室内飞行智能体惯性系统与激光测距仪组合导航改进方法，其特征在于：传感器部分（6）包括：激光测距仪URG（1），IMU（7），气压高度计（4）和磁场强度传感器（5），陀螺仪（2），加速度计（3）；导航信息计算部分（14）包括：USB总线（8），导航计算机（9），转换器件（10），电气连线（11），总线（12），导航信息（13）。使用激光测距仪（1）获取位置信息，惯性导航系统获取姿态信息，采用无迹卡尔曼滤波方法UKF和直线特征提取算法，将位置信息与姿态信息融合在一起，最后通过捷联算法实现航迹推算。本发明专利技术可以实现飞行智能体在室内自主导航，有效解决飞行智能体组合导航系统发散问题和航迹推位失效问题，提高了导航精度。
【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】，其特征在于：传感器部分（6）包括：激光测距仪URG（1），IMU（7），气压高度计（4）和磁场强度传感器（5），陀螺仪（2），加速度计（3）；导航信息计算部分（14）包括：USB总线（8），导航计算机（9），转换器件（10），电气连线（11），总线（12），导航信息（13）。使用激光测距仪（1）获取位置信息，惯性导航系统获取姿态信息，采用无迹卡尔曼滤波方法UKF和直线特征提取算法，将位置信息与姿态信息融合在一起，最后通过捷联算法实现航迹推算。本专利技术可以实现飞行智能体在室内自主导航，有效解决飞行智能体组合导航系统发散问题和航迹推位失效问题，提高了导航精度。【专利说明】
:本专利技术属于多传感器信息融合领域。
技术介绍
惯性导航是一种航迹推位算法，通过加速度计和陀螺分别测量载体的比力和角速率，并利用积分算法求解载体的位姿信息。捷联式惯性导航系统(Strap-down InertialNavigation System, SINS)是惯性导航的一种，能够连续提供载体的位姿信息。然而，惯导系统存在误差随时间迅速积累的缺点。全球导航定位系统(Global PositioningSystem, GPS)和SINS具有极好的互补性，利用GPS和SINS进行组合导航，可以降低成本提供全球精确导航能力，因此，SINS/GPS组合导航系统已经得到了广泛的应用。然而，在室内环境中GPS信号质量受到了严重的恶化，GPS信号能量、到达时间和接收信噪比都比在普通环境中有很大程度的恶化，GPS接收机的定位精度、GPS数据的可用性和总体性能都大大下降，这样会影响室内导航系统的性能。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术公开了，以惯性导航系统为核心，与激光测距仪构成一套组合导航系统，实现室内无GPS信号情况下的姿态检测与定位。本专利技术的主要思路是在室内无法接收GPS数据的情况下，采用无迹卡尔曼滤波(Unscented Kalman Filter, UKF)方法实现惯性测量单元和激光测距仪的信息融合。利用惯性测量单元(Inertial MeasurementUnit, IMU),通过惯性导航算法对系统位姿信息进行递推，并使用激光测距仪、磁罗盘和气压高度计等传感器对系统位姿的发散进行抑制。这种改进方法能有效解决室内飞行智能体组合导航系统发散问题和航迹推位失效问题，增强对外界扰动的稳定性，提高了导航系统的精度。本专利技术的目的是这样实现的:，其特征在于:飞行智能体组合导航系统结构的传感器部分6包括:激光测距仪URG1，IMU 7，气压高度计4和磁场强度传感器5，陀螺仪2，加速度计3 ;导航信息计算部分14包括:USB总线8，导航计算机9，转换器件10，电气连线11，总线12，导航信息13。上述的，其特征在于所述的IMU 7惯性测量单元包括陀螺仪2和加速度计3。上述的，其特征在于所述的导航信息计算部分14，激光测距仪URG I通过USB总线8将周围环境信息传给导航计算机9 ;其余传感器将采集到的数据通过电气连线11传给转换器件10，得到导航计算机9能够使用的数据格式；通过与导航计算机9连接的总线12传给导航计算机9，导航计算机9通过本专利技术提出的组合导航改进方法计算得到导航信息13。上述的，其特征在于所述的飞行智能体组合导航系统算法流程图如图2所示，首先根据飞行智能体的特点，计算出组合导航系统的状态方程，观测方程。