基于多傳感器信息融合的無人機(jī)組合導(dǎo)航系統(tǒng)可以在多種環(huán)境下實(shí)時檢測無人機(jī)的位置、速度和姿態(tài)等飛行狀態(tài)信息,相對于單一導(dǎo)航系統(tǒng)具有更高的環(huán)境適應(yīng)性,是無人機(jī)實(shí)現(xiàn)自主飛行和完成相關(guān)任務(wù)的基礎(chǔ)與核心技術(shù)。目前無人機(jī)所使用的導(dǎo)航系統(tǒng)通常是采用多傳感器配置的單一導(dǎo)航方式,當(dāng)無人機(jī)處于復(fù)雜環(huán)境時,難以獲得精確可靠的導(dǎo)航信息。針對此現(xiàn)狀,本研究設(shè)計了一種采用單目相機(jī)、GPS、氣壓計和INS相結(jié)合的組合導(dǎo)航系統(tǒng),旨在提高無人機(jī)在復(fù)雜環(huán)境下導(dǎo)航系統(tǒng)的可靠性。本文主要工作內(nèi)容包括:（1）針對GPS可以使用的戶外開闊環(huán)境,設(shè)計了以STM32F407VGT6為處理器的組合導(dǎo)航系統(tǒng),該系統(tǒng)搭載了加速度計、陀螺儀、地磁、氣壓計和GPS等傳感器。在該系統(tǒng)中以時間戳對準(zhǔn)和故障診斷技術(shù)為核心,針對GPS相對慣導(dǎo)數(shù)據(jù)存在延時的情況,首先設(shè)計預(yù)測器對GPS的數(shù)據(jù)延時進(jìn)行補(bǔ)償,使得慣導(dǎo)數(shù)據(jù)和GPS數(shù)據(jù)在時間上能夠同步;其次設(shè)計一個故障診斷判斷器對量測數(shù)據(jù)（GPS和氣壓計數(shù)據(jù)）與預(yù)測數(shù)據(jù)（加速度計數(shù)據(jù)）進(jìn)行故障診斷,防止因量測數(shù)據(jù)短暫消失或跳變讓系統(tǒng)無法正常工作。最后將時間戳對準(zhǔn)技術(shù)和故障診斷技術(shù)融入到改進(jìn)的擴(kuò)展卡爾曼濾波器中,... 

