一种基于夜间环境的组合导航系统技术方案

本发明专利技术涉及一种基于夜间环境的组合导航系统，采用惯性、偏振、星光和里程计的组合导航方式，在卫星导航信号失效情况下，融合多个传感器的导航信息，实现干扰环境下的自主导航；由夜间偏振测量单元、惯性测量单元、星光测量单元、里程计、避障单元、导航数据处理模块、数据存储及传输模块、电源及稳压模块组成。本发明专利技术将夜间偏振传感器与惯性/星光/里程计等多源导航信息进行融合，提高了导航系统的抗干扰能力和环境适应能力，增强了组合导航系统的隐蔽性。

An integrated navigation system based on night environment

【技术实现步骤摘要】
一种基于夜间环境的组合导航系统
本专利技术涉及一种基于夜间环境的组合导航系统，可在夜间环境中在卫星导航系统受到干扰条件下，不需通过与外界进行信息交互，仍然保持一定的导航能力，可实现载体的全自主导航，提高载体的隐蔽性。
技术介绍
复杂的应用环境对于抗干扰能力强的自主导航系统的需求日益增强，然而鉴于导航环境的日益复杂，各导航系统所存在的缺陷，单一导航方式不再能够满足上述需求，发展具有自主性强，隐蔽性好的组合导航系统，才能够适应复杂环境的需求。同时，具备全天候导航能力的导航系统对于提升载体有效工作时间有着重要的作用，夜晚环境具有天然的隐蔽性，很多基于光学的探测手段如视觉，都不能使用。因此，发展具有夜间导航能力的组合导航系统至关重要。目前惯性/卫星在全天候导航的系统中应用最为广泛，而惯性导航虽然具有强自主性，但其误差随时间积累，不适用于单独进行长时间导航，卫星导航易受到干扰和欺骗，并且在楼宇等环境中飞行时易受影响而无法提供准确真实的导航信息，使得卫星导航系统的使用受到了极大的限制。因此发展具有夜间导航能力的自主组合导航系统，是亟待解决的导航技术问题。偏振导航是近年来兴起的一种自主导航方式，是基于仿生学发展起来的一种新型导航方法，但是目前的研究热点集中于日间，仅针对光线较为强烈的白天，对于夜间弱光环境下，其系统并不具备夜间昏暗环境下的自主导航能力。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题是：克服现有夜间导航系统容易受到外部环境干扰的缺点，提供一种基于夜间环境的组合导航系统，将夜间偏振传感器与惯性/星光/里程计等多源导航信息进行融合，提高了导航系统的抗干扰能力和环境适应能力，增强了组合导航系统的隐蔽性。本专利技术的技术解决方案是：一种基于夜间环境的组合导航系统，由夜间偏振测量单元、惯性测量单元、星光测量单元、里程计、避障单元、图像处理单元、微处理器、数据存储单元、数传电台、电源模块、稳压模块组成。其中，夜间偏振测量单元由低照度CCD相机、转接环、偏光轮、镜头、遮光罩、抗干扰滤波器组成，通过与图像处理单元连接，进行控制信号和偏振数据的传输。微处理器负责采集惯性测量单元，星光测量单元，里程计，避障单元的数据，接收图像处理单元传送过来的偏振数据，并负责进行导航信息解算。数据存储单元用于实时记录导航数据。电源模块负责给各测量单元提供稳定可靠的直流电源，稳压模块负责将电源模块的输出电压进行转换，为微处理器等单元供电。所述组合导航系统包括：传感器模块、导航数据处理模块、数据存储及传输模块、电源及稳压模块；所述传感器模块包括：夜间偏振测量单元、惯性测量单元、星光测量单元、里程计和避障单元；夜间偏振测量单元负责采集天空偏振模式图像，将图像传输到图像处理单元进行处理，并且对图像处理单元传过来的控制信号进行响应；惯性测量单元对载体的角运动和线运动进行感知，负责测量角速度与加速度信息，并将数据传送给微处理器；星光测量单元测量天空中的星光矢量信息，将数据传送给微处理器；里程计测量载体速度信息，并将数据传送给微处理器；避障单元用于让平台在接近障碍物时停止移动，防止撞击障碍物，对系统起到保护作用；所述导航数据处理模块包括图像处理单元和微处理器；图像处理单元负责向夜间偏振测量单元发送控制信号，并接收夜间偏振测量单元发送过来的偏振数据并对该数据进行处理，将结果发送给微处理器；所述微处理器，与惯性测量单元、星光测量单元、里程计、避障单元、图像处理单元相连，用于接收惯性测量单元、星光测量单元、里程计、避障单元以及图像处理单元输出的导航信息，并将各个导航参数测量单元的数据通过预先设定的导航算法，经过分析处理，融合获得载体导航过程中所需要的导航数据；所述数据存储及传输模块，用于存储运动过程中测量的来自微处理器的导航数据信息，并实现组合导航系统与外界的信息交互；所述电源及稳压模块为各单元提供电源及稳定电压。