非卫星导航定位环境的桥梁检测无人机系统技术方案

本发明专利技术公开了一种非卫星导航定位环境的桥梁检测无人机系统，包括无人机飞行平台、机载组合定位模块、机载监测模块和地面站控制系统。所述无人机飞行平台包括无人机本体、电源、动力模块、飞行控制器和机载无线通信终端，所述机载组合定位模块包括微惯性测量单元、超宽带导航定位模块、光流量测模块和气压计，所述机载监测模块包括机载环境监测传感器、视觉传感器和雷达传感器，所述地面站控制系统包括地面无线基础设施、地面站规划控制软件和地面站数据处理软件。本发明专利技术采用了基于UWB、MIMU、OF、RAR的组合导航定位方式，提高了无人机在全球卫星导航定位环境下的可定位性和导航定位精度，并且通过光流模块进行桥梁复杂环境近距离障碍物观测。

【技术实现步骤摘要】
非卫星导航定位环境的桥梁检测无人机系统
本专利技术涉及桥梁检测、无人机导航定位
，特别涉及一种非卫星导航定位环境的桥梁检测无人机系统。
技术介绍
近年来，我国交通建设发展迅速，大规模桥梁相继完工。全球大跨度桥梁，我国占比已超过50％。桥梁的健康检测关系着交通运输的安全和人民的生命财产安全。当前常用的检测手段为人工目测或使用桥梁检测车，均有一定局限性：人工目测会存在检测盲区和监测效率低等问题，而使用桥梁检测车费用高、机动性差、影响桥梁使用。目前，无人机技术不断发展，检测应用前景良好。针对传统桥梁检测手段的局限性，国内已提出多种用于桥梁检测的无人机。针对桥梁的钢索、桥墩、桥墩支座、桥塔、桥腹等部位部件损伤及结构变化的检测，无人机具备诸多的优势，如低成本、机动性、便携性、实时性等。现有的用于桥梁检测的无人机平台也不可避免地有一些局限，关键问题是解决无人机在桥梁复杂环境下的高精度定位和自主避障。无人机主要依靠GNSS技术获取全域绝对位置信息。在桥梁环境的卫星信号较少情况下，低成本GNSS定位收敛时间长，在无人机高速运动时导航定位信息滞后情况非常明显；尤其在桥梁的非空旷环境下，卫星信号会受到桥梁结构或障碍物的严重遮挡，致使定位精度下降甚至不能定位。避障技术是增加无人机安全飞行的保障，在桥梁环境下尤为需要；消费级无人机和航测无人机以正射影像拍摄为主，基本只基于GNSS控制航迹，不能满足无人机桥梁复杂环境下的极高避障要求。
技术实现思路
针对现有的无人机平台在桥梁监测环境存在导航定位和自主避障的局限性，本专利技术提供一种桥梁检测无人机系统，设计桥下非GNSS环境的局域组合导航定位和避障方案。为了实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案为：一种非卫星导航定位环境的桥梁检测无人机系统，包括无人机飞行平台、机载组合定位模块、机载监测模块和地面站控制系统，所述无人机飞行平台包括无人机本体、电源、动力模块、飞行控制器和机载无线通信终端，所述机载监测模块得到的信息通过机载无线通信终端实时传输至地面站控制系统；其特征在于：所述机载组合定位模块包括超宽带导航定位模块、微惯性导航系统、气压高度计和光流避障模块，所述机载监测模块包括机载环境监测传感器、视觉监测传感器和雷达建模传感器，所述飞行控制器分别与机载组合定位模块、机载监测模块和机载无线通信终端连接；所述机载无线通信终端包括机载数据传输模块、机载图像传输模块、遥控器接收器及UWB标签；所述微惯性导航系统用于获得无人机的角度和角速度；所述光流避障模块用于感知无人机与桥底面的相对运动速度、运动方向和距离；所述超宽带导航定位模块用于桥梁非GNSS空间的三维实时快速位置坐标解算；所述气压高度计用于高程位置的平滑滤波估计；所述飞行控制器，基于组合位姿信息实现无人机三级闭环控制，第一级为姿态控制，第二级为位置控制，第三级为机载传感器监测任务控制；所述姿态控制通过所连接的微惯性导航系统，基于姿态扩展卡尔曼滤波获得无人机的角度、角速度；所述位置控制通过所连接的超宽带导航定位模块、微惯性导航系统、气压计和光流避障模块组合，基于组合位置互补滤波估计无人机的位置和速度；所述传感器监测任务控制，基于地面站控制系统传输的计划任务、实时规划任务和设备遥控管理指令，实现包括机载环境监测传感器、视觉监测传感器和雷达建模传感器的计划与在线监测任务控制功能。