【文章來源】：南京信息工程大學(xué)江蘇省

【文章頁數(shù)】：81 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

無人機(jī)電力巡檢（左）和農(nóng)藥噴灑（右）

第一章緒論3圖1.2MTI-G傳感器國內(nèi)在INS/GPS組合導(dǎo)航方面也取得了很大的成果，清華大學(xué)研發(fā)了基于美國ICSensors公司生產(chǎn)的硅微加速度計和BEI公司的微型陀螺儀，由INS/GPS組成的組合導(dǎo)航系統(tǒng)，其輸出的定位誤差已小于GPS的定位誤差，且沒有出現(xiàn)跳變。同時由于我國北斗定位系統(tǒng)的快速發(fā)展，北京東方聯(lián)星公司研制了PNS-100-BGIBeidou/GPS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)，其具有指北和在線標(biāo)定功能。1.2.2INS/視覺組合導(dǎo)航研究現(xiàn)狀I(lǐng)NS/視覺組合的導(dǎo)航系統(tǒng)采用的是一種局部定位方法，沒有GPS給無人機(jī)提供絕對位置信息。INS和視覺組合導(dǎo)航系統(tǒng)包含松耦合和緊耦合兩種方式[17]，松耦合是利用視覺傳感器采集的圖像信息對無人機(jī)的位姿做一個初步估計，然后利用慣導(dǎo)輸出的信息對無人機(jī)的位姿進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化，最終得出相對準(zhǔn)確的無人機(jī)位姿信息[18-19]。緊耦合是先利用IMU數(shù)據(jù)和視覺數(shù)據(jù)進(jìn)行信息融合，將得到的位姿數(shù)據(jù)再和IMU數(shù)據(jù)進(jìn)行二次融合，松耦合的計算量比緊耦合的計算量小[20-21]，但是松耦合計算得到的數(shù)據(jù)精度要遠(yuǎn)低于緊耦合計算的數(shù)據(jù)精度，同時緊耦合的穩(wěn)定性要高于松耦合。在國外，美國WestVirginia大學(xué)在2013年將圖像技術(shù)和慣性導(dǎo)航技術(shù)相結(jié)合，首先通過相關(guān)的算法將慣性導(dǎo)航系統(tǒng)解算的無人機(jī)姿態(tài)信息和激光測量的高度數(shù)據(jù)進(jìn)行組合，接著利用多旋翼無人機(jī)攜帶的相機(jī)拍攝圖片信息進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，并對算法進(jìn)行驗(yàn)證[22]。Mur-ArtalR和TardosJD使用非線性優(yōu)化的方法實(shí)現(xiàn)了單目相機(jī)數(shù)據(jù)和IMU數(shù)據(jù)的緊耦合，同時采用IMU數(shù)據(jù)進(jìn)行尺度估計，在室內(nèi)導(dǎo)航時測量的無人機(jī)位姿數(shù)據(jù)精度較高，但整個算法的實(shí)現(xiàn)過程復(fù)雜，實(shí)時性較差[23]。國內(nèi)INS/視覺導(dǎo)航系統(tǒng)的研究起步較晚，我國大疆公司發(fā)布的御Mavic2和Phantom4Pro是采用視覺和慣導(dǎo)相結(jié)合的導(dǎo)航系統(tǒng)?

南京信息工程大學(xué)碩士學(xué)位論文4圖1.3大疆Phantom4Pro無人機(jī)1.2.3INS/GPS/視覺組合導(dǎo)航研究現(xiàn)狀由于無人機(jī)工作環(huán)境復(fù)雜多變，而INS/GPS組合的導(dǎo)航系統(tǒng)，在GPS信號受到干擾或丟失時，便失去了工作能力；INS/視覺的導(dǎo)航系統(tǒng)，在無人機(jī)大范圍高空飛行時，往往會因數(shù)據(jù)處理困難，造成系統(tǒng)崩潰。為了讓系統(tǒng)之間優(yōu)勢互補(bǔ)，用視覺來輔助慣導(dǎo)和GPS的組合導(dǎo)航系統(tǒng)便應(yīng)運(yùn)而生，形成了INS/GPS/視覺新的組合模式的導(dǎo)航系統(tǒng)。在國外，INS/GPS/視覺組合導(dǎo)航方式已經(jīng)被應(yīng)用到工程實(shí)踐當(dāng)中，并取得了較好的效果。美國3DRobotics公司生產(chǎn)的Solo無人機(jī)，采用相機(jī)、IMU和GPS組合導(dǎo)航的方式完成了無人機(jī)既定航線飛行。法國Parrot公司研制的Bebop2Drone無人機(jī)，搭載GNSS、攝像頭、IMU和超聲傳感器，完成了無人機(jī)在復(fù)雜環(huán)境中自動返航的功能。在國內(nèi)，哈工大航天學(xué)院，利用層次化分散融合結(jié)構(gòu)的算法，實(shí)現(xiàn)了INS/GPS/視覺的組合導(dǎo)航，使得無人機(jī)在復(fù)雜環(huán)境中飛行時，有較強(qiáng)的容錯導(dǎo)航特性[25]。隨著國家和企業(yè)對人工智能的極大推廣，INS/GPS/視覺的組合導(dǎo)航系統(tǒng)將會越來越成熟。圖1.4法國BebopDrone1.3本文的主要研究內(nèi)容與章節(jié)安排1.3.1本文主要研究內(nèi)容本文根據(jù)無人機(jī)在復(fù)雜環(huán)境中飛行的實(shí)際要求，在慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和視覺導(dǎo)航系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，設(shè)計了INS/GPS/視覺的組合導(dǎo)航系統(tǒng)，讓無人機(jī)既可以在室外


本文編號：3060650