本文中所描述的主题包括用于集成来自多个异类传感器的有噪声的测量结果、并用于实时地为自主飞行提供对位置平滑的和全局上一致的估算值的模块化的以及可扩展的方法，该多个异类传感器以不同的和变化的时间间隔产生绝对观测结果或相对观测结果。我们描述了对用于装备有IMU、激光扫描仪、立体摄像机、气压测高计、磁力计、以及GPS接收器的新的1.9kg MAV平台的算法和软件架构的开发，其中，在Intel NUC第三代i3处理器上机上执行状态估算和控制。我们例示了我们的框架在大规模的、室内‑室外自主空中航行实验中的稳健性，该实验涉及在进入和退出建筑物的同时以1.5m/s的平均速度以及大约10mph的风速横越超过440米。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】优先权声明本申请请求2013年11月27日提交的、美国临时申请序列号61/910,022的权益，通过引用将其公开内容整体并入本文中。政府兴趣在美国海军研究办公室授予的基金第N00014-07-1-0829号、第N00014-08-1-0696号、第N00014-09-1-1031号、以及第N00014-09-1-1051号、美国国家科学基金会授予的基金第1138847号、第113830号、以及第1138110号、美国空军科学研究办公室授予的基金第W911NF-08-2-0004号和第W911NF-10-2-0016号、以及美国陆军研究实验室授予的基金第FA9550-10-1-0567号下，通过政府支持作出本专利技术。政府具有本专利技术中的某些权益。
本文中所描述的主题涉及在微型航空载具中控制自主飞行。更具体来说，本文中所描述的主题涉及用于使用旋翼微型航空载具(MAV)在室内和室外环境中的强健的自主飞行的多传感器融合。
技术介绍
微型航空载具(例如旋翼微型航空载具)能够自主飞行。假设存在可用于为自主飞行提供控制输入的足够的传感器数据，那么可以实现精确的自主飞行。例如，在全球定位系统(GPS)是可用的某些室外环境中，可以基于GPS信号来实现自主飞行。然而，在GPS不可用的环境(例如室内环境以及甚至室外城市环境)中，仅基于GPS的自主飞行是不可能的。在某些室内环境中，由于结构所引起的磁场干扰，因此磁力计输出可能是不可用的或不可靠的。因此，依赖于单模态的传感器来控制旋翼飞机MAV的飞行可能是不期望的。控制旋翼飞机MAV的自主飞行的另一个目标是在当先前不可用的传感器模态变为可用时的状态之间平滑过渡。例如，当旋翼飞机MAV正在GPS不可用的室内飞行并且随后过渡到GPS突然变得可用的室外环境时，旋翼飞机可以确定其远远偏离航线并可能尝试通过立即移动至位于航线上来纠正错误。期望的是，这样的过渡是平滑的，而不是使旋翼飞机在速度和轨迹上立即进行大的改变来返回到航线上。多种类型的传感器数据可用于在旋翼微型航空载具中控制自主飞行。例如，机上摄像机、激光扫描仪、GPS收发机、以及加速度计可以提供适合作为用于控制飞行的控制输入的多个输入。然而，如上所述，当与传感器相关联的假设不成立时，则依赖于这些传感器中的任何一个传感器也失败。由于每种类型的传感器在其测量结果中产生具有独特水平的不确定性的一种独特的输出，因此存在对针对用于使用旋翼飞机MAV在室内和室外环境中的稳健的自主飞行的多传感器融合的改进的方法、系统、以及计算机可读介质的需求。
技术实现思路
