本发明专利技术公开了一种适用于地下黑暗环境的无人机定位导航系统及运行方法，包括：感知子系统、控制子系统、执行子系统；所述感知子系统，与所述控制子系统连接，用于基于多传感器融合为无人机进行导航和定位提供辅助，获取环境信息和位姿信息；控制子系统，与执行子系统连接，用于基于环境信息和所述位姿信息获取无人机的控制信号；所述执行子系统，与所述感知子系统连接，用于接收所述控制信号，基于所述控制信号完成定位导航任务。该系统通过综合利用多种传感器的数据信息，实现无人机在地下黑暗环境下的定位导航。通过LED照明源补光，利用双目深度相机和二维激光雷达进行环境感知，双目深度相机和惯性传感器等传感器用于地图构建和状态估计。建和状态估计。建和状态估计。
【技术实现步骤摘要】
适用于地下黑暗环境的无人机定位导航系统及运行方法
[0001]本专利技术属于无人机定位导航领域，特别是涉及一种适用于地下黑暗环境的无人机定位导航系统及运行方法。
技术介绍
[0002]无人机在军事、民用等领域的应用越来越广泛，其中定位导航是无人机最基本的功能之一。地下黑暗环境的弱GPS信号和有限的能见度对无人机定位导航提出了独特的挑战，这可能使无人机难以安全有效地导航。当前，随着无人机技术的发展，基于场景建模、场景识别和路径规划技术的移动无人机在室内外环境中得到了较多的应用。但在地下黑暗环境下，依赖无人机技术和定位导航技术等，完成地下黑暗环境下的定位导航，使其能飞行到指定地点的相关技术，仍处于研究阶段，未得到实际良好的应用。
[0003]目前在类似于地下黑暗环境的封闭环境中主要采用激光雷达、红外线等传感器进行环境感知和地图构建，再使用规划算法进行路径规划和控制指令生成。然而，在地下黑暗环境下，激光雷达和红外线等传感器的效果会受到很大的限制，传统的无人机定位导航系统很难实现精确的环境感知和状态估计，从而导致无人机定位导航的不稳定性和安全性问题，因此需要一种新的无人机定位导航系统来解决该问题。
技术实现思路
[0004]本专利技术的目的是提供一种适用于地下黑暗环境的无人机定位导航系统及运行方法，以解决上述现有技术存在的问题。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供了一种适用于地下黑暗环境的无人机定位导航系统，包括：
[0006]感知子系统、控制子系统、执行子系统；
[0007]所述感知子系统，与所述控制子系统连接，用于基于多传感器融合为无人机进行导航和定位提供辅助，获取环境信息和位姿信息；
[0008]所述控制子系统，与所述执行子系统连接，用于基于所述环境信息和所述位姿信息获取无人机的控制信号；
[0009]所述执行子系统，与所述感知子系统连接，用于接收所述控制信号，基于所述控制信号完成定位导航任务。
[0010]优选地，所述感知子系统包括：
[0011]照明源、双目深度相机、惯性传感器、二维激光雷达；
[0012]所述照明源用于对地下黑暗环境进行照明，提供有限范围内的稳定的光线环境；
[0013]所述双目深度相机用于拍摄地下黑暗环境的深度图像，并对所述深度图像进行处理，获取无人机位姿变化和视觉图，基于所述无人机位姿变化获取无人机的位置和姿态；
[0014]所述惯性传感器用于基于所述视觉图和惯性传感器约束对所述无人机的位置和姿态进行优化，获得所述位姿信息；
[0015]所述二维激光雷达用于获取地下黑暗环境的二维点云，并对所述地下黑暗环境的二维点云进行滤波和边界提取，获得所述环境信息。
[0016]优选地，所述照明源位于无人机四个机臂的末端，分别照明四个方向，相邻机臂上的所述照明源的照明方向互相垂直；
[0017]所述双目深度相机位于无人机机体中间偏向头部的位置，镜头朝向为无人机头部朝向；
[0018]所述惯性传感器位于无人机机体的中间，惯性传感器中心与无人机机体中心重合；
[0019]所述二维激光雷达位于无人机机体的中间，无人机机体与二维激光雷达之间使用自稳平台连接，二维激光雷达中心与无人机机体中心重合；
[0020]所述自稳平台从下到上由支架、自稳机构、顶端平台组成，支架连接下方无人机机体，自稳机构用于保持顶端平台的水平稳定，顶端平台与所述二维激光雷达进行硬性连接。
[0021]优选地，所述控制子系统包括：
[0022]决策模块，用于对所述环境信息进行求解，获得决策指令；
[0023]规划模块，用于基于所述环境信息、所述位姿信息、所述决策指令确定无人机控制信号。
[0024]优选地，所述执行子系统基于所述控制信号，向无人机发送执行信息，使无人机避让局部的障碍物，并跟踪全局路径，完成定位导航任务。
[0025]优选地，所述执行信息包括方向、速度、加速度、航向角和行驶轨迹。
[0026]本专利技术还提供了一种适用于地下黑暗环境的无人机定位导航系统的运行方法，包括以下步骤：
[0027]对无人机进行初始化操作，获得光照无人机；
[0028]基于所述光照无人机、双目深度相机和惯性传感器，获得位姿信息；
[0029]基于所述光照无人机和二维激光雷达，获得环境信息；
[0030]将所述位姿信息和所述环境信息发送至终端，获取工作任务；
[0031]基于所述工作任务和已有的地下黑暗环境的二维地图规划全局路径；
