淺談GPS 失效下的無人機組合導航系統(tǒng)論文

淺談GPS 失效下的無人機組合導航系統(tǒng)論文

　　近幾年，民用無人機的研究有了很大的進展，應(yīng)用也越來越廣泛，可用于氣象探測、災(zāi)害監(jiān)測、農(nóng)藥噴灑、地質(zhì)勘測等諸多領(lǐng)域。目前民用無人機的主要導航方式為GPS 導航，由于各種原因，GPS存在失效的情況，一旦GPS 失效則會導致無人機失去控制，從而丟失或墜落，造成重大經(jīng)濟損失和地面人員傷害。因此，開展GPS 失效下的民用無人機自主導航研究，提高無人機自主導航可靠性，擴展其應(yīng)用領(lǐng)域，具有十分可觀的應(yīng)用前景。

　　慣性導航系統(tǒng)( inertial navigation system， INS)工作時不需要從外界接受信息，也不會向外輻射信息，可完全自主地進行連續(xù)導航，因而自其出現(xiàn)以來備受關(guān)注。然而， INS 的導航誤差會隨著時間的增長而不斷增加，難以滿足長時間高精度導航定位的要求。隨著光學攝像技術(shù)和圖像處理技術(shù)的發(fā)展，利用視覺信息估計運動參數(shù)實現(xiàn)無人機機器視覺導航，在國內(nèi)外受到越來越廣泛地關(guān)注。盡管機器視覺導航具有諸多優(yōu)勢，但僅使用視覺導航存在作用范圍小、數(shù)據(jù)更新率低等問題，并且長距離導航時系統(tǒng)的定位誤差隨距離增加呈非線性增長。

　　由于單一導航技術(shù)不同程度地存在各種缺點，因此，現(xiàn)代導航技術(shù)經(jīng)常采用將兩種以上導航方式相結(jié)合的組合導航方法。無人機上一般都裝備有INS 和高清相機。可利用圖像處理技術(shù)處理相機實時拍攝的圖像獲得無人機的運動參數(shù)，輔助無人機的INS 進行導航。

　　這種組合方案可以修正INS 的導航參數(shù)，抑制系統(tǒng)誤差發(fā)散。視覺- 慣性組合導航在無人機自主導航、自主著陸、空中加油和水下機器人等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

　　本文中所研究的電力巡線無人機，采用GPS 與捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)( SINS) 組合導航，并且裝備有一臺CCD 高清相機。由于INS 高度方向發(fā)散，因此在無人機上加裝氣壓高度計。文中主要研究GPS 失效下系統(tǒng)的導航問題，基于系統(tǒng)的硬件配置，采用單目視覺與SINS 組合進行導航，并對該組合導航系統(tǒng)進行了仿真研究。

　　1 系統(tǒng)總體設(shè)計

　　假設(shè)GPS 完全失效，不考慮GPS 相關(guān)信息。GPS 失效下無人機組合導航系統(tǒng)由CCD 高清相機為基礎(chǔ)的單目視覺系統(tǒng)、微小型慣性導航系統(tǒng)、氣壓高度計、飛行控制系統(tǒng)、數(shù)傳系統(tǒng)及地面站等組成。以無人機巡邏路線上的電力基桿塔作為定位點，在基桿塔上設(shè)置容易辨別的特征圖案并將其特征存儲到機載系統(tǒng)中，事先通過GPS 和北斗系統(tǒng)精確獲得定位點的位置信息。利用機載的SINS 進行導航，經(jīng)過定位點時，通過安裝在無人機底部的高清相機進行圖像采集，然后對定位點特征進行識別，獲得定位點處的位置信息，利用這些位置信息及氣壓高度信息修正SINS 的相關(guān)參數(shù)，防止SINS 導航參數(shù)發(fā)散。

　　下面定義文中用到的主要坐標系。

　　1) 導航坐標系n: 用OnXnYnZn表示，它是慣性導航系統(tǒng)在求解導航參數(shù)時所采用的參考坐標系，本文中選用北—東—地地理坐標系作為導航坐標系。

