【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及无人飞行器定位，尤其涉及一种井下无人飞行器高精度融合定位系统及方法。
技术介绍
1、煤矿井下智能无人飞行器巡检系统的提出和发展是国内外煤矿企业智能化综合煤矿开采中重要组成，它将为传统的人工巡检和轨道机器人巡检提供了更安全、更高效、更灵活、更具成本效益的替代方案。将地面飞行器发展成一种适用于煤矿井下特殊环境(空间受限、高粉尘、高可燃气体等)的高速智能无人飞行器巡检系统的首要前提是其高度的自主定位与导航能力。这是其完成煤矿井下带式输送机、变电所、水泵房及其他重点区域自动化巡检，满足无人值守、实时监控、全天候工作要求的基本能力，也是所有室内自主无人飞行器系统的核心研究问题。在煤矿井下等没有gps或卫星信号的室内环境中，配备了先进传感器如相机、惯导、lidar、超声波、超宽带和红外线等的无人飞行器进行巡检的无人飞行器定位和导航技术已经受到了越来越多的关注和研究。但是将其用在室内或者更为特殊的煤矿井下解决无人飞行器的高精度自主定位与导航飞行和巡检中都还处于起步阶段，也无成熟的技术方案。
2、在现有的技术中，井下无人飞行器的定位主要依赖于单一的传感器或简单的传感器组合，这些方案虽然能够在一定程度上实现定位，但精度和稳定性往往达不到实际应用的要求。
3、以下为现有的主要定位技术：
4、(1)基于uwb的定位系统：
5、技术措施：uwb技术通过发送和接收纳秒级的脉冲信号来进行测距，从而实现定位。在井下环境中，可以布置多个uwb基站，无人飞行器搭载uwb标签，通过与基站之间的信号传输时
6、产品构成：主要由uwb基站、无人飞行器搭载的uwb标签以及数据处理单元组成。
7、相互关系：uwb基站负责发送和接收脉冲信号；uwb标签安装在无人飞行器上，用于与基站进行通信；数据处理单元对接收到的信号进行处理，计算出无人飞行器的位置。
8、(2)基于ins和激光传感器的定位系统：
9、技术措施：ins通过陀螺仪和加速度计等惯性传感器来测量无人飞行器的角速度和加速度，从而推算出无人飞行器的位置和姿态。激光传感器则通过扫描周围环境，获取环境的三维信息，辅助ins进行定位。
10、产品构成：主要由ins模块、激光传感器以及数据处理单元组成。
11、相互关系：ins模块提供无人飞行器的姿态和位置初步估计；激光传感器扫描周围环境，提供精确的环境信息；数据处理单元融合ins和激光传感器的数据，提高定位精度。
12、然而，这些现有技术都存在一定的局限性。例如，uwb定位在信号遮挡严重或基站布局不合理的情况下，定位精度会大幅下降；而ins和激光传感器的组合在长时间运行后，由于误差累积，定位精度也会逐渐降低。
13、在井下这种没有卫星信号的环境中，现有的定位技术虽然能够在一定程度上实现无人飞行器的定位，但仍存在一些显著的缺陷：
14、(1)uwb定位技术的缺陷：
15、信号穿透能力有限：uwb信号在遇到障碍物时，信号强度会大幅衰减，影响定位精度。在井下环境中，由于巷道结构复杂，信号遮挡严重，这可能导致定位不准确甚至失败。
16、基站布局要求高：uwb定位依赖于基站的布局，如果基站设置不合理或者数量不足，会导致定位盲区或精度下降。
17、成本较高：为了实现较高精度的定位，需要在井下布置大量的uwb基站，这增加了系统的成本和复杂性。
18、(2)ins定位技术的缺陷：
19、误差累积：ins是通过积分加速度和角速度数据来推算位置和姿态的，因此随着时间的推移，误差会逐渐累积，导致定位精度下降。
20、初始对准时间长：ins在使用前需要进行较长的初始对准过程，以确定初始位置和姿态，这限制了其在快速响应场景中的应用。
21、(3)激光传感器及ir(红外线)定位的缺陷：
22、受环境因素影响大：激光传感器及ir(红外线)对环境条件较为敏感，如湿度、粉尘等都可能影响其测量精度。
23、扫描范围有限：激光传感器的扫描范围通常受到限制，可能无法覆盖整个井下环境。
24、(4)camera和lidar定位的缺陷：
25、对光照条件敏感：camera定位在光照条件不佳时性能会大幅下降，而井下环境往往光照不足。
