一种无人机室内外切换导航系统技术方案

本发明专利技术公开了一种无人机室内外切换导航系统，包括：感知定位系统，其包括视觉定位模块、卫星定位模块、室内外导航切换模块、环境地图构建模块和出口检测模块；自主避障系统，其包括航路规划模块和自主避障模块；无人机，其根据所述自主避障系统的控制指令执行自主飞行和自主避障。本发明专利技术的有益效果为：提供连续、高频、长时精度均较高的导航参数，以实现基于无缝导航技术的无人机室内外自主飞行和自主避障。

A Switching Navigation System for UAV Indoor and Outdoor

The invention discloses an indoor and outdoor switching navigation system for UAV, which comprises a perceptual positioning system, including a visual positioning module, a satellite positioning module, an indoor and outdoor navigation switching module, an environmental map building module and an exit detection module, an autonomous obstacle avoidance system, including a route planning module and an autonomous obstacle avoidance module, and an UAV, according to the control of the autonomous obstacle avoidance system. Instructions are executed for autonomous flight and obstacle avoidance. The beneficial effect of the invention is to provide navigation parameters with high continuous, high frequency and long-term accuracy to realize autonomous flight and obstacle avoidance of UAV indoor and outdoor based on seamless navigation technology.

【技术实现步骤摘要】
一种无人机室内外切换导航系统
本专利技术涉及无人机
，具体而言，涉及一种无人机室内外切换导航系统。
技术介绍
随着社会进入移动互联时代，室内定位成为了位置服务的研究热点，同时也开启了室内外无缝定位的新纪元。区域化的定位已经不能满足人们对位置服务的要求。人们需要全方位的、不受环境约束的定位服务，这就需要定位技术实现在不同的场景下的平稳过渡，而室内外组合定位技术和无缝定位技术的目的正是要融合室外和室内的定位技术，以满足人们对导航服务更高的要求。目前，尚没有一种单一的定位技术能够满足人们对室内外全方位服务的要求。虽然在室外开阔区域，全球卫星导航系统已经足以提供成熟的定位服务，但是在室外遮挡环境下，单纯依靠全球卫星导航系统依然存在诸多的限制和不足。近年来，室内定位得到了飞速发展，甚至部分定位方案已经开始了商业化应用。但室内定位是独立发展起来的，与室外全球卫星导航系统存在先天的缝隙，在此情况下实现室外遮挡环境下定位、室内环境下定位、室内外交互区域定位和定位系统之间的切换问题就成为了室内外定位技术研究中的焦点。未来定位技术的发展趋势之一就是将室外导航定位和室内定位技术相结合，即可以实现室外环境下的定位，又可以实现室内环境下的位置服务，同时将两种技术综合使用以实现室内外过渡阶段的精确定位。另外，将综合定位应用在无人机也是发展的一个新方向，现有的无人机可以在室外自主导航，完成一些简单的飞行任务，但是不可以在杂乱的建筑物内和障碍遍布的环境下实现自主导航飞行，无法实现高级别的飞行任务。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术的目的在于提供一种无人机室内外切换导航系统，提供连续、高频、长时精度均较高的导航参数，以实现基于无缝导航技术的无人机室内外自主飞行和自主避障。本专利技术提供了一种无人机室内外切换导航系统，包括：感知定位系统，其包括视觉定位模块、卫星定位模块、室内外导航切换模块、环境地图构建模块和出口检测模块；无人机判断是否满足室内外切换条件并下发导航切换指令，所述室内外导航切换模块接收无人机发送的进行室内外切换指令后，启动出口检测模块，所述出口检测模块寻找室内外出口并根据航点规划路线驶向出口，所述室内外导航切换模块融合所述视觉定位模块和卫星定位模块的实时定位数据，并将无人机的位置、速度发送给自主避障系统；所述环境地图构建模块根据所述视觉定位模块的环境感知数据建立稠密或半稠密地图，利用地图提取出障碍物信息，并将障碍物坐标信息发送给自主避障系统；其中，在室外环境下，利用所述卫星定位模块实现无人机的实时定位；在室内环境下，利用所述视觉定位模块实现无人机的实时定位，并利二维激光进行障碍物检测、躲避、识别门并穿过；自主避障系统，其包括航路规划模块和自主避障模块，所述航路规划模块接收发送的无人机位置、速度以及障碍物坐标信息，并通过控制指令驱动无人机按照航点规划路线自主飞行，所述自主避障模块利用二维激光束照射到障碍物后的返回值判断其方位，并通过控制指令驱动无人机调整偏航角并实现自主避障；无人机，其根据所述自主避障系统的控制指令执行自主飞行和自主避障。