一种楼宇间导航系统技术方案

本发明专利技术涉及一种楼宇间导航系统，包括设有多个UWB基站的UWB定位系统、设有MEMS定位系统和定位标签的待定位无人机、误差修正系统，所述误差修正系统将位置信息与位姿信息通过自适应渐消Kalman滤波方法进行数据融合和误差修正。本发明专利技术的有益效果是：采用了一种基于UWB/MEMS组合导航技术的消防无人机自主导航系统，有效综合了UWB导航系统和机载MEMS导航系统各自的优点，在城市环境下依然具有足够准确稳定的无人机位置姿态输出，同时通过采用自适应渐消kalman滤波方法来应对模型不确定对导航精度带来的不利影响，保障了消防无人机可以有效完成给定任务。

【技术实现步骤摘要】
一种楼宇间导航系统
本专利技术属于室外导航
，尤其涉及一种楼宇间导航系统。
技术介绍
随着科学技术的发展，无人机作为各类灾害事故辅助救援的基本平台已经得到广泛重视和应用。国内外的专家学者利用无人机技术、传感器技术、现代通信技术等研发了诸多消防无人机，主要用于火场灾情侦测、森林防火监测、火场辅助灭火以及人员辅助救援等。在火灾现场抢险救援及火灾灾情侦查方面，无人机机动性强，可以第一时间出动、快速到达现场等优势，所以在楼宇灭火方面，消防无人机具有其独到的优势。设计消防无人机的必要前提是为其提供足够精确的位姿信息，一方面，精确的位姿信息是无人机稳定飞行的必备信息；另一方面，无人机飞向目标地点并对无人机朝向进行调整离不开精确的位姿信息。为了解决这一问题，需要一种适用于城市环境的、能够提供实时位姿信息的无人机自主导航系统。但是，由于高楼对于GPS信号存在着十分严重的遮挡情况，传统的GPS导航手段将面临可见星数目锐减、卫星信号多路径效应严重等问题，导致依赖于GPS的无人机导航系统无法有效提供准确的导航信息。超宽带(Ultra-WideBand,UWB)技术近年来得到了前所未有的发展，其具有传输速率高、功耗低、安全性高、布设容易、系统复杂度低等特点,所以在无线定位的应用上具有很大的优势。利用UWB定位技术测得定位标签相对于定位基站之间无线电信号传播的时间差，从而得出定位标签相对于定位基站的距离，得出目标携带的UWB标签相对于参照标签的位置信息。但目前存在的技术问题是：机载MEMS导航系统由于系统本身采用积分式的计算方法对位置角度等导航信息进行递推的原因，导航误差随时间累积，无法满足消防无人机长时间的导航精度要求。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出一种楼宇间导航系统的技术方案，使导航系统在城市环境下准确稳定地为无人机提供导航服务，保障消防无人机可以有效完成给定任务。为了实现上述目的，本专利技术的技术方案是：一种楼宇间导航系统，包括设有多个UWB基站的UWB定位系统、设有MEMS定位系统和定位标签的待定位无人机、误差修正系统，所述UWB定位系统获得所述待定无人机体在导航坐标系下的位置信息，所述MEMS定位系统利用AHRS计算得到所述待定位无人机在导航坐标系下的位姿信息，其特征在于，所述误差修正系统将所述位置信息与所述位姿信息通过自适应渐消Kalman滤波方法进行数据融合和误差修正。更进一步，所述UWB定位系统可以包括四个所述UWB基站，所述四个UWB基站分布在一个矩形的四个顶角位置。更进一步，所述UWB定位系统可以包括八个所述UWB基站，所述八个UWB基站分布在一个立方体的八个顶角位置。更进一步，所述组合导航系统的数学模型包括：其中，t0是初始时间，x0是初始状态变量，t是时间，x(t)为惯性导航系统的系统状态变量；F(t)为惯性导航系统的系统矩阵；C(t)是惯性导航系统输出矩阵；B(t)w(t)为惯性导航系统的系统过程噪声，D(t)ν(t)为惯性导航系统的量测噪声；其中，和分别为惯性导航系统中东向、北向和天向加速度计误差，εE，εN和εU分别为东向、北向和天向陀螺漂移；ν(t)＝[νEνNνU]T，νE，νN和νU分别为东向、北向和天向位置观测噪声。其中，B(t)w(t)～N(0,Q)和D(t)ν(t)～N(0,R)均为高斯白噪声，Q和R均为正定的协方差矩阵，其中，03×3为维数3×3的零矩阵，I3×3为维数3×3的单位矩阵；其中为导航坐标系相对惯性坐标系的旋转角速度在导航坐标系中的表达，ωie为地球自转角速度，ωen为牵连角速度，代表在导航坐标系下的表示，ωN，ωE，ωU为在北向、东向、天向的分量；RM,RN分别为地球子午圈和卯酉圈半径；h为无人机距地面高度，代表当地纬度；为载体坐标系至导航坐标系的姿态转换矩阵，fb为在载体坐标系下惯导所敏感的比力，vE,vN,vU为载体的运动速度在导航坐标系中的表达；为姿态转换矩阵；fU，fE，fN分别代表导航坐标系下的比力，符号×代表求取对应向量的反对称矩阵。更进一步，所述在载体坐标系下惯导所敏感的比力为[00g]T，g为地球重力加速度，载体在导航坐标系中的运动速度为0，消防无人机距地面高度为0，在导航坐标系中导航坐标系相对惯性坐标系的旋转角速度为0，地球自转角速度为0，地球子午圈和卯酉圈半径为地球半径，一阶、二阶误差量为0。更进一步，所述，消防无人机的惯性导航系统离散误差状态空间数学模型和步骤3中的位置误差观测值Δp，利用自适应渐消kalman滤波技术可得：Pk,k-1＝λkAPk-1AT+Q(16)Pk＝[I-KkH]Pk,k-1(19)λk＝max{1,trace(Nk)/trace(Mk)}(22)其中，代表上一步滤波结果，代表状态一步预测，Pk,k-1代表一步预测误差方差，Kk代表滤波增益，Pk代表当前步滤波误差方差，Pk-1代表k-1步的滤波误差方差，Q代表过程噪声的协方差矩阵，R代表量测噪声的协方差矩阵；I代表对应维度的单位矩阵；λk代表k步的渐消因子，trace代表矩阵的迹。本专利技术的有益效果是：采用了一种基于UWB/MEMS组合导航技术的消防无人机自主导航系统，有效综合了UWB导航系统和机载MEMS导航系统各自的优点，在城市环境下依然具有足够准确稳定的无人机位置姿态输出，同时通过采用自适应渐消kalman滤波方法来应对模型不确定对导航精度带来的不利影响，保障了消防无人机可以有效完成给定任务。下面结合附图和实施例对本专利技术作一详细描述。附图说明图1是本专利技术的系统框图；图2是本专利技术的系统流程图；图3是本专利技术的UWB基站布放方式示意图；图4是现有技术纯惯导解算姿态角误差中的俯仰角偏差。图5是现有技术纯惯导解算姿态角误差中的偏航角偏差。图6是现有技术纯惯导解算姿态角误差中的滚转角偏差。图7是现有技术纯惯导速度误差中的X向误差。图8是现有技术纯惯导速度误差中的Y向误差。图9是现有技术纯惯导速度误差中的Z向误差。图10是现有技术纯惯导位置误差中的X向误差。图11是现有技术纯惯导位置误差中的Y向误差。图12是现有技术纯惯导位置误差中的Z向误差。图13是本专利技术组合导航系统解算姿态角误差中的俯仰角偏差。图14是本专利技术组合导航系统解算姿态角误差中的偏航角偏差。图15是本专利技术组合导航系统解算姿态角误差中的滚转角偏差。图16是本专利技术组合导航系统速度误差中的X向误差。图17是本专利技术组合导航系统速度误差中的Y向误差。图18是本专利技术组合导航系统速度误差中的Z向误差。图19是本专利技术组合导航系统位置误差中的X向误差。图20是本专利技术组合导航系统位置误差中的Y向误差。图21是本专利技术组合导航系统位置误差中的Z向误差。具体实施方式本专利技术提供了一种楼宇间导航系统，是一种基于UWB/MEMS组合导航技术的消防无人机自主导航系统，通过在楼宇相关位置布设UWB基站及配套设备，首先构建适用于消防无人机的UWB导航定位系统和机载MEMS导航系统；进一步通过自适应渐消kalman滤波技术对UWB导航定位系统提供的位置信息与机载MEMS导航系统提供的位姿信息进行数据融合，有效提高了消防无人机导航系统的精度和鲁棒性。本专利技术的导航原理是：根据消防无人机的导航需求，在楼宇相关位置有选择地布设UWB基站，构建适用于消防无人本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种楼宇间导航系统，包括设有多个UWB基站的UWB定位系统、设有MEMS定位系统和定位标签的待定位无人机、误差修正系统，所述UWB定位系统获得所述待定无人机体在导航坐标系下的位置信息，所述MEMS定位系统利用AHRS计算得到所述待定位无人机在导航坐标系下的位姿信息，其特征在于，所述误差修正系统将所述位置信息与所述位姿信息通过自适应渐消Kalman滤波方法进行数据融合和误差修正。

