CN102506875B - 无人机的导航方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无人机的导航方法及装置，其中，该方法包括：接收GPS接收机和三轴电子罗盘输出的测量参数；根据上一个周期输出的导航参数、测量参数生成校正参数；根据校正参数输出当前周期的导航参数；根据当前周期的导航参数对无人机系统进行导航。本发明解决了相关技术中的惯性导航系统的定位误差随时间不断增加，难以满足长时间精确导航的问题，达到了精确导航的技术效果。

Description

无人机的导航方法及装置

技术领域

本发明涉及航空领域，具体而言，涉及一种小型无人机的导航方法及装置。

背景技术

小型无人机以其体积小，在执行任务时隐蔽性好，机动灵活，便于部署，成本低廉，便于携带等特点，在低空军事侦察、火力支援、目标搜索、中继通讯、航空摄影、气象灾害监测以及道路交通监控等各领域都有着广泛的应用前景。随着应用领域向无人机小型化上的拓展，对小型无人机导航系统也提出了更高的要求，为小型无人机设计一种高精度、高可靠性的导航系统是小型无人机发展的关键技术之一。

目前，在导航系统中，大多以惯性导航为基准导航系统，其他导航系统辅助惯性导航来提高导航精度。常用的组合导航系统有惯性/多普勒、惯性/天文、INS(Inertial Navigation System，惯性导航系统)/GPS(Global Positioning System，全球定位系统)以及惯性/地形匹配组合导航系统等。其中以INS/GPS组合导航系统应用最为广泛，是大多数组合导航系统的最佳选择方案之一。惯性导航系统(INS)是一种不依赖于外部信息，也不向外部辐射能量的完全自主式导航系统，这使它具有很好的隐蔽性，不受干扰，工作环境适应性好，而且提供的导航参数信息多，数据更新率高，短期精度和稳定性好。但是惯性导航系统并非十全十美，由于惯性导航系统的定位误差随时间增加不断增大，因而难以满足长时间精确导航的要求。此外，由于利用GPS接收机提供的信息只能对水平姿态信息得到很好的估计，而对航向角误差估计的效果不好。

针对相关技术中的惯性导航系统的定位误差随时间增加不断增大，难以满足长时间精确导航的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

针对相关技术中的惯性导航系统的定位误差随时间增加不断增大的问题，本发明提供了一种小型无人机的导航方法及装置，以至少解决上述问题。

根据本发明的一个方面，提供了一种无人机的导航方法，该方法包括：接收GPS接收机和三轴电子罗盘输出的测量参数；根据上一个周期输出的导航参数、测量参数生成校正参数；根据校正参数输出当前周期的导航参数；根据当前周期的导航参数对无人机系统进行导航。

优选的，根据上一个周期输出的导航参数、所述测量参数生成校正参数的步骤包括：将所述上一个周期输出的导航参数、所述测量参数作为输入参数进行卡尔曼滤波操作，将卡尔曼滤波操作得到的结果作为所述校正参数。

优选的，根据上一个周期输出的导航参数、所述测量参数生成校正参数的步骤还包括：在进行卡尔曼滤波操作之前，判断是否到达滤波周期，若到达滤波周期，则通知系统执行所述卡尔曼滤波操作。

优选的，根据所述校正参数输出当前周期的导航参数的步骤包括：获取当前的角速度参数和加速度参数；通过所述加速度参数与所述校正参数对所述上一个周期输出的导航参数中的速度参数进行校正，得到所述当前周期的导航参数中的速度参数；通过所述角速度参数与所述校正参数对所述上一个周期输出的导航参数中的姿态参数进行校正，得到所述当前周期的导航参数中的姿态参数；通过所述当前周期的导航参数中的姿态参数和速度参数对所述上一个周期输出的导航参数中的位置参数进行校正，得到所述当前周期的导航参数中的位置参数。

优选的，根据所述校正参数输出当前周期的导航参数的步骤包括：在进行获取当前的角速度参数和加速度参数之前，判断是否到达校正周期，若到达校正周期，则通知系统执行所述校正操作。