所述微处理器用于接收惯性测量单元、星光测量单元、里程计、避障单元以及图像处理单元输出的导航数据，将星光测量单元输出的星光矢量信息、惯性测量单元输出的角速度信息、图像处理单元输出的偏振信息进行融合得到载体姿态信息，将惯性测量单元输出的加速度信息，里程计输出的载体速度信息进行融合，得到载体的速度和位置信息，将避障单元输出的障碍物信息与当前速度和位置信息进行融合，得到载体当前位置下的安全性信息。所述夜间偏振测量单元设计为低照度环境下的偏振测量结构，由低照度CCD相机、转接环、偏光轮、镜头、遮光罩、抗干扰滤波器构成，遮光罩用于遮挡环境中的杂光，降低杂光对采集的天空偏振数据的影响，镜头用于将环境光线折射到CCD上，偏光轮用于旋转不同方向的偏振片到指定位置，低照度CCD相机用于采集CCD上的图像数据；遮光罩直接套在镜头上，镜头和偏光轮之间通过转接环连接，镜头与转接环之间由螺纹连接，转接环与偏光轮之间由螺纹连接，偏光轮和低照度CCD相机之间由螺纹连接，抗干扰滤波器与低照度CCD相机输出电路连接，用于滤掉图像中的高频噪声。所述的一种基于夜间环境的组合导航系统，其特征在于：所述偏光轮结构放置四片不同偏振方向的偏振片，以及一个无偏塑料片；偏振片用于采集不同偏振方向的天空偏振光，无偏塑料片用于标定偏振片的偏振方向，作为光强参考值使用，所述不同偏振方向指偏振片本身具有的透振方向与该偏振片中心到圆形滤光轮中心的夹角，分别为0°，45°，90°，135°。所述数据存储及传输模块包括数传电台和数据存储单元；数传电台用于与外部设备通信，数据存储单元用于实时记录导航数据；数据存储单元由NANDFLASH和TF卡组成，NANDFLASH是板载数据存储器，掉电仍可保留存储的数据，方便微处理器直接读写，其容量小于TF卡，数据存储为二进制，需要数传电台发出并由电脑端的上位机解析，且使用时间长后会有坏块，因此，为增加存储器可靠性，增大存储容量，另外加入TF卡，用于存储二进制以及字符串等格式的数据，操作方便，可以直接存储原始数据或者微处理器解算的解析数据，但是其读写速度及传输速度慢，实时性较NANDFLASH差。所述的电源模块由12V锂电池和限流保护板组成，限流保护板限制12V锂电池的放电电流，防止接入传感器的电流过大；稳压模块由防反接电路和稳压电路组成，防反接电路是稳压电路的前端部分，可以防止电源正负极接反，烧坏稳压电路致使系统无法供电，稳压电路用于稳定输出3.3v电压，给整个系统供电，将电源模块输出的电压进行转换，满足其他单元的供电需求。本专利技术与现有技术相比的优点在于：(1)本专利技术将夜间偏振传感器与惯性、星光、里程计等多源导航信息进行融合，可以用于卫星导航系统失效情况，提高了组合导航系统的自主性和抗干扰能力，提高了导航系统环境适应能力，增强了组合导航系统的隐蔽性。(2)本专利技术基于对低照度敏感的CCD相机设计了一种基于夜间环境的仿生惯性/偏振/星光/里程计组合导航系统，可对夜间天空偏振模式进行采集。附图说明图1为本专利技术结构框图。图中：低照度CCD相机1、转接环2、偏光轮3、镜头4、遮光本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于夜间环境的组合导航系统，其特征在于：采用惯性、偏振、星光和里程计的组合导航方式，在卫星导航信号失效情况下，融合多个传感器的导航信息，实现干扰环境下的自主导航；/n所述组合导航系统包括：传感器模块(8)、导航数据处理模块(18)、数据存储及传输模块(26)、电源及稳压模块(19)；/n所述传感器模块(8)包括：夜间偏振测量单元(7)、惯性测量单元(14)、星光测量单元(13)、里程计(12)和避障单元(11)；夜间偏振测量单元(7)负责采集天空偏振模式图像，将图像传输到图像处理单元(15)进行处理，并且对图像处理单元(15)传过来的控制信号进行响应；惯性测量单元(14)对载体的角运动和线运动进行感知，负责测量角速度与加速度信息，并将数据传送给微处理