[发明专利]一种融合下视视觉与惯导信息的定向罗盘

说明书

本发明公开了一种融合下视视觉与惯导信息的定向罗盘，属于定位设备技术领域。该定向罗盘包含数据采集单元和处理器：所述数据采集单元包括一个惯性测量单元和一个下视安装的摄像头，所述惯性测量单元用于采集载体在三维空间中的三轴角速度和加速度，所述摄像头用于采集载体下方的图像序列；所述处理器，通过惯性测量单元采集的数据得到姿态角，通过摄像头采集的数据得到航向角，并对上述姿态角和航向角进行融合，得到载体最终的航向角。本发明可靠性高，实时性强，能够在有磁场干扰的环境和空中作业的任务中工作，可用于机器人和无人机的航向角测量。

技术领域

本发明涉及定位设备技术领域，尤其涉及一种融合下视视觉与惯导信息的定向罗盘。

背景技术

近年来，无人机在危险枯燥的任务和恶劣的工作环境中发挥着重要的作用，例如：航拍、植保、灾难救援、电力巡检等。作为一种新生力量，无人机得到了越来越多的研究机构和政府的重视与投入。自主导航功能是无人机实现上述任务的重要基础，而实现可靠准确的自主导航，无人机必须能够准确地获得航向信息，即拥有良好的定向功能。

根据无人机任务的特殊性以及飞行速度较快的特点，航向测量系统需要有非常可靠和较高实时性的特点，并且对环境变化拥有较好的鲁棒性。

传统的航向测量系统有：惯性导航系统(Inertial Navigation System，INS)、全球定位系统(Global Positioning System,GPS)，以及磁罗盘。其中惯导系统自主可靠，但是存在累计误差和温漂，无法长期独立工作；GPS仅在室外可用，且单点GPS悬停时航向信息不可用，高精度的差分GPS成本高，双天线GPS要实现高精度测量必须增大其基线长度(至少1m)，因此使用受限；传统的磁罗盘受磁场干扰大，在强磁或高压电线附近无法正常工作。

目前，视觉导航技术也得到了较大的发展，但是摄像头精度较低且实时性不高，因此单纯依靠视觉的导航系统未能满足无人机的工作要求。

单纯利用视觉信息进行航向角测量的视觉罗盘技术，由于均采用前视安装的摄像头，且多数采用全景摄像头，得到的图像序列可用信息少，且全景摄像头分辨率低、畸变严重、计算量大，因此现有的视觉罗盘无法满足无人机作业的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多源信息融合的定向罗盘，其能获得可靠稳定且精度较高的无人机航向角信息，克服了现有罗盘技术中环境因素干扰大、数据不可靠等不足，同时避免了使用畸变大且预处理过程复杂的全景摄像头。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种融合下视视觉与惯导信息的定向罗盘，包含数据采集单元和处理器：

所述数据采集单元，包括一个惯性测量单元(Inertial Measurement Unit，IMU)和一个下视安装的摄像头，所述惯性测量单元用于采集载体在三维空间中的三轴角速度和加速度，所述摄像头用于采集载体下方的俯视图像序列。

所述处理器，通过惯性测量单元采集的数据得到姿态角，通过摄像头采集的数据得到航向角，并对上述姿态角和航向角进行融合，得到载体最终的航向角。

进一步地，所述惯性测量单元固定安装在载体上，所述摄像头相对于载体采用下视安装，采集载体下方的俯视图像序列。

进一步地，所述惯性测量单元包括陀螺仪和加速度计，通过惯性测量单元采集的数据得到姿态角具体为：

(1)将陀螺仪的输出经过积分和校正后，求解微分方程并进行四元数更新得到姿态角；

(2)利用加速度计的输出计算横滚角和俯仰角；

(3)利用自适应的重力场互补滤波将陀螺仪和加速度计的计算结果进行融合得到初步的姿态角；所述自适应具体为：重力场互补滤波器的时间常数τ随重力加速度在载体坐标系中的分量和加速度计测量值的叉积e变化，即τ为关于e的分段单调增函数。