[0032]基于所述环境信息和所述位姿信息规划局部路径；
[0033]无人机完成所述工作任务。
[0034]优选地，所述获得光照无人机的过程包括：
[0035]通过终端发送指令启动无人机，对无人机进行初始化操作，获得初始化无人机；
[0036]对所述初始化无人机进行光照设置，获得所述光照无人机。
[0037]优选地，获得所述位姿信息的过程包括：
[0038]通过所述双目深度相机对地下黑暗环境进行拍摄，获取深度图像；
[0039]对所述深度图像进行处理，获得无人机视觉位姿数据和位姿变化；
[0040]基于惯性传感器获取无人机惯性位姿数据和位姿变化；
[0041]将所述无人机视觉位姿数据和位姿变化和所述无人机惯性位姿数据和位姿变化进行融合后进行非线性优化处理，获得所述光照无人机在地下黑暗环境中的位置和姿态；
[0042]对所述光照无人机在地下黑暗环境中的位置和姿态进行优化后进行检测，获得所述位姿信息。
[0043]优选地，获得所述环境信息的过程包括：
[0044]基于自稳平台维持所述二维激光雷达的水平稳定；
[0045]基于所述二维激光雷达获取地下黑暗环境的二维点云；
[0046]对所述地下黑暗环境的二维点云进行滤波和边界提取，获得地下黑暗环境的二维局部地图即所述环境信息。
[0047]优选地，所述规划全局路径的过程包括：
[0048]所述光照无人机根据所述已有的地下黑暗环境的二维地图，结合所述工作任务，采用混合A*算法，获得作业的全局最佳路径。
[0049]优选地，所述规划局部路径的过程包括：
[0050]基于所述全局最佳路径、所述环境信息、所述位姿信息规划局部路径，并采用五阶多项式对所述局部路径进行优化处理，获得光滑的局部路径。
[0051]本专利技术的技术效果为：
[0052]本专利技术提供了一种应用于地下黑暗环境的无人机定位导航系统。该系统通过综合利用多种传感器的数据信息，实现无人机在地下黑暗环境下的定位导航。通过LED照明源补光，利用双目深度相机和二维激光雷达进行环境感知，双目深度相机和惯性传感器等传感器用于地图构建和状态估计。定位导航控制算法采用基于多传感器数据融合的方法，通过对传感器数据进行滤波、融合和处理，得到更加精确和鲁棒的环境感知和状态估计结果，并根据控制指令生成本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种适用于地下黑暗环境的无人机定位导航系统，其特征在于，包括：感知子系统、控制子系统、执行子系统；所述感知子系统，与所述控制子系统连接，用于基于多传感器融合为无人机进行导航和定位提供辅助，获取环境信息和位姿信息；所述控制子系统，与所述执行子系统连接，用于基于所述环境信息和所述位姿信息获取无人机的控制信号；所述执行子系统，与所述感知子系统连接，用于接收所述控制信号，基于所述控制信号完成定位导航任务。2.根据权利要求1所述的适用于地下黑暗环境的无人机定位导航系统，其特征在于，所述感知子系统包括：照明源、双目深度相机、惯性传感器、二维激光雷达；所述照明源用于对地下黑暗环境进行照明，提供有限范围内的稳定的光线环境；所述双目深度相机用于拍摄地下黑暗环境的深度图像，并对所述深度图像进行处理，获取无人机位姿变化和视觉图，基于所述无人机位姿变化获取无人机的位置和姿态；所述惯性传感器用于基于所述视觉图和惯性传感器约束对所述无人机的位置和姿态进行优化，获得所述位姿信息；所述二维激光雷达用于获取地下黑暗环境的二维点云，并对所述地下黑暗环境的二维点云进行滤波和边界提取，获得所述环境信息。3.根据权利要求2所述的适用于地下黑暗环境的无人机定位导航系统，其特征在于，所述照明源位于无人机四个机臂的末端，分别照明四个方向，相邻机臂上的所述照明源的照明方向互相垂直；所述双目深度相机位于无人机机体中间偏向头部的位置，镜头朝向为无人机头部朝向；所述惯性传感器位于无人机机体的中间，惯性传感器中心与无人机机体中心重合；所述二维激光雷达位于无人机机体的中间，无人机机体与二维激光雷达之间使用自稳平台连接，二维激光雷达中心与无人机机体中心重合；所述自稳平台从下到上由支架、自稳机构、顶端平台组成，支架连接下方无人机机体，自稳机构用于保持顶端平台的水平稳定，顶端平台与所述二维激光雷达进行硬性连接。4.根据权利要求1所述的适用于地下黑暗环境的无人机定位导航系统，其特征在于，所述控制子系统包括：决策模块，用于对所述环境信息进行求解，获得决策指令；规划模块，用于基于所述环境信息、所述位姿信息、所述决策指令确定无人机控制信号。5.根据权利要求1所述的适用于地下黑暗环境的无人机定位导航系统，其特征在于，所述执行子系统基于所述控制信号，向无人机发送执行信息，使无人机避让局部的障碍物，并跟踪全局路径，完成定位导航任务。6.根据权利要求5所述的适用于地下黑暗环境的无人...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈琨鹏，孙跃硕，欧阳一鸣，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：
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