采用无迹卡尔曼滤波UKF算法，实现时间更新，根据激光测距仪获取的环境信息实现量测更新，并根据传感器部分的数据修正滤波器，对系统状态进行估计，最后由导航计算机完成系统的数据处理以及计算工作，具体步骤如下:步骤1:基于四元数对飞行智能体姿态进行描述，建立系统的非线性状态方程；以环境直线特征为观测量，建立系统的非线性观测方程，这里，我们将激光测距仪能够检测到的信息统称为环境信息；步骤2:对于系统状态的估计由一个UKF滤波器完成，在进行滤波之前，需要初始化滤波器参数，初始化全局地图信息；步骤3:时间更新，即由惯性测量单元的数据和上一时刻系统状态，根据非线性状态方程，递推系统下一时刻的位姿信息；步骤4:获取激光测距仪的观测数据，提取周围障碍物直线特征；步骤5:量测更新，即根据载体的位姿信息和观测方程，得到由递推位姿信息推算出的出现在激光雷达视野中的环境直线特征估计；步骤6:对步骤4中得到的递推直线特征和步骤5中根据激光测距仪提取的环境直线特征进行匹配，并根据传感器部分获得的其他参数进行滤波更新，得到估计的系统状态息;步骤7:将新观测到的直线信息添加进全局地图中，并选择下一时刻要被观测的直线；步骤8:由导航计算机完成计算并返回步骤3继续下一时刻的滤波计算估计新的参数。其中步骤I中系统的状态量为载体的姿态，速度，位置，陀螺零偏；系统的观测量为激光测距仪视野中的障碍物直线特征信息。步骤2中初始化滤波器需要初始化系统状态、误差协方差矩阵、系统过程噪声和观测噪声的统计特性；初始化地图是以初始点为原点，将环境直线特征作为地图信息保存在地图中，其中，环境直线特征为原点到该直线垂线所在垂点的极坐标参数。步骤3中时间更新得到系统状态，即载体的位姿信息。步骤4中使用激光测距仪数据拟合直线的方法如下:Step I获取激光测距仪的数据；Step 2得到若干连续障碍物点簇，首尾点连成直线，根据每一点到该直线的距离，分为若干局部最大值点；根据获取的局部最大值点，将点簇分为相应的若干组；对每组使用最小二乘法进行直线拟合；将所以直线首尾相连，得到连续一组连续的直线；Step 3根据Step 2中拟合的直线获取特征参数，计算出飞行智能体到该直线垂线所在垂点的极坐标参数。步骤5中量测更新，是根据当前时刻经过时间更新得到的飞行智能体的位置和激光测距仪的观测范围，确定将会被激光测距仪采集到的地图环境，并根据观测方程得到采集范围内地图环境相对于该时刻递推位置的直线特征。步骤7中添加环境直线特征是环境相对于原点的直线特征。相比于传统组合导航方法，本专利技术具有以下优点:第一，本专利技术采用了激光测距仪作为水平位置的观测器件，能弥补惯性组合导航系统在室内无法接收GPS数据所导致航迹推位发散的问题，在室内具有更强的实用性。第二，本专利技术所使用的激光测距仪采样频率要大于GPS采样频率，能够最大程度地抑制SINS的发散。第三，本专利技术所使用的激光测距仪测量精度大于GPS器件，能够提高系统的状态估计精度；在充分考虑系统先验信息的情况下进行直线特征匹配，可靠性更高，且能够使系统适用于更加复杂的环境；并能对激光测距仪的噪声有一定的抑制作用。第四，针对非平面的运动过程中传统航迹推位失效问题，以及应用在SLAM算法中的绑架问题，本专利技术都能够很好的解决。【专利附图】【附图说明】图1飞行智能体组合导航系统结构图；图2飞行智能体组合导航系统算法流程图；图2环境信息求取示意图；图4激光测距仪数据拟合直线流程图；图5全局地图直 线选择示意图图中:1激光测距仪URG、2陀螺仪、3加速度计、4气压高度计、5磁场强度传感器、6传感器部分、7IMU、8USB总线、9导航计算机、10转换器件、11电器连线、12总线、13导航信息、14导航信息计算部分。【具体实施方式】下面结合附图对本专利技术的技术方案进行详细的说本文档来自技高网...
【技术保护点】
室内飞行智能体惯性系统与激光测距仪组合导航改进方法，其特征在于：飞行智能体组合导航系统结构的传感器部分（6）包括：激光测距仪URG（1），IMU（7），气压高度计（4）和磁场强度传感器（5），陀螺仪（2），加速度计（3）；导航信息计算部分（14）包括：USB总线（8），导航计算机（9），转换器件（10），电气连线（11），总线（12），导航信息（13）。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：王璐，廖粤峰，赵自超，许可，李冰，马涛，
申请(专利权)人：哈尔滨恒誉名翔科技有限公司，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23
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