本文中所描述的主题包括用于集成来自多个异类传感器的有噪声的测量结果、并用于实时地为自主飞行提供对位置平滑的和全局上一致的估算值的模块化的以及可扩展的方法，该多个异类传感器以不同的和变化的时间间隔产生绝对观测结果或相对观测结果。我们描述了对用于装备有惯性测量单元(IMU)、激光扫描仪、立体摄像机、气压测高计、磁力计、以及GPS接收器的新的1.9kg MAV平台的算法和软件架构的开发，其中，在Intel NUC第三代i3处理器上机上执行状态估算和控制。我们例示了我们的框架在大型的、室内-室外自主空中航行实验中的稳健性，这些实验涉及在进入和退出建筑物的同时以1.5m/s的平均速度以及大约10mph的风速横越超过440米。可以用硬件、软件、固件、或者它们的任意组合来实施本文中所描述的主题。因此，如本文中所使用的术语“功能”、“节点”或“模块”指代硬件，其也可以包括用于执行所描述的特征的软件和/或固件部件。在一个示例性的实施方式中，可以使用具有储存在其上的计算机可执行指令的计算机可读介质来实施本文中所描述的主题，当由计算机的处理器来执行该计算机可执行指令时，其控制计算机执行步骤。适合于实施本文中所描述的主题的示例性的计算机可读介质包括非暂态计算机可读介质，例如磁盘存储设备、芯片存储设备、可编程逻辑设备、以及专用集成电路。此外，实施本文中所描述的主题的计算机可读介质可以位于单个设备或计算平台上，或者可以分布跨越多个设备或计算平台。附图说明现在将参照附图来解释本文中所描述的主题，在附图中：图1描绘了装备有IMU、激光扫描仪、立体摄像机、气压测高计、磁力计、以及GPS接收器的1.9kg MAV平台。所有的计算都在具有第三代i3处理器的Intel NUC计算机上机上执行。图2描绘了具有优先队列的延迟的、无序的测量结果。当Z4在Z2之前到达时，Z2首先被应用到滤波器。Z4暂时被储存在队列中。Z1被丢弃，因为其比来自当前状态的td旧。直到在将最新的测量结果应用到滤波器的时间，才会传播协方差。直到输入最新的IMU，才传播状态。图3例示了在k＝5重新获得GPS信号，导致了测量结果Z5与状态S5之间的大的差异(图3(a))。姿态图SLAM产生了全局上一致的图示(图3(b))；图4例示了替代的GPS融合，使经转换的GPS测量结果Z5与未优化的状态S5之间的差异最小化。对这种非直接的GPS测量结果的融合将得到平滑的状态估算(S6与S5之间的虚线)；图5描绘了MAV以3.5m/s的最大速度攻击性地进行演习(图5(b))。水平位置也以轻微的偏移很好地与地面实况进行比较(图5(a))；图6描绘了来自机上摄像机(图6(a)-图6(d))和外部摄像机(图6(e)-图6(h))的图像。注意各种各样的环境，包括开放空间、树木、复杂的建筑物结构、以及室内环境。我们用圆圈突出了MAV的位置。在视频附件中以及在http：//mrsl.grasp.upenn.edu/shaojie/ICRA2014.mp4可以获得实验的录像。图7描绘了与卫星影像对准的航空载具轨迹。不同的颜色指示感测模态的不同组合。G＝GPS，V＝视觉，并且L＝激光；图8例示了随着时间的传感器可用性。注意所有传感器都发生故障。这示出了多传感器融合对这种室内-室外任务来说是必须的；图9例示了当航空载具飞过建筑物密集区时(在200s-300s，图7的顶部)，协方差改变。由于建筑物遮蔽而导致GPS进进出出。当GPS失灵，x、y的协方差以及偏航增加，并且当GPS恢复时，x、y的协方差以及偏航减小。注意机架速度是可观测到的，而不管GPS测量结果，因此其方差仍然是小的。速度方差中的毛刺是因为航空载具直接面对太阳。根据协方差子矩阵的弗罗贝尼乌斯(Frobenius)范数来计算X-Y协方差；图10描绘了叠加在卫星地图上的航空载具轨迹。该航空载具在树木成行的校园环境中运行，其中，在运行期间存在GPS失灵的高风险；图11描绘了当MAV自主飞过树木成行的校园环境时的机上摄像机(图11(a))和外部摄像机(图11(b))图像。注意非平凡的光亮环境；图12是根据本文中所描述的主题的实施例的用于执行多传感器融合的旋翼飞机MAV的框图；图13是根据本文中所描述的主题的实施例的用于控制旋翼飞机MAV的自主性的多传感器融合的示例性过程的流程图；图14例示了具有有限的机上计算(Intel Atom 1.6GHz处理器)和感测(具有鱼眼镜头和现成的廉价IMU的两台摄像机)的实验平台。