作为本专利技术进一步的改进，所述视觉定位模块包括视觉传感器和激光传感器，所述视觉传感器进行环境感知和视觉定位，所述激光传感器进行激光定位和激光避障，环境感知的数据融合后输入所述环境地图构建模块建立环境地图，视觉定位和激光定位的数据融合后获取无人机的位置、速度，激光避障的数据与环境地图数据融合后提取出障碍物信息，无人机的位置、速度和障碍物信息发送给所述自主避障系统；所述卫星定位模块包括GPS和IMU，IMU计算出无人机的位置、速度和姿态，将所得结果与GPS解算获得的位置、速度相组合，进行组合导航滤波，然后利用滤波结果闭环校正IMU输出的姿态导航参数，从而完成导航定位输出，同时对IMU的误差进行反馈校正，以进行下一次导航滤波。作为本专利技术进一步的改进，组合导航滤波时，使用间接法分散卡尔曼滤波，将IMU作为参考子系统，主滤波器的状态方程采用IMU的误差状态方程，推到位置、速度和姿态误差的传播的微分方程，并对加速度计和陀螺仪误差建模；取15维状态变量：式中，为IMU平台误差矩阵向量，分别为东向、北向和天向IMU平台误差角，分别为沿东向、北向和天向的速度误差，δP＝[δLδλδh]，δL、δλ、δh分别为纬度、经度和高度误差，ba＝[baebanbaμ]，bae、ban、baμ分别为陀螺沿东向、北向和天向的常值漂移，bg＝[bgebgnbgμ]，bge、bgn、bgμ分别为加速度计沿东向、北向和天向的常值漂移；得状态方程：式中，w为测量噪声向量；系统噪声协方差矩阵：式中，分别为陀螺随机噪声、加速度计随机噪声、加速度计零偏变化和陀螺零偏变化的功率谱密度，假设所有陀螺和加速度计有相同的噪声特性；观测方程为：式中，PGPS、PIMU分别为GPS和IMU的位置，vGPS、vIMU分别为GPS和IMU的速度，δPGPS、δPIMU分别为GPS和IMU的位置误差，δvGPS、δvIMU分别为GPS和IMU的速度误差，姿态误差和陀螺零偏通过杆臂项在测量中是弱祸合的，测量矩阵经常近似为：测量噪声近似为测量噪声协方差阵假设为常值对角阵：其中，分别代表GPS纬度、经度和高度得测量噪声方差，分别代表东向、北向和天向速度的测量噪声方差。作为本专利技术进一步的改进，所述视觉传感器采用IDS-ueyeUSB单目摄像头，其图像输出速率为80帧/秒，供电电压为5V，接口类型为USB，重量为30g，功耗为5V/30mA。作为本专利技术进一步的改进，所述激光传感器采用UTM-30LX的2D激光雷达以实现对障碍物和门的识别与检查，该激光雷达的测量范围为30m，270°，输入电压为DC12V，扫描时间为25msec/scan。作为本专利技术进一步的改进，所述卫星定位模块采用MTi-G-700作为IMU和GPS的数据源。作为本专利技术进一步的改进，所述无人机采用MATRICE100四轴飞行器，其上搭载Guidance模块和Manifold模块，机载计算机采用pico880型计算机。作为本专利技术进一步的改进，无人机判断是否满足室内外切换条件的方法为：当所述视觉定位模块定位检测到多次闭环，代表室内已经充分建图，则可以进行室内外的切换。作为本专利技术进一步的改进，当从室外切换到室内时：事先规划一条无人机在GPS系统坐标系下的运动轨迹，引导无人机从室外向室内，当无人机进入室内且GPS信号不可使用后，无人机停在原处启动激光定位，待激光建图稳定后，在室内导航坐标系下运行一段轨迹后结束；当从室内切换到室外时：无人机在室内环境下启动激光定位，无人机在激光定位下朝着出口运动，出门后若激光定位不可使用，丢弃激光定位并继续朝外运动，等待GPS信号有效之后切换为GPS导航信号并在GPS导航下沿着规划的运动轨迹运动到终点；当从室外切换到室内再切换到室外：事先规划一条无人机在GPS系统坐标系下的运动轨迹，引导无人机从室外向室内，当无人机进入室内且GPS信号不可使用后，无人机停在原处启动视觉定位，并与激光定位对比完成自检，待视觉建图稳定后，在室内导航坐标系下运行一段轨迹后，无人机在视觉定位下朝着出口运动，出门后继续朝外运动，等待GPS信号有效之后切换为GPS导航信号并在GPS导航下沿着规本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无人机室内外切换导航系统，其特征在于，包括：感知定位系统，其包括视觉定位模块、卫星定位模块、室内外导航切换模块、环境地图构建模块和出口检测模块；无人机判断是否满足室内外切换条件并下发导航切换指令，所述室内外导航切换模块接收无人机发送的进行室内外切换指令后，启动出口检测模块，所述出口检测模块寻找室内外出口，所述室内外导航切换模块融合所述视觉定位模块和卫星定位模块的实时定位数据，并将无人机的位置、速度发送给自主避障系统；所述环境地图构建模块根据所述视觉定位模块的环境感知数据建立稠密或半稠密地图，利用地图提取出障碍物信息，并将障碍物坐标信息发送给自主避障系统；其中，在室外环境下，利用所述卫星定位模块实现无人机的实时定位；在室内环境下，利用所述视觉定位模块实现无人机的实时定位，并利二维激光进行障碍物检测、躲避、识别门并穿过；自主避障系统，其包括航路规划模块和自主避障模块，所述航路规划模块接收发送的无人机位置、速度以及障碍物坐标信息，并通过控制指令驱动无人机按照航点规划路线自主飞行，所述自主避障模块利用二维激光束照射到障碍物后的返回值判断其方位，并通过控制指令驱动无人机调整偏航角并实现自主避障；无人机，其根据所述自主避障系统的控制指令执行自主飞行和自主避障。...