器(17)；星光测量单元(13)测量天空中的星光矢量信息，并将数据传送给微处理器(17)；里程计(12)测量载体速度信息，并将数据传送给微处理器(17)；避障单元(11)用于让平台在接近障碍物时停止移动，防止撞击障碍物，对系统起到保护作用；/n导航数据处理模块(18)包括图像处理单元(15)和微处理器(17)；图像处理单元(15)负责向夜间偏振测量单元(7)发送控制信号，并接收夜间偏振测量单元(7)发送过来的偏振数据并对该数据进行处理，将结果发送给微处理器(17)；所述微处理器(17)，与惯性测量单元(14)、星光测量单元(13)、里程计(12)、避障单元(11)、图像处理单元(15)相连，用于接收惯性测量单元(14)、星光测量单元(13)、里程计(12)、避障单元(11)以及图像处理单元(15)输出的导航信息，并将各个导航参数测量单元的数据通过预先设定的导航算法，经过分析处理，融合获得载体导航过程中所需要的导航数据；/n数据存储及传输模块(26)，用于存储运动过程中测量的来自微处理器(17)的导航数据信息，并实现组合导航系统与外界的信息交互；/n电源及稳压模块(19)为各单元提供电源及稳定电压。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于夜间环境的组合导航系统，其特征在于：采用惯性、偏振、星光和里程计的组合导航方式，在卫星导航信号失效情况下，融合多个传感器的导航信息，实现干扰环境下的自主导航；
所述组合导航系统包括：传感器模块(8)、导航数据处理模块(18)、数据存储及传输模块(26)、电源及稳压模块(19)；
所述传感器模块(8)包括：夜间偏振测量单元(7)、惯性测量单元(14)、星光测量单元(13)、里程计(12)和避障单元(11)；夜间偏振测量单元(7)负责采集天空偏振模式图像，将图像传输到图像处理单元(15)进行处理，并且对图像处理单元(15)传过来的控制信号进行响应；惯性测量单元(14)对载体的角运动和线运动进行感知，负责测量角速度与加速度信息，并将数据传送给微处理器(17)；星光测量单元(13)测量天空中的星光矢量信息，并将数据传送给微处理器(17)；里程计(12)测量载体速度信息，并将数据传送给微处理器(17)；避障单元(11)用于让平台在接近障碍物时停止移动，防止撞击障碍物，对系统起到保护作用；
导航数据处理模块(18)包括图像处理单元(15)和微处理器(17)；图像处理单元(15)负责向夜间偏振测量单元(7)发送控制信号，并接收夜间偏振测量单元(7)发送过来的偏振数据并对该数据进行处理，将结果发送给微处理器(17)；所述微处理器(17)，与惯性测量单元(14)、星光测量单元(13)、里程计(12)、避障单元(11)、图像处理单元(15)相连，用于接收惯性测量单元(14)、星光测量单元(13)、里程计(12)、避障单元(11)以及图像处理单元(15)输出的导航信息，并将各个导航参数测量单元的数据通过预先设定的导航算法，经过分析处理，融合获得载体导航过程中所需要的导航数据；
数据存储及传输模块(26)，用于存储运动过程中测量的来自微处理器(17)的导航数据信息，并实现组合导航系统与外界的信息交互；
电源及稳压模块(19)为各单元提供电源及稳定电压。


2.根据权利要求1所述的一种基于夜间环境的组合导航系统，其特征在于：所述微处理器(17)用于接收惯性测量单元(14)、星光测量单元(13)、里程计(12)、避障单元(11)以及图像处理单元(15)输出的导航数据，将星光测量单元(13)输出的星光矢量信息、惯性测量单元(14)输出的角速度信息、图像处理单元(15)输出的偏振信息进行融合得到载体姿态信息，将惯性测量单元(14)输出的加速度信息，里程计(12)输出的载体速度信息进行融合，得到载体的速度和位置信息，将避障单元(11)输出的障碍物信息与当前速度和位置信息进行融合，得到载体当前位置下的安全性信息。


3.根据权利要求1所述的一种基于夜间环境的组...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭雷，杨悦婷，王善澎，刘鑫，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11