26、数据处理复杂：camera和lidar采集的数据量庞大，需要高性能的处理器进行实时处理，这在井下环境中可能是一个挑战。
27、成本较高：高精度的camera和lidar设备成本较高，可能增加系统的总体成本。
28、综上所述，现有的井下无人飞行器定位技术都存在各自的缺陷，无法满足高精度、高稳定性和低成本的综合需求。
技术实现思路
1、本专利技术要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种井下无人飞行器高精度融合定位系统及方法，结合了uwb(超宽带技术)、ins(惯性导航系统)、ir(红外线)、camera(摄像头)以及lidar(激光雷达)等多种传感器技术，以实现在没有卫星信号的井下环境中的高精度定位。
2、为解决上述技术问题，本专利技术所采取的技术方案是：一方面，本专利技术提供一种井下无人飞行器高精度融合定位系统，包括数据采集模块、通信模块、机载电脑和电源模块；所述数据采集模块包括uwb定位单元、ins单元、ir单元、图像采集单元和lidar单元；
3、所述uwb定位单元采用专用的uwb芯片组，采集无人飞行器与井下布置的uwb基站之间的距离；
4、所述ins单元包括高精度的陀螺仪和加速度计，用于测量无人飞行器的姿态和动态参数；
5、所述ir单元与ins单元结合用于测量无人飞行器的离地高度数据；
6、所述lidar单元和ins单元结合扫描局部巷道周边环境，形成局部三维扫描巷道地图；
7、所述图像采集单元采用高分辨率摄像头捕捉无人飞行器无人飞行器所在环境图像；
8、所述uwb定位单元、ins单元、ir单元、图像采集单元和lidar单元均与机载电脑连接，将采集的数据传输至机载电脑；
9、所述机载电脑接收并处理数据采集模块采集的多种类型数据，并运行定位算法进行融合定位，输出无人飞行器最终的定位结果；
10、所述通信模块用于实现机载电脑与地面控制中心之间的数据传输和通信。
11、所述电源模块与数据采集模块、通信模块和机载电脑均连接，提供供电电源。
12、另一方面，本专利技术还提供一种井下无人飞行器高精度融合定位方法，使用以下步骤进行迭代定位：
13、步骤1、建立无人飞行器状态方程；
14、已知无人飞行器上一时刻位置w(n-1)，速度通过ins单元采集无人飞行器当前时刻加速度数据根据运动方程计算当前位置w(n)和速度如下公式所示：：
15、
16、其中，δ本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种井下无人飞行器高精度融合定位系统，其特征在于：包括数据采集模块、通信模块、机载电脑和电源模块；所述数据采集模块包括UWB定位单元、INS单元、IR单元、图像采集单元和LiDAR单元；
2.一种井下无人飞行器高精度融合定位方法，基于权利要求1所述井下无人飞行器高精度融合定位系统实现，其特征在于：使用以下步骤进行迭代定位：
3.根据权利要求1所述的一种井下无人飞行器高精度融合定位方法，其特征在于：所述步骤1的具体方法为：
4.根据权利要求3所述的一种井下无人飞行器高精度融合定位方法，其特征在于：步骤2所述无人飞行器测量方程如下公式所示：
5.根据权利要求4所述的一种井下无人飞行器高精度融合定位方法，其特征在于：所述步骤3的具体方法为：
6.根据权利要求5所述的一种井下无人飞行器高精度融合定位方法，其特征在于：所述步骤4的具体方法为：
【技术特征摘要】
1.一种井下无人飞行器高精度融合定位系统，其特征在于：包括数据采集模块、通信模块、机载电脑和电源模块；所述数据采集模块包括uwb定位单元、ins单元、ir单元、图像采集单元和lidar单元；
2.一种井下无人飞行器高精度融合定位方法，基于权利要求1所述井下无人飞行器高精度融合定位系统实现，其特征在于：使用以下步骤进行迭代定位：
3.根据权利要求1所述的一种井下无人飞行器高精度融...
【专利技术属性】
技术研发人员：马龙，方堃，郭长娜，张岩，王东，钱旭，
申请(专利权)人：中煤科工集团沈阳研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：
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