一种无人机自主导航系统及导航方法技术方案

本发明专利技术公开了一种无人机自主导航系统及导航方法，所述系统包括参数导航模块、雷达导航模块、中央处理模块、信息储存模块和航向控制模块，其中，所述参数导航模块包括GPS接收器、角速率陀螺、IMU模块、舵偏电位计、图像采集器和计时器；所述导航方法如下进行：当GPS信号不稳定或短暂丢失时，利用参数导航模块输出的状态参数在中央处理模块中处理，得到飞行参数；当GPS信号长时间丢失且无法利用参数导航模块导航时，利用雷达导航模块进行导航；当GPS信号长时间丢失、参数导航模块失效且无法接收到雷达信号时，利用中央处理模块进行路径规划；本发明专利技术所提供的系统和方法能够在无GPS信号下为无人机提供准确导航。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及无人机自主导航系统，具体地，涉及一种应对无GPS信号情况的无人机自主导航系统。
技术介绍
无人机具有体型小、成本低等优点，而且随着飞控技术、通信技术和电子技术的快速发展，无人机的性能不断增强，类型不断增多，使其在军用领域和民用领域的应用需求不断增大，使用率日益增高。但由于无人机平台的局限性，无法自身判断航线及飞行路径，因此真正能实现自主导航飞行的技术很少。目前解决无人机导航的方法有GPS导航，实现起来严重依赖GPS卫星信号，遇到信号不稳定或信号丢失的情况，无人机便无法实现自主飞行。
技术实现思路
为了克服上述问题，本专利技术人进行了锐意研究，设计出一种无人机自主导航系统和方法，用于应对无GPS信号的情况，从而完成本专利技术。本专利技术一方面提供了一种无人机自主导航系统，应对无GPS信号的情况，具体体现在以下方面：(1)一种无人机自主导航系统，用于进行无GPS信号的情况下的导航，其中，所述系统包括参数导航模块1、雷达导航模块2、中央处理模块3、信息储存模块4和航向控制模块5；其中，所述参数导航模块1包括GPS接收器11、角速率陀螺12、IMU模块13、舵偏电位计14、图像采集器15和计时器16。本专利技术另一方面还公开了一种无人机自主导航的方法，具体体现在：(2)一种无人机自主导航的方法，用于应对无GPS信号的情况，优选利用上述无人机自主导航系统进行导航，其中，当GPS信号稳定或未丢失时，采用GPS接收器输出航向信息到航向控制模块5，进行导航；当GPS信号不稳定或短暂丢失时，采用参数导航模块1和中央处理模块3中的运动状态估计子模块31输出无人机的飞行参数，至航向控制模块5，进行导航；当GPS信号长时间丢失并无法利用参数导航模块时，采用雷达导航模块2输出航向信息给航向控制模块5，进行导航；当GPS卫星信号长时间丢失、参数导航模块失效、且无法接收到雷达信号时，中央处理模块3利用路径规划子模块32规划航向路径，同时，利用双目避障子模块33协助避开障碍物，将航向信息输出给航向控制模块5，进行导航。附图说明图1示出本专利技术所述无人机自主导航系统的结构示意图；图2示出本专利技术所述无人机自主导航系统利用参数导航模块和运动估计子模块进行导航的工作流程图；图3示出运动状态估计子模块的数据处理过程；图4示出本专利技术所述无人机自主导航系统的工作流程图。附图标记1-参数导航模块；11-GPS接收器；12-角速率陀螺；13-IMU模块；14-舵偏电位计；15-图像采集器；16-计时器；2-雷达导航模块；21-雷达通信装置；22-雷达校验装置；3-中央处理模块；31-运动状态估计子模块；311-当前参数处理模块；312-未来参数估计模块；3121-状态空间子模块；3122-离散空间子模块；3123-离散数据预处理子模块；3124-离散数据后处理子模块；32-路径规划子模块；33-双目避障子模块；4-信息储存模块；41-信息储存器；42-缓存器；5-航向控制模块。具体实施方式下面通过附图对本专利技术进一步详细说明。通过这些说明，本专利技术的特点和优点将变得更为清楚明确。本专利技术一方面提供了一种无人机自主导航系统，用于应对无GPS信号的情况下的导航，其中，如图1所示，所述系统包括参数导航模块1、雷达导航模块2、中央处理模块3、信息储存模块4和航向控制模块5。