[发明专利]无GPS情况下的复杂区域巡视机器人定位、导航及授时方法

说明书

本发公开了一种无GPS情况下的复杂区域巡视机器人定位导航及授时方法，预先建立所巡视区域的精细地磁图，利用INS惯性导航系统进行航迹推测，给出机器人当前所在位置；通过自身所携带的地磁传感器测得当前位置地磁场的地磁特征量；在精确地磁图中找出相应区域的地磁数据特征量，与当前位置所测得地磁数据特征量相匹配，得到地磁匹配导航给出的位置，利用扩展卡尔曼滤波对惯性导航系统和地磁匹配导航的状态过程进行融合得到较为精确的位置信息。由机器人自身携带视觉传感器进行图像捕捉，对采集到的图像进行匹配，得到巡视机器人的位置和姿态，运用无迹卡尔曼滤波对两个较精确位置的状态过程进行融合，得到更为精确可信的位置信息。

技术领域

本发明属于移动机器人定位导航领域，具体涉及一种无GPS情况下的复杂区域巡视机器人定位、导航及授时方法，主要针对对抗环境下的空间、时间和定位信息的获取，提出一种基于无GPS下的PNT(自主定位、导航和授时)方法。

背景技术

目前在定位导航技术方面应用最多，最成熟的导航方式有INS惯性导航和GPS卫星导航相结合的方法。GPS卫星导航具有全球性、全天候、长时间定位精确等优势，但其信号输出不连续且易受干扰和遮挡，在树下和高楼遮挡时，信号质量变差，定位不准确或无法获取定位信息。INS惯性导航系统是一种自主式的导航方式，具有很强的隐蔽性和抗干扰能力，短时间内定位准确。但是MEMS-INS惯性系统由于器件自身的特点，陀螺仪和加速度计有初始误差，随机漂移误差等，且随时间累计误差越来越大，长时间定位精度较差，无法获取准确的机器人姿态和位置信息。GPS卫星导航和INS惯性系统导航相结合的方法，利用GPS长时间定位精确来校正惯性导航系统的误差累计，能很好的解决GPS信号不连续和惯性导航系统的长时间误差累计导致定位精度低等问题。但在GPS信号弱或无GPS信号的环境下无法获取机器人的姿态和位置信息，最终不能精确定位和导航。

发明内容

针对上述现有技术中描述的不足，本发明提供一种无GPS情况下的复杂区域巡视机器人定位、导航及授时方法，以智能安防巡视机器人为载体，在GPS信号弱或无GPS信号的环境下，GPS不能精确定位时，使用本发明智能安防巡视机器人能够精确导航，完成巡视功能的方法。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：

一种无GPS情况下的复杂区域巡视机器人定位、导航及授时方法，步骤如下：

S1，构建精确的地磁图；

具体为：S1.1，巡视机器人携带的地磁传感器对待巡视区域进行地磁检测，并将得到的地磁特征量进行存储；

S1.2，对待巡视区域进行网格划分，得到网格地图；

S1.3，对得到的地磁特征量进行基于Kriging插值的局部地磁图构建，构建后与网格地图进行匹配，得到精确的地磁图；

局部地磁图的构建是采用空间自协方差最佳插值方法，局部地磁场中的地球主磁场、地磁异常场及扰动磁场3个主要成分与克里金法的3成分假设具有一一对应关系，因此克里金法较为准确地反映局部地磁场的分布空间相关特性规律，用于局部地磁场的空间插值；

具体过程如下：在X处的某一磁场要素值Z(X)的表达式为：

Z(X)＝m(X)+ε'(X)+ε”；

其中，m(X)是描述Z(X)中地球主磁场结构性成分的确定函数；ε'(X)是描述地磁异常场与空间变化有关的随机变化项；ε”是与空间无关的扰动磁场；

由于局部地区的地球主磁场随空间变化平缓，通过对实测的地磁数据进行多项式曲面拟合而获得，在局部地磁场中去除主磁场后，剩余的磁场要素值Z'(X)为地磁区域性变量和扰动磁场之和；

结构性成分确定后，剩余的差异变化属于同质变化，不同位置之间的差异仅是距离的函数，

Z(X)表达式修订为：