优选的，在接收GPS接收机和三轴电子罗盘输出的测量参数之前，无人机的导航方法还包括：使用加速度参数、所述三轴电子罗盘输出的测量参数对导航参数进行初始对准操作。

根据本发明的另一方面，提供了一种无人机的导航装置，该装置包括：捷连贯导系统，GPS接收机和三轴电子罗盘，其中，捷连贯导系统包括：接收单元，用于接收GPS接收机和三轴电子罗盘输出的测量参数；生成单元，用于根据上一个周期输出的导航参数、测量参数生成校正参数；输出单元，用于根据校正参数输出当前周期的导航参数；导航单元，根据当前周期的导航参数对无人机系统进行导航。

优选的，生成单元包括：滤波模块，用于将所述上一个周期输出的导航参数、所述测量参数作为输入参数进行卡尔曼滤波操作，将卡尔曼滤波操作得到的结果作为所述校正参数。

优选的，输出单元包括：获取模块，用于获取当前的角速度参数和加速度参数；第一校正子模块，用于通过获取模块获取的所述加速度参数与所述校正参数对所述上一个周期输出的导航参数中的速度参数进行校正，得到所述当前周期的导航参数中的速度参数；第二校正子模块，用于通过所述获取模块获取的角速度参数与所述校正参数对所述上一个周期输出的导航参数中的姿态参数进行校正，得到所述当前周期的导航参数中的姿态参数；第三校正子模块，用于通过所述当前周期的导航参数中的姿态参数和速度参数对所述上一个周期输出的导航参数中的位置参数进行校正，得到所述当前周期的导航参数中的位置参数。

优选的，无人机的导航装置还包括初始化单元，用于在所述接收单元接收所述GPS接收机和所述三轴电子罗盘输出的测量参数之前，使用加速度参数、所述三轴电子罗盘输出的测量参数对导航参数进行初始对准操作。

通过本发明，采用捷连贯导系统输出导航参数信息，使用GPS接收机和三轴电子罗盘接收的信息参数辅助校正，解决了相关技术中的惯性导航系统的定位误差随时间不断增加，难以满足长时间精确导航的问题，进而达到了精确导航的技术效果。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是根据本发明实施例的无人机的导航方法的一种优选的流程图；

图2是根据本发明实施例的无人机的导航装置的一种优选的结构框图；

图3是根据本发明实施例的无人机的导航装置的另一种优选的结构框图；

图4是根据本发明实施例的无人机的导航装置的一种优选的原理图；

图5是根据本发明实施例的无人机的导航方法的另一种优选的流程图。

具体实施方式

下文中将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例1

本发明提供了一种优选的无人机的导航方法，如图1所示，包括：

S102，接收GPS接收机和三轴电子罗盘输出的测量参数；

S104，根据上一个周期输出的导航参数、测量参数生成校正参数；

S106，根据校正参数输出当前周期的导航参数；

S108，根据当前周期的导航参数对无人机系统进行导航。

在上述优选的实施例中，借助接收GPS接收机和三轴电子罗盘输出的测量参数对导航输出的参数进行周期性校正，克服了导航的定位误差随时间不断增加，难以满足长时间精确导航的问题，达到了精确导航的技术效果。

为了对输出导航参数进行校正，本发明还提供了一种校正方法，具体地，根据上一个周期输出的导航参数、测量参数生成校正参数的步骤包括：将上一个周期输出的导航参数、测量参数作为输入参数进行卡尔曼滤波操作，将卡尔曼滤波操作得到的结果作为校正参数。通过上述卡尔曼滤波参数，完成滤波运算，实现对导航输出参数的精确校正。

优选的，在进行上述卡尔曼滤波操作之前，判断是否到达滤波周期，若到达滤波周期，则通知系统执行卡尔曼滤波操作。通过滤波周期来判断是否进行卡尔曼滤波，保证滤波的周期性，进而实现对导航输出参数的精确校正。

在本发明优选的实施例中，还提供了一种优选的根据校正参数输出当前周期的导航参数的方法，具体包括：获取当前的角速度参数和加速度参数；通过加速度参数与校正参数对上一个周期输出的导航参数中的速度参数进行校正，得到当前周期的导航参数中的速度参数；通过角速度参数与校正参数对上一个周期输出的导航参数中的姿态参数进行校正，得到当前周期的导航参数中的姿态参数；通过当前周期的导航参数中的姿态参数和速度参数对上一个周期输出的导航参数中的位置参数进行校正，得到当前周期的导航参数中的位置参数。

