CN105466423A - 一种无人机导航系统及其运行方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及无人机设计技术领域，具体涉及一种无人机导航系统及其运行方法。无人机导航系统用于实时测量具有预定飞行状态的无人机的运动信息，包括：惯性导航系统，用于实时获取无人机的角速度信息和加速度信息；卫星导航系统，用于实时获取无人机第二位置信息和第二速度信息；处理器，用于根据角速度信息和加速度信息，得到第一位置信息、第一速度信息和第一姿态信息；处理器还用于根据第二位置信息和第二速度信息对第一位置信息和第一速度信息进行校正处理，得到校正后的位置信息和速度信息，使得获取的无人机的位置信息和速度信息更加准确；并且，导航系统中具备惯性导航系统和卫星导航系统，集成度更高。
Description
技术领域
本发明涉及无人机设计技术领域，具体涉及一种无人机导航系统及其运行方法。
背景技术
无人机的运动信息是指当前飞行器的位置(经纬度和海拔)、速度、加速度、姿态、角速度、空速等，获取准确的运动信息是无人机能够实现自主飞行和执行任务的前提。运动信息的测量对于无人机的自动控制和保证飞行安全具有重大意义，也是决定飞行品质的重要数据。
无人机上测量运动信息的航电设备称为导航系统，根据所用的测量机理和数据，导航系统可分为惯性导航、垂直陀螺、全球定位系统、磁罗盘等。特别是对于小型无人机(Mini-VAU)，从体积、重量、成本、功耗等方面考虑，其导航系统多采用低精度的惯性导航系统、低精度标准定位GPS接收机以及磁传感器芯片等。通常小型无人机的翼展/长小于2m、质量不大于50kg。
惯性导航系统(inertialnavigationsystem，INS)是一种使用加速计和陀螺仪来测量物体的加速度和旋转，并用计算机来连续估算运动物体位置、姿态和速度的航位推算导航系统，它具有全自主、高带宽、信息全面的优点，并且，在惯性导航系统中通常包括有惯性传感器。进一步，由于高精度惯性传感器体积、重量较大，成本较高，维护和使用比较繁琐，不适用于小型无人机。
因此，在小型无人机中，多采用体积、重量都比较小，且成本低的微机电惯性传感器(MEMS)。但是，微机电惯性传感器存在精度低，且提供的位置、速度和姿态信息累积误差大的缺点，使得惯性导航系统具有误差累积的缺点，随着时间推移，精度将逐渐下降。
卫星导航接收机是小型无人机系统的另一重要机载传感器，它提供载体的位置和速度信息，其误差是明确且有界的，具有很好的长期稳定性，常见的卫星导航接收机能够接收GPS、GLONASS、Galileo、北斗等卫星导航系统的数据。但卫星导航接收机需要依赖外界信息，且数据更新频率低，不能满足实时性的要求，同时仅能提供位置和速度信息，导航信息不够全面，因此卫星导航一般作为辅助的导航设备。
通过位置、速度和姿态信息能够得到无人机在空间中运动的情况，同时，还必须获得自身与气流的相对运动信息，即大气数据。因此，目前大型和中型无人机中还包括大气数据系统，用于提供精确的大气数据信息，例如，气压高度、升降速度、校正空速、真空速、马赫数、大气静温和大气密度比。但是，传统的大气数据系统由于体积和重量较大，小型无人机无法安装需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种无人机导航系统及其运行方法，以解决现有技术中存在的至少一个技术问题。
本发明的技术方案是：
一种无人机导航系统，用于实时测量具有预定飞行状态的无人机的运动信息，包括：
惯性导航系统，用于实时获取所述无人机的角速度信息和加速度信息；
卫星导航系统，用于实时获取所述无人机的第二位置信息和第二速度信息；
处理器，用于对所述惯性导航系统发送的角速度信息和加速度信息进行实时处理，得到所述无人机的第一位置信息、第一速度信息以及第一姿态信息；
所述处理器还用于根据所述卫星导航系统发送的所述第二位置信息和所述第二速度信息，对所述无人机处于同一位置的所述第一位置信息和所述第一速度信息进行校正处理，得到第三位置信息和第三速度信息。
可选地，所述的无人机导航系统还包括：
三轴磁强计，用于实时获取所述无人机的所处位置的地磁矢量信息；
所述处理器还用于根据所述地磁矢量信息提高所述惯性导航系统中航向观测度。
可选地，所述的无人机导航系统还包括：
大气测量系统，用于实时获取所述无人机的大气压力信息、动压信息以及温度信息；
所述处理器还用于对所述大气测量系统发送的所述大气压力信息、所述动压信息以及所述温度信息进行实时处理，得到所述无人机的空速信息和气压高度信息。
可选地，所述大气测量系统包括：