所述地面站控制系统包括地面无线基础设施和地面站规划控制模块；所述地面无线基础设施包括对应机载无线通信终端的地面数据传输模块、地面图像传输模块、遥控发射器和UWB基站；所述地面站规划控制模块，通过连接对应的机载无线通信终端以及地面无线基础设施，集中采集机载传感器数据，以及基于控制律解算地面站任务的控制要求，形成控制指令和参数，将控制指令和控制参数传输到无人机飞行控制器，从而执行动作、标定航迹及向操作员提供规划辅助；所述地面站任务包括飞行模式、航线规划、感知控制。所述光流避障模块安装在无人机顶部，进行无人机顶部到桥梁底部的短距离测距和特征获取；利用图像序列中像素的时域变化以及相邻帧的差分，来测量其在桥梁底部成像平面上像素小运动的瞬时差异，从而估计平面方向的位移变化量、变化率和方向，实现无人机在桥梁下方的悬停自稳、定向飞行及定速飞行。所述环境监测传感器包括空速计、温湿计和气体传感器，所述视觉监测传感器包括高清摄像机或红外摄像机，所述雷达建模传感器包括合成孔径雷达、高光谱成像仪和微波雷达。所述UWB基站共有四个，分别采用碳纤杆固定在桥两侧，使得UWB基站信号和桥下机载接收机是直射视距路径或绕射路径。本专利技术的有益效果有：提供一种桥梁检测系统，由无人机飞行平台、机载组合定位模块、机载监测模块、地面站控制系统组成，针对现有的无人机桥梁检测系统中存在的非GNSS环境定位和避障问题，提出了由超宽带、微惯性组合定位和光流避障的方法，有效解决传统桥梁检测手段具有的受限性，如减少桥梁检测中的盲区和对交通的影响。附图说明图1是本专利技术系统原理图；图2是本专利技术系统组成框图；图3是桥梁监测无人机三级控制算法流程图；图4是第二级互补滤波采集与参数模型；图5是桥梁监测无人机模型图。具体实施方式下面结合附图，对本专利技术作详细说明：如图1所示，本专利技术一种非全球卫星导航定位(GNSS)环境的桥梁检测无人机系统，包括：无人机飞行平台、机载组合定位模块、机载监测模块、地面站控制系统；所述无人机飞行平台包括无人机本体、电源、动力模块、飞行控制器、机载无线通信终端；所述机载组合定位模块包括超宽带(UWB)导航定位模块、微惯性元件(MIMU)、气压高度计(BAR)、光流(OF)避障模块；所述机载监测模块包括机载环境监测传感器、视觉监测传感器和雷达建模传感器；所述地面站控制系统包括地面无线基础设施和地面站规划控制模块；所述飞行控制器由ARM处理器组成，内置SD卡，可存储信息，分别与机载组合定位模块、机载监测模块和机载无线通信终端连接。UWB组合定位方法所述机载组合导航定位模块，采用基于UWB定位模块、微惯性元件(MIMU)和气压高度计(BAR)的组合技术，UWB标签和UWB基站(已知坐标)保持高频脉冲通信链路和量测飞行时间(TOF，TimeofFlight)数据；九轴MIMU测量加速度、角速度和方向角信息；BAR获取气压高度信息；从而，进一步实现无人机在桥梁非GNSS环境下自主导航定位。1)利用MIMU数据解算无人机在三维(3D)空间的相对位置(x、y、z绝对坐标)和运动信息(速度、加速度、角速度)推算位移和转向角；2)利用UWB估计轨迹，利用位移和转向角修正UWB轨迹，利用UWB数据修正IMU误差；3)利用MIMU实时估计姿态(滚转、俯仰、偏航角度)，进行INS导航误差，利用UWB数据修正INS误差。相比于独立改进UWB、MIMU、激光的软/硬件技术，融合GNSS/MIMU/激光组合导航定位算法能更好互补误差。由于松耦合在实际工程应用中的简单可行，且具有很强的适用性，本专利技术采用GNSS/MIMU松耦合方式，用扩展卡尔曼滤波对参数进行估计，在保证高效率的同时实现对非线性非正态分布系统的最优估计。