　　2) 機體坐標系b: 用ObXbYbZb表示，原點在無人機的質(zhì)心上，Xb軸沿無人機縱軸向前，Yb軸沿無人機橫軸向右，Zb軸垂直平面OXbYb且向下。

　　3) 相機坐標系c: 用OcXcYcZc表示。相機安裝在無人機重心處，鏡頭朝下。坐標系原點為相機光心，Xc軸和Yc軸分別與機體坐標系的Xb軸和Yb軸平行，Zc軸平行于光軸向下。另外還有慣性坐標系( i 系) 、理想平臺坐標系( t 系) 、實際平臺坐標系( p 系) 及坐標系間的相互轉(zhuǎn)換等，在此不一一給出。

　　2 元件誤差模型

　　慣性器件誤差模型慣性器件包括陀螺儀和加速度計。陀螺漂移包含3 種分量: 隨機常值漂移、相關(guān)漂移和不相關(guān)漂移。相關(guān)漂移對本文中研究的短航程無人機來講可近似為隨機常數(shù)，且與隨機常值漂移相比，這種漂移小1 ～ 2 個數(shù)量級，所以陀螺漂移模型簡化為由常值漂移εx、εy、εz和白噪聲分量ωx、ωy、ωz組成的。與陀螺儀漂移模型類似，加速度計的漂移也包含上述3 種分量。相關(guān)漂移相對較小，同時為了使濾波器的維數(shù)降低，加速度計的誤差模型簡化為由隨機常數(shù)漂移x、y和白噪聲分量組成的。

　　3 仿真研究

　　為驗證GPS 失效下巡線無人機導航系統(tǒng)的有效性，進行仿真實驗。首先利用Matlab 生成無人機運動模型，并設(shè)計一條主要包括定高巡航狀態(tài)的航跡。

　　仿真中陀螺儀常值誤差為0. 001 rad /s，噪聲均方根為0. 01 rad /s; 加速度計常值誤差為0. 001 m/s2，噪聲均方根為0. 01 m/s2 ; 氣壓高度計分辨率為0. 1 m，噪聲均方根為1 m。初始平臺失準誤差分別為30″、30″和50″。

　　其中系統(tǒng)1 為本文中提出的基于單目視覺、氣壓高度計輔助SINS 的組合導航系統(tǒng)利用Kalman 濾波算法的結(jié)果，系統(tǒng)2 為基于SINS 單獨導航利用Kalman 濾波算法的結(jié)果，仿真時間為1 800 s。由于純慣性導航系統(tǒng)的垂直通道是發(fā)散的，因此仿真中沒有給出組合后的高度方向的仿真結(jié)果。

　　在GPS 失效的情況下，如果單純使用SINS 進行導航，會出現(xiàn)東向和北向位置誤差不穩(wěn)定甚至發(fā)散的情況，嚴重影響巡線無人機系統(tǒng)的導航精度。本文中提出的基于單目視覺、氣壓高度計與SINS 組合的巡線無人機導航系統(tǒng)可克服SINS 單一導航的缺點，位置解算結(jié)果穩(wěn)定、收斂，經(jīng)度方向誤差可在1 m 以內(nèi)，緯度方向誤差可在2 m 以內(nèi)，因此該組合導航系統(tǒng)導航結(jié)果較好，可提高無人機的位置解算精度和速度解算精度。

　　4 結(jié)論

　　針對巡線無人機工作過程中出現(xiàn)的GPS 失效情況，提出將單目視覺系統(tǒng)、氣壓高度計、SINS 進行組合，構(gòu)成組合導航系統(tǒng)，用以代替單一導航系統(tǒng)。分析了系統(tǒng)的工作原理，建立了系統(tǒng)模型，并進行數(shù)值仿真。仿真結(jié)果表明，文中提出的組合導航系統(tǒng)由于引入了多種外部參考信息，具有較好的容錯性能，可以提高導航系統(tǒng)的導航精度和可靠性。

【淺談GPS 失效下的無人機組合導航系統(tǒng)論文】相關(guān)文章：

淺談客戶細分下的保險營銷論文03-20

淺談GPS-RTK 定位技術(shù)在航道測量中的應(yīng)用論文03-16

淺談組合式除濕系統(tǒng)性能優(yōu)化論文02-18

淺談小組合作活動在英語課堂中的運用論文03-09

淺談小組合作學習的策略03-27

淺談學生小組合作學習01-08

淺談營銷組合與服務(wù)營銷理論研究12-09

淺談教育論文的寫作11-20

淺談修改論文的常識12-08

淺談問題設(shè)計論文02-24