一种无人机自主导航系统及其导航方法技术方案

本发明专利技术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；本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及无人机自主导航系统及导航方法，具体地，涉及一种应对无GPS信号情况的无人机自主导航系统。
技术介绍
无人机具有体型小、成本低等优点，而且随着飞控技术、通信技术和电子技术的快速发展，无人机的性能不断增强，类型不断增多，使其在军用领域和民用领域的应用需求不断增大，使用率日益增高。但由于无人机平台的局限性，无法自身判断航线及飞行路径，因此真正能实现自主导航飞行的技术很少。目前解决无人机导航的方法有GPS导航，实现起来严重依赖GPS卫星信号，遇到信号不稳定或信号丢失的情况，无人机便无法实现自主飞行。
技术实现思路
为了克服上述问题，专利技术人进行了锐意研究，设计出一种无人机自主导航系统，用于应对无GPS信号的情况，从而完成本专利技术。本专利技术一方面提供了一种无人机自主导航系统，用于应对无GPS信号的情况下的导航，具体体现在以下方面：(1)一种无人机自主导航系统，用于应对无GPS信号的情况，其中，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；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；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；(2)根据上述(1)所述的系统，其中，所述中央处理模块3还用于接收参数导航模块1输出的无人机的状态参数，并对其处理，优选卡尔曼滤波处理，得到无人机的飞行参数，并将其输出给航向控制模块5；所述中央处理模块3同时还用于接收雷达导航模块2输出的航向信息，并将其输出给航向控制模块5；(3)根据上述(1)或(2)所述的系统，其中，雷达导航模块2、信息储存模块4和航向控制模块5均通过现场总线与中央处理模块3进行通信；优选地，参数导航模块1、雷达导航模块2和信息储存模块4分别将获取的信息或参数输出给中央处理模块3，中央处理模块3接收到信息或参数后任选地进行处理，然后输出给航向控制模块5，进行导航；(4)根据上述(1)至(3)之一所述的系统，其中，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接收器用于接收GPS信号；所述姿态传感器用于输出无人机的姿态参数；所述磁传感器用于输出无人机所在位置的地磁参数；所述气压高度计用于输出无人机所在位置的气压参数和高度参数；所述图像采集器用于拍摄环境信息，并进行信息输出；(5)根据上述(1)至(4)之一所述的系统，其中，所述图像采集器15包括两个摄像机和一个三轴云台；(6)根据上述(1)至(5)之一所述的系统，其中，所述雷达导航模块2包括雷达通信装置21和雷达校验装置22，其中，所述雷达通信装置21用于己方船舰与无人机之间的通信，所述雷达校验装置22用于校验己方船舰；(7)根据上述(1)至(6)之一所述的系统，其中，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定位和运动状态估算，得到无人机的飞行参数；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、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；优选地，在GPS信号长时间丢失、参数导航模块失效、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；(8)根据上述(1)至(7)之一所述的系统，其中，所述信息储存模块4包括信息储存器41和缓存器42，其中，所述信息存储器41用于储存从起始点到目标点的全部环境地理信息，并将其中的局部环境地理信息按照中央处理模块的指令存储到缓存器42中；所述缓存器42用于存储被缓存的局部环境地理信息；所述局部地理信息是指无人机当前位置5km范围内的环境地理信息。本专利技术另一方面还公开了一种无人机自主导航的方法，具体体现在：(9)一种无人机自主导航的方法，优选利用上述(1)至(8)之一所述的无人机自主导航系统进行导航，其中，在无人机起飞前，将起始点到目标点的全部环境地理信息储存于信息储存器41中，中央处理模块3输出指令，令信息储存器41将局部地理信息传送到缓存器42中，以在长时间无GPS信息时利用缓存的局部环境地理信息进行航向路径的规划；和/或在无人机起飞前，将己方船舰雷达信息存储在雷达导航模块2的雷达校验装置22中，以进行己方船舰的校验；(10)根据上述(9)所述的系统，其中，当GPS信号稳定或未丢失时，GPS接收器接收GPS信号，并将其传送到中央处理模块3，中央处理模块3将接收到的信号与缓存器42中的局部环境地理信息实时同步并实时输出航向信息到航向控制模块5，进行导航；当GPS信号不稳定或短暂丢失时(GPS信号丢失不超过20s)，中央处理模块3接收到参数导航模块1传输的地磁参数、气压参数、姿态参数和高度参数，并利用卡尔曼滤波子模块31进行处理，得到无人机的飞行参数，并实时将飞行参数输出给航向控制模块5，以进行导航；当GPS信号长时间丢失并无法利用参数导航模块导航(GPS信号丢失20s以上)时，采用雷达导航模块2输出航向信息：雷达导航模块2校验己方船舰，并输出位置请求指令，中央处理模块3接收到来自舰船的航向信息后输出给航向控制模块5，进行导航；当GPS卫星信号长时间丢失、参数导航模块失效(GPS信号丢失20s以上)、无法接收到雷达信号时，中央处理模块3利用路径规划子模块32规划航向路径，同时，利用双目避障子模块33协助避开障碍物，在路径规划子模块32)和双目避障子模块33共同作用下输出航向信息，并实时将航向信息输出给航向控制模块5，以进行导航。附图说明图1示出本专利技术所述无人机自主导航系统的结构示意图；图2示出本专利技术所述卡尔曼滤波子模块的工作示意图；图3示出本专利技术所述无人机自主导航系统的工作流程图。附图标记1-参数导航模块11-GPS接收器12-姿态传感器13-磁传感器14-气压高度计15-图像采集器16-计时器2-雷达导航模块21-雷达通信装置22-雷达校验装置3-中央处理模块31-卡尔曼滤波子模块311-参数处理子模块312-滤波处理子模块32-路径规划子模块33-双目避障子模块4-信息储存模块41-信息储存器42-缓存器5-航向控制模块具体实施方式下面通过附图对本专利技术进一步详细说明。通过这些说明，本专利技术的特点和优点将变得更为清楚明确。本专利技术一方面提供了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，其中，如图1所示，所述系统包括参数导航模块1、雷达导航模块2、中央处理模块3、信息储存模块4和航向控制模块5。其中，所述参数导航模块1用于在G本文档来自技高网...

