感器采集載體的運(yùn)動(dòng)加速度和角速度提供給慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和未知環(huán)境下視覺導(dǎo)航系統(tǒng)構(gòu)建系統(tǒng)方程，進(jìn)而為景象匹配導(dǎo)航提供當(dāng)前位置信息和匹配觸發(fā)信號(hào)。該方法采用了慣性、蜂窩網(wǎng)無線定位、未知環(huán)境下視覺導(dǎo)航和景象匹配導(dǎo)航四種方式的組合，這四個(gè)部分為組合導(dǎo)航系統(tǒng)的子系統(tǒng)組成部分，各自獨(dú)立進(jìn)行飛行器狀態(tài)估計(jì)，之后由主濾波器對(duì)各子系統(tǒng)輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行故障診斷和融合估計(jì)，從而得到對(duì)飛行器狀態(tài)的準(zhǔn)確估計(jì)。
文檔編號(hào)G01C21/24GK101598557SQ20091008931
公開日2009年12月9日 申請(qǐng)日期2009年7月15日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月15日
發(fā)明者海 張, 超 徐, 沈曉蓉, 范耀祖 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)