【技术特征摘要】
1.一种无人机室内外切换导航系统，其特征在于，包括：感知定位系统，其包括视觉定位模块、卫星定位模块、室内外导航切换模块、环境地图构建模块和出口检测模块；无人机判断是否满足室内外切换条件并下发导航切换指令，所述室内外导航切换模块接收无人机发送的进行室内外切换指令后，启动出口检测模块，所述出口检测模块寻找室内外出口，所述室内外导航切换模块融合所述视觉定位模块和卫星定位模块的实时定位数据，并将无人机的位置、速度发送给自主避障系统；所述环境地图构建模块根据所述视觉定位模块的环境感知数据建立稠密或半稠密地图，利用地图提取出障碍物信息，并将障碍物坐标信息发送给自主避障系统；其中，在室外环境下，利用所述卫星定位模块实现无人机的实时定位；在室内环境下，利用所述视觉定位模块实现无人机的实时定位，并利二维激光进行障碍物检测、躲避、识别门并穿过；自主避障系统，其包括航路规划模块和自主避障模块，所述航路规划模块接收发送的无人机位置、速度以及障碍物坐标信息，并通过控制指令驱动无人机按照航点规划路线自主飞行，所述自主避障模块利用二维激光束照射到障碍物后的返回值判断其方位，并通过控制指令驱动无人机调整偏航角并实现自主避障；无人机，其根据所述自主避障系统的控制指令执行自主飞行和自主避障。2.根据权利要求1所述的无人机室内外切换导航系统，其特征在于，所述视觉定位模块包括视觉传感器和激光传感器，所述视觉传感器进行环境感知和视觉定位，所述激光传感器进行激光定位和激光避障，环境感知的数据融合后输入所述环境地图构建模块建立环境地图，视觉定位和激光定位的数据融合后获取无人机的位置、速度，激光避障的数据与环境地图数据融合后提取出障碍物信息，无人机的位置、速度和障碍物信息发送给所述自主避障系统；所述卫星定位模块包括GPS和IMU，IMU计算出无人机的位置、速度和姿态，将所得结果与GPS解算获得的位置、速度相组合，进行组合导航滤波，然后利用滤波结果闭环校正IMU输出的姿态导航参数，从而完成导航定位输出，同时对IMU的误差进行反馈校正，以进行下一次导航滤波。3.根据权利要求2所述的无人机室内外切换导航系统，其特征在于，组合导航滤波时，使用间接法分散卡尔曼滤波，将IMU作为参考子系统，主滤波器的状态方程采用IMU的误差状态方程，推到位置、速度和姿态误差的传播的微分方程，并对加速度计和陀螺仪误差建模；取15维状态变量：式中，为IMU平台误差矩阵向量，分别为东向、北向和天向IMU平台误差角，δV＝[δveδvnδvμ]，δve、δvn、δvμ分别为沿东向、北向和天向的速度误差，δP＝[δLδλδh]，δL、δλ、δh分别为纬度、经度和高度误差，ba＝[baebanbaμ]，bae、ban、baμ分别为陀螺沿东向、北向和天向的常值漂移，bg＝[bgebgnbgμ]，bge、bgn、bgμ分别为加速度计沿东向、北向和天向的常值漂移；得状态方程：式中，w为测量噪声向量；系统噪声协方差矩阵：式中，分别为陀螺随机噪声、加速度计随机噪声、加速度计零偏变化和陀螺零偏变化的功率谱密度，假设所有陀螺和加速度计有相同的噪声特性；观测方程为：式中，PGPS、PIMU分别为GPS和IMU的位置...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵小川，刘培志，胡雄文，徐凯，宋刚，刘华鹏，
申请(专利权)人：中国兵器工业计算机应用技术研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11