其中，所述参数导航模块1用于在GPS信号不稳定或短暂丢失时向中央处理模块3输出无人机的状态参数；所述雷达导航模块2用于在GPS信号长时间丢失，且无法利用参数导航模块时，向就近己方船舰请求航向信息，并将航向信息输出给中央处理模块3；所述中央处理模块3用于在GPS信号长时间丢失、参数导航模块失效且无法接收到雷达信号时规划出一条从当前地点到目标点的航向路径；所述信息储存模块4用于储存从起始点到目标点的全部环境地理信息，并将其输出给中央处理模块3；所述航向控制模块5，用于接收中央处理模块3输出的信息，进行导航。在本专利技术中：所述状态参数包括无人机的空间参数以及无人机的姿态参数，其中：所述空间参数包括无人机在三维空间的坐标(x、y和z)以及在三维方向的飞行速度(Vx、Vy和Vz)，所述姿态参数包括俯仰角速率、偏航角速率、俯仰角、偏航角俯仰舵偏角和偏航舵偏角；所述短暂是指不超过10s，所述长时间是指10s以上；所述全部环境地理信息是指从起始点到目标点的全部环境信息，其类似于地图，所述全部环境信息包括出现的海洋、峡谷、礁石等等，同时对海洋的深度、峡谷的深度以及礁石的大小等均有记录，所述全部环境地理信息还包括从起始点到目标点的可能风向、可能风力大小、以及该区域经常出现的天气情况等，为路径规划做参考。根据本专利技术一种优选的实施方式，所述中央处理模块3还用于接收参数导航模块1输出的无人机的状态参数，并对其进行处理，得到无人机的飞行参数，然后将飞行参数输出给航向控制模块5。其中，所述飞行参数是指对当前位置而言的下一时刻的空间参数，并将得到的下一时刻的空间参数重新进行处理，得到再下一时刻的空间参数，即在经中央处理模块处理时不断更新空间参数可以得到无人机的未来状态参数，即无人机的飞行参数。根据本专利技术一种优选的实施方式，所述中央处理模块3同时还用于接收雷达导航模块2输出的航向信息，并将其输出给航向控制模块5。根据本专利技术一种优选的实施方式，如图1所示，所述参数导航模块1、雷达导航模块2、信息储存模块4和航向控制模块5均与中央处理模块3进行通信。在进一步优选的实施方式中，如图1所示，所述雷达导航模块2、信息储存模块4和航向控制模块5均通过现场总线与中央处理模块3实现通信。其中，采用总线连接提高了系统的稳定性和安全性。在更进一步优选的实施方式中，所述中央处理模块3、信息储存模块4和雷达导航模块2均为可拆卸式。其中，可拆卸式的设置增加了系统的可定制性，并且，在修改相关数据时不需要启动整个系统，减少了在修改某特定模块时对整体系统的影响。根据本专利技术一种优选的实施方式，所述参数导航模块1、雷达导航模块2和信息储存模块4分别将获取的信息输出给中央处理模块3。在进一步优选的实施方式中，中央处理模块3接收到信息后任选地进行处理，然后输出给航向控制模块5，进行导航。其中，对于参数导航模块1输出的数据或参数需要在中央处理模块3中进行处理，然后再传输给航向控制模块5；对于雷达导航模块2输出的数据或信息则不需要进行处理，直接传输给航向控制模块5。根据本专利技术一种优选的实施方式，如图1所示，所述参数导航模块1包括GPS接收器11、角速率陀螺12、IMU模块13、舵偏电位计14、图像采集器15和计时器16。其中，所述GPS接收器用于接收GPS数据，所述GPS信号包括无人机的空间位置(x、y和z)，以及无人机在空间各方向上的速度(Vx、Vy和Vz)，并将其输出给中央处理器，其中，GPS接收器只有在GPS信号消失时刻将该时刻无人机的GPS信号传输给中央处理模块；所述角速率陀螺12用于测量无人机当前时刻的俯仰角速率和偏航角速率，分别表示为和并输出给IMU模块13和中央处理器3；所述IMU模块对俯仰角速率和偏航角速率进行积分得到无人机当前时刻的俯仰角和偏航角，分别表示为和ψ(k)；所述舵偏电位计14用于测量并输出无人机当前时刻的俯仰舵偏角和偏航舵偏角，分别表示为δ本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种无人机自主导航系统，用于进行无GPS信号的情况下的导航，其特征在于，所述系统包括参数导航模块(1)，用于在GPS信号不稳定或短暂丢失时输出无人机的状态参数；其中，所述参数导航模块(1)包括GPS接收器(11)、角速率陀螺(12)、IMU模块(13)、舵偏电位计(