平台质量为740g；图15例示了在标记出的模块之间具有更新的速率和信息流的系统架构；图16例示了在VIII-A部本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种实现旋翼微型航空载具(MAV)在室内和室外环境中的自主飞行的系统，所述系统包括：传感器融合模块，所述传感器融合模块用于对来自不同模态的多个传感器的测量结果进行组合以鉴于来自所述传感器的当前测量结果和先前测量结果以及所述旋翼MAV在飞行期间的先前估算状态来估算所述MAV的当前状态，其中，所述传感器融合模块被配置为在以下情况下保持在对所述MAV的状态估算方面的平滑性：一个或多个传感器提供不准确的信息；全球定位系统(GPS)测量结果在一段时间可用之后变得不可用；或者GPS测量结果在一段时间不可用之后变得可用；以及轨迹生成器，所述轨迹生成器用于基于所估算的当前状态以及由用户或较高级的规划装置所提供的目标或航路点输入，来生成用于控制所述旋翼MAV的轨迹的规划方案。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.11.27 US 61/910,0221.一种实现旋翼微型航空载具(MAV)在室内和室外环境中的自主飞行的系统，所述系统包括：传感器融合模块，所述传感器融合模块用于对来自不同模态的多个传感器的测量结果进行组合以鉴于来自所述传感器的当前测量结果和先前测量结果以及所述旋翼MAV在飞行期间的先前估算状态来估算所述MAV的当前状态，其中，所述传感器融合模块被配置为在以下情况下保持在对所述MAV的状态估算方面的平滑性：一个或多个传感器提供不准确的信息；全球定位系统(GPS)测量结果在一段时间可用之后变得不可用；或者GPS测量结果在一段时间不可用之后变得可用；以及轨迹生成器，所述轨迹生成器用于基于所估算的当前状态以及由用户或较高级的规划装置所提供的目标或航路点输入，来生成用于控制所述旋翼MAV的轨迹的规划方案。2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述传感器包括惯性测量单元(IMU)、以及以下部件中的至少一个：气压测高计、磁力计、激光扫描仪、摄像机、朝下的光学传感器、以及全球定位系统(GPS)接收器。3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述传感器融合模块被配置为使用无迹卡尔曼滤波器(UKF)来对来自不同模态的所述传感器的测量结果进行组合，在无需重新配置所述传感器融合模块的软件的情况下实现传感器的增加和移除。4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述传感器融合模块被配置为使用当前的相对测量结果和所述滤波器中的经增广的过去状态的副本来估算所述当前状态。5.根据权利要求3所述的系统，其中，所述传感器融合模块被配置为明断地从所述滤波器移除增广状态，并向所述滤波器增加新的增广状态。6.根据权利要求3所述的系统，其中，所述传感器融合模块被配置为对来自所述传感器的测量结果进行融合，所述测量结果是无序地到达所述滤波器的。7.一种实现旋翼微型航空载具(MAV)在室内和室外环境中的自主飞行的方法，所述方法包括：对来自不同模态的多个传感器的测量结果进行组合，以便鉴于来自所述传感器的当前测量结果以及所述旋翼MAV的先...
【专利技术属性】
技术研发人员：R·V·库马尔，S·沈，N·迈克尔，K·穆赫塔，
申请(专利权)人：宾夕法尼亚大学理事会，
类型：发明
国别省市：美国;US
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