由于小型无人机的高机动性和不稳定性，对融合定位轨迹进一步进行贝叶斯非线性平滑算法，从而提高对非线性/非高斯序贯轨迹点的拟本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种非卫星导航定位环境的桥梁检测无人机系统，包括无人机飞行平台(1)、机载组合定位模块(2)、机载监测模块(3)和地面站控制系统(4)，所述无人机飞行平台(1)包括无人机本体(5)、电源、动力模块(6)、飞行控制器(7)和机载无线通信终端(8)，所述机载监测模块(3)得到的信息通过机载无线通信终端(8)实时传输至地面站控制系统(4)；其特征在于：所述机载组合定位模块(2)包括超宽带导航定位模块(9)、微惯性导航系统(10)、气压高度计(11)和光流避障模块(12)，所述机载监测模块(3)包括机载环境监测传感器(13)、视觉监测传感器(14)和雷达建模传感器(15)，所述飞行控制器(7)分别与机载组合定位模块(2)、机载监测模块(3)和机载无线通信终端(8)连接；所述机载无线通信终端(8)包括机载数据传输模块(29)、机载图像传输模块(30)、遥控器接收器(31)及UWB标签(19)；所述微惯性导航系统(10)用于获得无人机的角度和角速度；所述光流避障模块(12)用于感知无人机与桥底面的相对运动速度、运动方向和距离；所述超宽带导航定位模块(9)用于桥梁非GNSS空间的三维实时快速位置坐标解算；所述气压高度计(11)用于高程位置的平滑滤波估计；所述飞行控制器(7)，基于组合位姿信息实现无人机三级闭环控制，第一级为姿态控制，第二级为位置控制，第三级为机载传感器监测任务控制；所述姿态控制通过所连接的微惯性导航系统(10)，基于姿态扩展卡尔曼滤波获得无人机的角度、角速度；所述位置控制通过所连接的超宽带导航定位模块(9)、微惯性导航系统(10)、气压计(11)和光流避障模块(12)组合，基于组合位置互补滤波估计无人机的位置和速度；所述传感器监测任务控制，基于地面站控制系统传输的计划任务、实时规划任务和设备遥控管理指令，实现包括机载环境监测传感器(13)、视觉监测传感器(14)和雷达建模传感器(15)的计划与在线监测任务控制功能。...

【技术特征摘要】
1.一种非卫星导航定位环境的桥梁检测无人机系统，包括无人机飞行平台(1)、机载组合定位模块(2)、机载监测模块(3)和地面站控制系统(4)，所述无人机飞行平台(1)包括无人机本体(5)、电源、动力模块(6)、飞行控制器(7)和机载无线通信终端(8)，所述机载监测模块(3)得到的信息通过机载无线通信终端(8)实时传输至地面站控制系统(4)；其特征在于：所述机载组合定位模块(2)包括超宽带导航定位模块(9)、微惯性导航系统(10)、气压高度计(11)和光流避障模块(12)，所述机载监测模块(3)包括机载环境监测传感器(13)、视觉监测传感器(14)和雷达建模传感器(15)，所述飞行控制器(7)分别与机载组合定位模块(2)、机载监测模块(3)和机载无线通信终端(8)连接；所述机载无线通信终端(8)包括机载数据传输模块(29)、机载图像传输模块(30)、遥控器接收器(31)及UWB标签(19)；所述微惯性导航系统(10)用于获得无人机的角度和角速度；所述光流避障模块(12)用于感知无人机与桥底面的相对运动速度、运动方向和距离；所述超宽带导航定位模块(9)用于桥梁非GNSS空间的三维实时快速位置坐标解算；所述气压高度计(11)用于高程位置的平滑滤波估计；所述飞行控制器(7)，基于组合位姿信息实现无人机三级闭环控制，第一级为姿态控制，第二级为位置控制，第三级为机载传感器监测任务控制；所述姿态控制通过所连接的微惯性导航系统(10)，基于姿态扩展卡尔曼滤波获得无人机的角度、角速度；所述位置控制通过所连接的超宽带导航定位模块(9)、微惯性导航系统(10)、气压计(11)和光流避障模块(12)组合，基于组合位置互补滤波估计无人机的位置和速度；所述传感器监测任务控制，基于地面站控制系统传输的计划任务、实时规划任务和设备遥控管理指令，实现包括机载环境监测传感器(...

【专利技术属性】
技术研发人员：阳媛，张晶晶，戴鹏，李艺璇，樊佛莉，鲍小雨，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32