【技术保护点】
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；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)；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。

【技术特征摘要】
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；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)；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。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述中央处理模块(3)还用于接收参数导航模块(1)输出的无人机的状态参数，并对其处理，优选卡尔曼滤波处理，得到无人机的飞行参数，并将其输出给航向控制模块(5)；所述中央处理模块(3)同时还用于接收雷达导航模块(2)输出的航向信息，并将其输出给航向控制模块(5)。3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，雷达导航模块(2)、信息储存模块(4)和航向控制模块(5)均通过现场总线与中央处理模块(3)进行通信；优选地，参数导航模块(1)、雷达导航模块(2)和信息储存模块(4)分别将获取的参数或信息输出给中央处理模块(3)，中央处理模块(3)接收到参数或信息后任选地进行处理，然后输出给航向控制模块(5)，进行导航。4.根据权利要求1至3之一所述的系统，其特征在于，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接收器用于接收GPS信号；所述姿态传感器用于输出无人机的姿态参数；所述磁传感器用于输出无人机所在位置的地磁参数；所述气压高度计用于输出无人机所在位置的气压参数和高度参数；所述图像采集器用于拍摄环境信息，并进行信息输出。5.根据权利要求1至4之一所述的系统，其特征在于，所述图像采集器(15)包括两个摄像机和一个三轴云台。6.根据权利要求1至5之一所述的系统，其特征在于，所述雷达导航模块(2)包括雷达通信装置(21)和雷达校验装置(22)，其中，所述雷达通信装置(21)用于己方船舰与无人机之间的通信，所述雷达校验装置(22)用于校验己方船舰。7.根据权利要求1至6之一所述的系统，其特征在于，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；所述路径规划子...

【专利技术属性】
技术研发人员：林时尧，王伟，林德福，王江，裴培，王广山，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11