【技术特征摘要】
1.一种楼宇间导航系统，包括设有多个UWB基站的UWB定位系统、设有MEMS定位系统和定位标签的待定位无人机、误差修正系统，所述UWB定位系统获得所述待定无人机体在导航坐标系下的位置信息，所述MEMS定位系统利用AHRS计算得到所述待定位无人机在导航坐标系下的位姿信息，其特征在于，所述误差修正系统将所述位置信息与所述位姿信息通过自适应渐消Kalman滤波方法进行数据融合和误差修正。2.根据权利要求1所述的一种楼宇间导航系统，其特征在于，所述UWB定位系统包括四个所述UWB基站，所述四个UWB基站分布在一个矩形的四个顶角位置。3.根据权利要求1所述的一种楼宇间导航系统，其特征在于，所述UWB定位系统包括八个所述UWB基站，所述八个UWB基站分布在一个立方体的八个顶角位置。4.根据权利要求1所述的一种楼宇间导航系统，其特征在于，所述组合导航系统的数学模型包括：其中，t0是初始时间，x0是初始状态变量，t是时间，x(t)为惯性导航系统的系统状态变量；F(t)为惯性导航系统的系统矩阵；C(t)是惯性导航系统输出矩阵；B(t)w(t)为惯性导航系统的系统过程噪声，D(t)ν(t)为惯性导航系统的量测噪声；其中，w(t)＝[▽E▽N▽UεEεNεU]T,▽E,▽N和▽U分别为惯性导航系统中东向、北向和天向加速度计误差，εE，εN和εU分别为东向、北向和天向陀螺漂移；ν(t)＝[νEνNνU]T，νE，νN和νU分别为东向、北向和天向位置观测噪声。其中，B(t)w(t)～N(0,Q)和D(t)ν(t)～N(0,R)均为高斯白噪声，Q和R均为正定的协方差矩阵，B(t)＝[I3×303×303×3]，其中，03×3为维数3×3的零矩阵，I3×3为维数3×3的单位矩阵；其中...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁源，徐兵，
申请(专利权)人：北京壹氢科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11