[发明专利]基于多传感器信息融合的小型旋翼无人机高度测量方法

说明书

技术领域

本发明属于小型旋翼无人机自主飞行控制研究领域。针对旋翼无人机在垂直方向上的运动控制需求，提出了一套基于多传感器数据融合的小型无人机高度测量方法。

技术背景

近年来，小型旋翼无人机因其在诸多领域的广泛应用，成为控制领域的一个研究热点。其中，尤为四旋翼无人机一类的带有多转子的可垂直起降的无人机倍受关注。其垂直起降等多种机动飞行能力使其能够在狭小、难以到达的恶劣环境下执行特定任务。其应用涵盖了军用侦查、基础设施维护、自然灾害预警等诸多领域。

高度信息作为飞行的一个重要参数，是无人机安全有效飞行以及地面操作和指挥人员安全的重要保障。而现今存在的可用于无人机高度测量的传感器存在各自各样的局限性，如声纳在测量距离上存在限制，基于气压测量的高度测量对空气中的气压变化敏感等。

目前国内外已有多种基于GPS、激光、气压、计算机视觉的无人机高度测量方法。瑞士苏黎世联邦理工学院提出使用一个朝下的单眼相机，运用视觉SLAM(同步定位与建图算法)，实现了在一个无GPS信号区域的定位和建图(会议：the 2010IEEE International Conference on Robotics and Automation；著者：Michael Blosch D Sea,Stephan Weiss；出版年月：2010年；文章题目：Vision Based MAV Navigation in Unknown and Unstructured Environments；页码：21-28)。西班牙拉古那大学J.Toledo设计了一套由3个陀螺仪、2个加速度计、4个声纳组成的无人机高度测量系统(期刊：IET Control Theory and Application；著者：J.Toledo,L.Acosta,M.Sigut et al；出版年月：2009年；文章题目：Stabilisation and Altitude Tracking of a Four-rotor Microhelicopter using the Lifting Operators；页码：452-464)。南京航空航天大学提出由气压计、GPS模块、加速度计组成的无人机高度测量系统(会议：the 2008Control and Decision Conference；著者：Hu Yong z Z,ZhishengW；出版年月：2008年；文章题目：Federated Filter Based multi-Sensor Fault-tolerant Altitude Determination system for UAV；页码：2030-2034)。

上述方法在无人机的高度测量上取得了一定成果，但仍存在各自方面的不足。其中，计算机视觉方法需要巨大的数据运算处理，对微处理器的运算性能提出苛刻要求。为了小型无人机的高度测量而单独架设一套计算机视觉系统并不现实。基于声纳的高度测量存在工作高度受限的问题。南京航空航天大学提出的方法在高度测量精度上略显不足。

发明内容

为了克服现有技术的不足，发明旨在提出一套适应户内、外多种环境的小型旋翼无人机高度测量方法，为无人机提供实时、精准、可靠的高度信息。方法的实例实现中，所用的元器件具有体积小型、重量轻、成本低廉的优点。为此，本发明采取的技术方案是，基于多传感器信息融合的小型旋翼无人机高度测量方法，利用安装在旋翼无人机底部的声纳采集其与地面间的距离作为声纳测量高度；通过加速度计获取无人机对象坐标系下的三轴加速度，结 合无人机的姿态角信息进行坐标系变换，获得大地参考系下的垂直加速度；气压计测量无人机所处高度的气压信息，比较地面的气压信息，代入标准大气模型获得通过基于气压测量的高度测量信息；利用以上的声纳测量高度、无人机垂直加速度、气压测量高度作为输入，应用多传感器信息融合的高度测量方法，得到一个高频的实时高度与垂直速度信息。

还包括声纳高度测量信息的错误检测步骤：

声纳测距工作频率随距离的增大而减小，视其随距离增大呈线性衰减关系如下：

f_SN＝f_Max-kh_SN

其中f_SN为声纳在所在高度的工作频率，f_Max为其在探测距离下限时所对应的最大工作频率，k为其工作频率随距离变化的衰减系数，h_SN为声纳处于可靠工作状态时测得的无人机高度，考虑无人机的垂直速度V_Z与声纳工作频率，则声纳两次高度测量值之差△_h满足如下等式：