通过上述优选的方法，可以实现同时对飞行器的速度参数、姿态参数以及位置参数的校正，进一步保证导航的精确性。

优选的，在进行获取当前的角速度参数和加速度参数之前，判断是否到达校正周期，若到达校正周期，则通知系统执行校正操作。通过校正周期来判断是否进行校正，保证校正的周期性，进而实现对导航输出参数的精确校正。

在本发明优选的实施例中，还提供了一种优选的导航初始化的方法，具体的，在接收GPS接收机和三轴电子罗盘输出的测量参数之前，无人机的导航方法还包括：使用加速度参数、三轴电子罗盘输出的测量参数对导航参数进行初始对准操作。通过对导航参数进行初始对准，保证下一步的校正操作运算过程的精确性，进而达到导航输出参数的精确校正的技术效果。

实施例2

本发明提供了一种优选的无人机的导航装置，具体的，如图2所示，包括：捷连贯导系统202，GPS接收机204和三轴电子罗盘206，其中，捷连贯导系统202包括：

接收单元2022，用于接收GPS接收机和三轴电子罗盘输出的测量参数；

生成单元2024，用于根据上一个周期输出的导航参数、测量参数生成校正参数；

输出单元2026，用于根据校正参数输出当前周期的导航参数；

导航单元2028，根据当前周期的导航参数对无人机系统进行导航。

在上述优选的实施例中，借助接收GPS接收机204和三轴电子罗盘206输出的测量参数对导航输出的参数进行周期性校正，克服了导航的定位误差随时间不断增加，难以满足长时间精确导航的问题，达到了精确导航的技术效果。

优选的，上述无人机的导航装置采用基于MIMU的捷联惯导系统作为组合导航系统的主输出通道，每间隔预定时间(如20ms)进行一次捷联惯导解算输出导航参数信息，使用GPS接收机204输出的GPS位置速度信息对惯性导航系统进行周期校正。但利用GPS接收机提供的信息，只能对水平姿态误差信息得到很好的估计，而对航向角误差估计效果不好。为了提高对航向误差角的估计精度，还使用了一个三轴电子罗盘206，利用其输出的磁航向角信息与GPS接收机204提供的位置速度信息一起作为量测信息对捷联惯导系统进行周期校正。这样就构成了以捷联惯导系统为主，GPS接收机204和三轴电子罗盘206为辅的多传感器信息融合的组合导航系统来消除捷联惯导系统的误差积累，实现对微小型无人机长时间精确导航。

为了对输出导航参数进行校正，本发明还对上述生成单元2024进行了改进，具体的，如图3所示，该生成单元2024包括：滤波模块20242，用于将上一个周期输出的导航参数、测量参数作为输入参数进行卡尔曼滤波操作，将卡尔曼滤波操作得到的结果作为校正参数。

优选的，在上述滤波模块20242进行卡尔曼滤波操作之前，判断是否到达滤波周期，若到达滤波周期，则通知系统执行卡尔曼滤波操作。通过滤波周期来判断是否进行卡尔曼滤波，保证滤波的周期性，进而实现对导航输出参数的精确校正。

本发明还对上述输出单元2026进行了改进，以达到精确校正的效果。具体的，如图3所示，输出单元2026包括：获取模块20262，用于获取当前的角速度参数和加速度参数；第一校正子模块20264，用于通过获取模块获取的加速度参数与校正参数对上一个周期输出的导航参数中的速度参数进行校正，得到当前周期的导航参数中的速度参数；第二校正子模块20266，用于通过获取模块获取的角速度参数与校正参数对上一个周期输出的导航参数中的姿态参数进行校正，得到当前周期的导航参数中的姿态参数；第三校正子模块20268，用于通过当前周期的导航参数中的姿态参数和速度参数对上一个周期输出的导航参数中的位置参数进行校正，得到当前周期的导航参数中的位置参数。

通过上述优选的实施方式，可以实现同时对飞行器的速度参数、姿态参数以及位置参数的校正，进一步保证导航的精确性。

优选的，在获取模块20262获取当前的角速度参数和加速度参数之前，判断是否到达校正周期，若到达校正周期，则通知系统执行校正操作。通过校正周期来判断是否进行校正，保证校正的周期性，进而实现对导航输出参数的精确校正。

