专利名称：一种飞行器多个光流传感器与惯导组合导航方法
技术领域：
本发明涉及一种飞行器多个光流传感器与惯导组合导航方法，具体涉及ー种利用光流传感器和惯性器件实现飞行器自主式组合导航的方法。属于小型飞行器(Miniatureaerial vehicles, MAVs)的组合导航技术领域。
背景技术：
在山谷、丛林、街道等复杂地域GPS信号变得不稳定，受到敌方干扰时甚至变得不可用，从而形成导航盲区(navigation gap)。那些使用GPS导航或者GPS/INS组合导航的飞行器将在未来战场中变得很脆弱，因此美国海、陆、空三军都对无GPS时的精确导航很感兴趣。我国在建成“北斗”导航系统之后，也将面临同样的问题，只有那些具备不依赖于外部信号的、完全自主的精确导航功能的飞行器才更有可能在未来战场中生存下来；另ー方面，对于小型飞行器来说，其负载能力有限，因此机载设备也受到了重量、体积和功耗的限制，传统导航设备比如雷达、激光测距仪等都无法满足要求。在这种背景下，全被动式的光流技术，可以为解决这些问题提供全新的思路。昆虫在移动时，周围环境的亮度模式在视网膜上形成一系列连续变化的图像，这一系列连续变化的信息不断“流过”视网膜，好像是ー种光的“流”，故称这种图像亮度模式的表观运动为光流。国外的某些实验室，已经研制出了光流传感器的物理样机，并利用光流传感器实现了无人驾驶飞行器的自主避障、等高飞行、自动着陆、风速估计、目标检测和空中悬停，这些技术在探測、救灾等方面将有非常重要的应用价值。根据光流的定义和图I中所示的几何关系，可得出光流的表达式为f = v00s^ θ + ω(I)式中，f为光流(Ι/s)，ν为光流传感器的水平速度(m/s)，h为光流传感器距离地面的高度(m)，Θ为光轴与铅垂方向的夹角(rad)，ω为光流传感器的旋转速度(rad/s)。
由于光流与相对运动有关，也就是与昆虫身体的飞行高度、速度、姿态、姿态变化率有关，用到飞行器上，光流可以与惯导器件实现自主式组合导航，提高导航精度，即便没有GPS信号，也可能实时提供较高精度的导航数据。将光流应用于飞行器组合导航，其优势体现在如下几个方面第一，光流传感器是被动式的，不会产生电磁辐射，故隐蔽性好，适合军事应用。当然，GPS也是被动式的，中高空的飞行器一般也会使用它，但对于超低空飞行，由于地形的散射、遮蔽等原因，GPS的测高功能将大打折扣。而光流感知则可以对周围环境作出即时的观察，可以提供一种无需先验知识的导航手段。第二，光流传感器重量轻。对于小型飞行器来说，激光测距仪(LaserRangefinders, LRF)和雷达都显得过于笨重。SICK LMS291是ー款典型的激光测距仪，一般用于机器人领域，它的质量大约是4. 5公斤。用于无人驾驶航空器(Unmanned AerialVehicle, UAV)上的最小的合成孔径雷达可能是美国圣地亚实验室(Sandia NationalLabs)制造的miniSAR,其质量约为4、公斤。相比较而言,澳大利亚科学与技术局(DefenceScience and Technology Organization)生产的能够检测图像运动以实现地形跟随的传感器就要小得多，其质量不足5g。第三，体积小。许多飞行器的体积变得越来越小，这就限制了两个光学传感器之间的距离，双目立体视觉能力由此受限，而且立体视觉的计算量很大，难以保证实时性，这也会限制立体视觉在微型飞行器上的应用。而光流传感器却可以做得很小，计算量也很有限，可以方便地在飞行器上进行多点布置。另外，成本低、功耗小也是其重要优点。
发明内容
一种飞行器多个光流传感器与惯导组合导航方法I、目的本发明的目的是提供一种飞行器多个光流传感器与惯导组合导航方法，它使用3个光流传感器、I套微机械三轴速率陀螺和I套微机械三轴加速度计，体积小、重量轻、功耗小、成本低，便于在小型飞行器上安装布置，不对外辐射电磁信号，提高了飞行器的隐蔽性，是ー种自主式组合导航方法。 2、技术方案本发明是一种飞行器多个光流传感器与惯导组合导航方法，该方法具体步骤如下步骤ー将微机械三轴速率陀螺和三轴加速度计安装到飞行器上，组成捷联式惯性导航系统，建立惯导误差方程；导航坐标系选用ENU(East-North-Up,东北天)坐标系。该坐标系与地球表面固连，X轴指东，y轴指北，ζ轴指天。E、N、U三个方向的平台误差角方程分别为
.V) (VSVVΦΡ =ΦΝ m,esmL+ - tanZ -φι； %cosZ+ E - N +Sh-
VRn+ h J VRn+ h) Rm + h (Rm +h)
. f F) F SVV
Φν = -Φι ( . Sm i +tan L — φ,. 、- δ . sin L + - Sb -— εΝ
I AvJ Rm+hRn+h (Rn+h)- ⑵
- V I V - (V , ^ SVφυ = φΕ OJie cosZ H---- +φΝ——-~ + SL OieCOsi-+——-~sec一 L +-—tmL
V及jv + お J Rm + h 丨Rn + み J Rn + み
(R, +Λ)式中Se =CnS^+C11S^+CilS^εΝ = CnSbx + C22Sbr + C32Sbz% ニ Cl3Sbx + CliSl + Ci3SbzCij (i = I, 2,3;j=l, 2，3)为坐标变换矩阵C；6中的子项，为导航坐标系到本体坐标系的变换矩阵
权利要求
1 一种飞行器多个光流传感器与惯导组合导航方法，其特征在于该方法具体步骤如下步骤ー将微机械三轴速率陀螺和三轴加速度计安装到飞行器上，组成捷联式惯性导航系统，建立惯导误差方程；导航坐标系选用ENU即东北天坐标系，该坐标系与地球表面固连，X轴指东，y轴指北，z轴指天；E、N、U三个方向的平台误差角方程分别为
2.安装在横轴纵面内 跟前文的推导类似，光流公式简化为
全文摘要
一种飞行器多个光流传感器与惯导组合导航方法，它有四大步骤步骤一将微机械三轴速率陀螺和三轴加速度计安装到飞行器上，组成捷联式惯性导航系统，建立惯导误差方程；步骤二将3个光流传感器多点布置在飞行器上，建立光流传感器的量测方程；步骤三根据光流传感器的量测方程，建立线性化的光流误差方程，作为组合导航系统的量测方程；步骤四用扩展卡尔曼滤波器估计惯导误差，并使用此误差对惯导数据进行修正，得到更为精确的导航数据。本发明使用3个光流传感器、1套微机械三轴速率陀螺和1套微机械三轴加速度计，功耗小、成本低，便于在小型飞行器上安装布置，不对外辐射电磁信号，提高了飞行器的隐蔽性，是一种自主式组合导航方法。
文档编号G01C21/16GK102829779SQ201210342418
公开日2012年12月19日 申请日期2012年9月14日 优先权日2012年9月14日
发明者刘小明, 陈万春, 邢晓岚 申请人:北京航空航天大学