14)、图像采集器(15)和计时器(16)；雷达导航模块(2)，用于在GPS信号长时间丢失，且参数导航模块失效时，向就近己方船舰请求航向信息，同时将航向信息输出给中央处理模块(3)；中央处理模块(3)，用于在GPS信号长时间丢失、参数导航模块失效，且无法接收到雷达信号时，规划出一条从当前地点到目标点的航向路径，并将所述航向路径输出给航向控制模块(5)；信息储存模块(4)，用于储存从起始点到目标点的环境地理信息，并将其输出给中央处理模块(3)；和航向控制模块(5)，用于接收中央处理模块(3)输出的信息，进行导航；其中，所述短暂是指不超过10s，所述长时间是指10s以上。

【技术特征摘要】
1.一种无人机自主导航系统，用于进行无GPS信号的情况下的导航，其特征在于，所述系统包括参数导航模块(1)，用于在GPS信号不稳定或短暂丢失时输出无人机的状态参数；其中，所述参数导航模块(1)包括GPS接收器(11)、角速率陀螺(12)、IMU模块(13)、舵偏电位计(14)、图像采集器(15)和计时器(16)；雷达导航模块(2)，用于在GPS信号长时间丢失，且参数导航模块失效时，向就近己方船舰请求航向信息，同时将航向信息输出给中央处理模块(3)；中央处理模块(3)，用于在GPS信号长时间丢失、参数导航模块失效，且无法接收到雷达信号时，规划出一条从当前地点到目标点的航向路径，并将所述航向路径输出给航向控制模块(5)；信息储存模块(4)，用于储存从起始点到目标点的环境地理信息，并将其输出给中央处理模块(3)；和航向控制模块(5)，用于接收中央处理模块(3)输出的信息，进行导航；其中，所述短暂是指不超过10s，所述长时间是指10s以上。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述中央处理模块(3)还用于接收参数导航模块(1)输出的无人机的状态参数，并对其处理，得到无人机的飞行参数，并将其输出给航向控制模块(5)；所述中央处理模块(3)同时还用于接收雷达导航模块(2)输出的航向信息，并将其输出给航向控制模块(5)。3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，雷达导航模块(2)、信息储存模块(4)和航向控制模块(5)均通过现场总线与中央处理模块(3)进行通信；优选地，参数导航模块(1)、雷达导航模块(2)和信息储存模块(4)分别将获取的参数或信息输出给中央处理模块(3)，中央处理模块(3)接收到参数或信息后任选地进行处理，然后输出给航向控制模块(5)，进行导航。4.根据权利要求1至3之一所述的系统，其特征在于，所述GPS接收器(11)用于接收GPS信号，并将其输出给中央处理器(3)，所述卫星信号包括飞行器的空间位置，以(x、y、z)表示，以及飞行器在空间各方向上的速度，以(Vx、Vy、Vz)表示；所述角速率陀螺(12)用于测量无人机的当前时刻的俯仰角速率和偏航角速率，分别以和表示，并输出给IMU模块(13)和中央处理模块(3)；所述IMU模块(13)对俯仰角速率和偏航角速率进行积分，得到无人机飞行的俯仰角和偏航角；所述舵偏电位计(14)用于测量并输出无人机的当前时刻的俯仰舵偏角和偏航舵偏角，分别以δe(k)和δr(k)表示；所述图像采集器(15)用于拍摄环境信息，并进行信息输出；优选地，所述图像采集器(15)包括两个摄像机和一个三轴云台。5.根据权利要求1至4之一所述的系统，其特征在于，所述雷达导航模块(2)包括雷达通信装置(21)和雷达校验装置(22)，其中，所述雷达通信装置(21)用于己方船舰与无人机之间的通信；所述雷达校验装置(22)用于校验己方船舰。6.根据权利要求1至5之一所述的系统，其特征在于，在中央处理模块(3)内集成有运动状态估计子模块(31)、路径规划子模块(32)和双目避障子模块(33)；其中，所述运动状态估计子模块(31)用于处理参数导航模块(1)输出的无人机的状态参数，以在GPS信号不稳定或短暂丢失时进行...

【专利技术属性】
技术研发人员：林时尧，王伟，林德福，王江，裴培，王广山，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11