在本发明优选的实施例中，还提供了一种优选的初始化的实施方式，具体的，无人机的导航装置还包括初始化单元，用于在接收单元接收GPS接收机和三轴电子罗盘输出的测量参数之前，使用加速度参数、三轴电子罗盘输出的测量参数对导航参数进行初始对准操作。通过对导航参数进行初始对准，保证下一步的校正操作运算过程的精确性，进而达到导航输出参数的精确校正的技术效果。

实施例3

图4示出本优选实施例的无人机的导航装置的原理图，使用GPS接收机提供的位置速度信息与三轴电子罗盘输出的磁航向角信息一起作为量测信息对捷联惯导系统进行周期校正。这样就构成了以捷联惯导系统为主，GPS接收机和三轴电子罗盘为辅的多传感器信息融合的组合导航系统来消除捷联惯导系统的误差积累，实现对微小型无人机长时间精确导航。

在上述无人机的导航装置中，将导航参数的误差量作为系统状态向量，捷联惯导输出的信息与量测信息相减作为卡尔曼滤波的量测量，采用反馈校正的卡尔曼滤波器，经过滤波计算后估计出的误差对捷联惯导进行校正。具体的，微惯性测量组合模块通过温度误差补偿模块和初始校准模块与捷连贯导解算模块相连，卡尔曼滤波模块根据捷连贯导解算模块解算得到的参数、以及电子罗盘和GPS接收机接收的测量参数进行卡尔曼滤波操作，将经过滤波操作得到的误差量输出给捷连贯导解算模块，捷连贯导解算模块使用上述误差量进行反馈校正以生成校正后的导航参数，并把校正后的导航参数传输给导航处理模块。此外，利用微惯性测量组合模块输出的加速度信息和电子罗盘输出的信息完成捷联惯导系统的初始对准。

图5示出了上述无人机的装置工作的方法流程图，具体的，包括(S502-S550)：

S502，完成使用参数的初始化。

进入导航子程序后，先完成使用参数的初始化，优选的，这些参数包括捷联惯导解算周期、卡尔曼滤波周期，地球半径、自转角速率、量测噪声方差阵、驱动噪声方差阵以及程序执行时间长度等，以及在捷联惯导解算和卡尔曼滤波运算中使用变量的初始化。

S504，进行捷连贯导系统的初始化对准。

S506，判断是否是第一次执行程序，若是，则执行步骤S508，若否，则转而执行步骤S510。

S508，赋予位置、速度初值，即第一次执行程序，就对位置速度赋初值，由位置初值计算出位置矩阵，利用初始对准得到的姿态角建立姿态矩阵并完成四元数的初始化工作。

S510，获取当前的角速度信息和加速度信息。

在获取当前的角速度信息和加速度信息之后，执行步骤S512-S534。

S512-S534，由加速度信息进行速度更新计算出当前时刻的速度，并判断滤波标志位是否为1，如果滤波标志位为1就对速度进行校正；由角速度信息完成四元数更新并计算当前的姿态矩阵，并判断滤波标志位是否为1，如果滤波标志位为1，则对速度进行校正；由角速度信息完成四元数更新并计算当前的姿态矩阵，并判断滤波标志位是否为1，如果滤波标志位为1，则对姿态阵进行修正并计算修正后的四元数值；由当前的姿态矩阵提取出飞机的姿态角，由计算出的当前速度更新位置矩阵，计算出当前位置，并判断滤波标志位是否为1，若滤波标志位为1，则对位置进行校正。

至此，通过步骤S502-S534，就完成了捷连贯导解算任务。在此之后，进行卡尔曼滤波，卡尔曼滤波的具体步骤包括(S536-S550)：

S536，判断捷连贯导系统是否正常工作；若是，执行步骤S538-S550，否则，返回主程序。

S538，判断是否到达滤波周期；若是，执行步骤S540-S544，否则，转而执行步骤S546。

S540，进行滤波计算。

S542，滤波标志位置1。

S544，更新G阵和Q阵，其中，G阵和Q阵为卡尔曼滤波中使用到的参数。

S546，清除滤波标志位；计算F阵、状态转移矩阵，其中，F阵为卡尔曼滤波中使用到的参数。

S548，输出估计值。

S550，判断程序是否结束；若结束，则返回主程序；否则，转至步骤S506进行判断。

通过利用捷联惯导解算后的位置、速度以及姿态角信息对系统状态方程进行离散化处理计算出状态转移矩阵，如果到了滤波周期就进行卡尔曼滤波计算，置滤波标志位为1，并输出估计误差值。优选的，捷联惯导解算周期为20毫秒，卡尔曼滤波周期为2秒。在完成滤波运算后判断程序是否结束，如果没有结束则返回捷联惯导解算的入口继续运行，否则子程序结束，返回主程序。

