[发明专利]一种无人机自主导航系统及其导航方法

摘要

本发明公开了一种无人机自主导航系统及其导航方法，所述系统包括参数导航模块、雷达导航模块、中央处理模块、信息储存模块和航向控制模块，其中，参数导航模块、雷达导航模块和信息储存模块输出信息到中央处理模块，然后任选地进行处理，然后输出给航向控制模块，进行导航；所述导航方法如下进行：当GPS信号不稳定或短暂丢失时，参数导航模块输出状态参数到中央处理模块，进行处理，得到飞行参数；当GPS信号长时间丢失且参数导航模块失效时，利用雷达导航模块输出航向信息；当GPS信号长时间丢失、参数导航模块失效且无法接收到雷达信号时，利用中央处理模块进行路径规划；本发明所提供的系统和方法能够在无GPS信号下为无人机提供准确导航。

主权项

1.一种无人机自主导航系统，用于应对无GPS信号情况下的导航，其特征在于，所述系统包括参数导航模块(1)，用于在GPS信号不稳定或短暂丢失时，向中央处理模块(3)输出无人机的状态参数；所述参数导航模块(1)包括GPS接收器(11)、姿态传感器(12)、磁传感器(13)、气压高度计(14)、图像采集器(15)和计时器(16)，其中，所述GPS接收器(11)用于接收GPS信号；所述姿态传感器(12)用于输出无人机的姿态参数；所述磁传感器(13)用于输出无人机所在位置的地磁参数；所述气压高度计(14)用于输出无人机所在位置的气压参数和高度参数；所述图像采集器(15)用于拍摄环境信息，并进行信息输出；所述图像采集器(15)包括两个摄像机和一个三轴云台；所述两个摄像机形成一定角度，可以确定出无人机距离最近物体的距离；雷达导航模块(2)，用于在GPS信号长时间丢失，且参数导航模块失效时，向就近己方船舰请求航向信息，同时将航向信息输出给中央处理模块(3)；中央处理模块(3)，用于在GPS信号长时间丢失、参数导航模块失效，且无法接收到雷达信号时，规划出一条从当前地点到目标点的航向路径，并将所述航向路径输出给航向控制模块(5)；在中央处理模块(3)内集成有卡尔曼滤波子模块(31)、路径规划子模块(32)和双目避障子模块(33)；其中，所述卡尔曼滤波子模块(31)用于处理参数导航模块(1)输出的无人机的状态参数，以在GPS信号不稳定或短暂丢失时进行无人机定位和运动状态估算，得到无人机的飞行参数；所述卡尔曼滤波子模块(31)包括参数处理子模块(311)和滤波处理子模块(312)；在滤波子模块(312)内集成有离散化后得到的线性随机离散系统的状态方程和测量方程，分别如式(a)和式(b)所示：X_k＝Φ_k，k‑1X_k‑1+Γ_k，k‑1W_k‑1   式(a)；Z_K＝H_kX_k+V_k  式(b)；其中，在式(a)、式(b)中，X_k表示k时刻的最优估计值；X_k‑1表示k‑1时刻的最优估计值；W_k‑1表示系统的过程噪声序列，其为可调的白噪声参数；Γ_k，k‑1表示系统过程噪声输入矩阵；Z_k表示k时刻的测量值；V_k表示系统随即观测噪声序列；其中，W_k‑1和Γ_k，k‑1均可为零均值或非零均值的白噪声或高斯白噪声随即过程向量序列；并且，在本发明中：其中：φ_k，k‑1表示对无人机运动的状态方程离散后得到的状态转移矩阵，γ_k，k‑1表示对无人机运动的状态方程离散后得到的噪声变换矩阵，其中，所述无人机运动的状态方程不同于式(a)所示状态方程；F_k，k‑1和l_k，k‑1分别表示GPS定位误差模型离散后的状态转移矩阵和噪声变换矩阵，其中，所述GPS定位误差模型是指所述GPS接收器(11)传输的数据与姿态传感器(12)、磁传感器(13)和气压高度计(14)得到的数据之间误差的模型；所述路径规划子模块(32)用于规划出一条从当前地点到目标点的航向路径，以在GPS信号长时间丢失、参数导航模块失效且无法接收到雷达信号时进行航向规划；所述双目避障子模块(33)用于在GPS信号长时间丢失、参数导航模块失效且无法接收到雷达信号时，协助无人机躲避航向路径中的障碍；在GPS信号长时间丢失、参数导航模块失效，且无法接收到雷达信号时，将路径规划子模块(32)和双目避障子模块(33)联用输出航向信息；信息储存模块(4)，用于储存从起始点到目标点的全部环境地理信息，并将其输出给中央处理模块(3)；和航向控制模块(5)，用于接收中央处理模块(3)输出的信息，进行导航。