从以上的描述中，可以看出，本发明采用捷连贯导系统输出导航参数信息，使用GPS接收机和三轴电子罗盘接收的信息参数辅助校正，解决了相关技术中的惯性导航系统的定位误差随时间不断增加，难以满足长时间精确导航的问题，进而达到了精确导航的技术效果。

显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，并且在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种无人机的导航方法，其特征在于，包括：

接收GPS接收机和三轴电子罗盘输出的测量参数；

根据上一个周期输出的导航参数、所述测量参数生成校正参数；

根据所述校正参数输出当前周期的导航参数；

根据所述当前周期的导航参数对无人机系统进行导航；

其中，根据所述校正参数输出当前周期的导航参数的步骤包括：获取当前的角速度参数和加速度参数；通过所述加速度参数与所述校正参数对所述上一个周期输出的导航参数中的速度参数进行校正，得到所述当前周期的导航参数中的速度参数；通过所述角速度参数与所述校正参数对所述上一个周期输出的导航参数中的姿态参数进行校正，得到所述当前周期的导航参数中的姿态参数；通过所述当前周期的导航参数中的姿态参数和速度参数对所述上一个周期输出的导航参数中的位置参数进行校正，得到所述当前周期的导航参数中的位置参数；

其中，根据上一个周期输出的导航参数、所述测量参数生成校正参数的步骤包括：将所述上一个周期输出的导航参数、所述测量参数作为输入参数进行卡尔曼滤波操作，将卡尔曼滤波操作得到的结果作为所述校正参数。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据上一个周期输出的导航参数、所述测量参数生成校正参数的步骤还包括：

在进行卡尔曼滤波操作之前，判断是否到达滤波周期，若到达滤波周期，则通知系统执行所述卡尔曼滤波操作。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述校正参数输出当前周期的导航参数的步骤包括：

在进行获取当前的角速度参数和加速度参数之前，判断是否到达校正周期，若到达校正周期，则通知系统执行所述校正操作。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在接收GPS接收机和三轴电子罗盘输出的测量参数之前，还包括：

使用加速度参数、所述三轴电子罗盘输出的测量参数对导航参数进行初始对准操作。

5.一种无人机的导航装置，包括：捷连贯导系统，GPS接收机和三轴电子罗盘，其中，所述捷连贯导系统包括：

接收单元，用于接收所述GPS接收机和所述三轴电子罗盘输出的测量参数；

生成单元，用于根据上一个周期输出的导航参数、所述测量参数生成校正参数；

输出单元，用于根据所述校正参数输出当前周期的导航参数；

导航单元，根据所述当前周期的导航参数对无人机系统进行导航；

其中，所述输出单元包括：获取模块，用于获取当前的角速度参数和加速度参数；第一校正子模块，用于通过获取模块获取的所述加速度参数与所述校正参数对所述上一个周期输出的导航参数中的速度参数进行校正，得到所述当前周期的导航参数中的速度参数；第二校正子模块，用于通过所述获取模块获取的角速度参数与所述校正参数对所述上一个周期输出的导航参数中的姿态参数进行校正，得到所述当前周期的导航参数中的姿态参数；第三校正子模块，用于通过所述当前周期的导航参数中的姿态参数和速度参数对所述上一个周期输出的导航参数中的位置参数进行校正，得到所述当前周期的导航参数中的位置参数；

其中，所述生成单元包括：滤波模块，用于将所述上一个周期输出的导航参数、所述测量参数作为输入参数进行卡尔曼滤波操作，将卡尔曼滤波操作得到的结果作为所述校正参数。

6.根据权利要求5所述装置，其特征在于，还包括初始化单元，用于在所述接收单元接收所述GPS接收机和所述三轴电子罗盘输出的测量参数之前，使用加速度参数、所述三轴电子罗盘输出的测量参数对导航参数进行初始对准操作。