绝压传感器，用于实时获取所述大气压力信息；
差压传感器，用于实时获取所述动压信息；
温度传感器，用于实时获取所述温度信息。
可选地，所述惯性导航系统包括：
三轴陀螺仪，用于实时获取所述角速度信息；
三轴加速度计，用于实时获取所述加速度信息。
可选地，所述卫星导航系统包括：
卫星接收机，用于实时获取所述第二位置信息和所述第二速度信息。
本发明还提供了一种无人机导航系统的运行方法，用于实时测量具有预定飞行状态的无人机的运动信息，包括如下步骤：
步骤一，通过惯性导航系统实时获取所述无人机的角速度信息和加速度信息；
同时，还通过卫星导航系统实时获取所述无人机第二位置信息和第二速度信息；
步骤二，通过处理器对接收到的所述角速度信息和所述加速度信息进行处理，得到所述无人机第一位置信息、第一速度信息以及第一姿态信息；
步骤三，所述处理器根据接收到的所述第二位置信息和所述第二速度信息，对所述无人机处于同一位置的所述第一位置信息和所述第一速度信息进行校正处理，得到所述无人机第三位置信息和第三速度信息。
可选地，在所述步骤一中还包括：
通过三轴磁强计实时获取所述无人机的所处位置的地磁矢量信息；
在所述步骤三中还包括：
所述处理器根据所述地磁矢量信息提高所述惯性导航系统中航向观测度。
可选地所述的无人机导航系统的运行方法还包括：
步骤四，通过大气测量系统实时获取所述无人机的大气压力信息、动压信息以及温度信息，所述处理器对接收到的所述大气压力信息、所述动压信息以及所述温度信息进行实时处理，得到所述无人机的空速信息和气压高度信息。
本发明的有益效果：
本发明的无人机导航系统及其运行方法中，能够通过第二位置信息和第二速度信息对第一位置信息和第一速度信息进行校正，使得获取的无人机的位置信息和速度信息更加准确；并且，导航系统中具备惯性导航系统和卫星导航系统，集成度更高。
附图说明
图1是本发明无人机导航系统的原理图；
图2是本发明无人机导航系统的运行方法的流程图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。
如图1所示，本发明提供的一种无人机导航系统，用于实时测量具有预定飞行状态的无人机的运动信息；需要说明的是，本发明中的无人机是处于正常飞行状态，非停机或收纳状态；其中，预定飞行状态可以是加速、减速、匀速等。无人机导航系统至少包括惯性导航系统、卫星导航系统以及处理器。
惯性导航系统用于实时获取无人机的角速度信息和加速度信息。其中，惯性导航系统具体包括用于实时获取角速度信息的三轴陀螺仪，以及用于实时获取所述加速度信息的三轴加速度计。
卫星导航系统用于实时获取无人机第二位置信息(直接测量得到的位置信息)和第二速度信息(直接测量得到的速度信息。其中，卫星导航系统具体包括卫星接收机，主要是通过卫星接收机用于实时获取上述第二位置信息和第二速度信息。
处理器可以采用多种适合的处理器，例如嵌入式处理器；处理器用于接收惯性导航系统发送的角速度信息和加速度信息，并对角速度信息和加速度信息进行实时处理，从而得到无人机计算后的第一位置信息、第一速度信息以及第一姿态信息。需要说明的是，通过对角速度信息和加速度信息进行处理以得到相应的位置信息、速度信息以及姿态信息属于常规处理方法，此处不再赘述。
进一步，处理器还用于接收卫星导航系统发送的第二位置信息和第二速度信息，并根据第二位置信息和第二速度信息对无人机处于同一位置处(即同一时刻)的第一位置信息和第一速度信息进行校正处理(数据融合处理)，得到校正后最终的第三位置信息和第三速度信息。
本发明的无人机导航系统中，能够通过测量后的第二位置信息和第二速度信息对计算后的第一位置信息和第一速度信息进行校正，使得获取的无人机的位置信息和速度信息更加准确；并且，导航系统中具备惯性导航系统和卫星导航系统，集成度更高。
进一步，本发明的无人机导航系统中，还可以包括三轴磁强计。三轴磁强计用于实时获取无人机的所处位置的地磁矢量信息；处理器根据地磁矢量信息提高惯性导航系统中航向观测度，由于通过地磁矢量信息能够测量航向信息，所以提高了航向观测度。
进一步，本发明的无人机导航系统中，还可以包括大气测量系统。大气测量系统用于实时获取无人机的大气压力信息、动压信息以及温度信息；处理器还用于对大气测量系统发送的大气压力信息、动压信息以及温度信息进行实时处理，从而得到无人机的空速信息和气压高度信息。本发明仅对大气压力信息、动压信息以及温度信息进行测量，能够减少大气测量系统中其他传感器的数量，以满足小型无人机的安装需求，降低重量；同时，得到的空速信息和气压高度信息还能够满足小型无人机实际的控制需求。
具体地，大气测量系统可以包括绝压传感器、差压传感器以及温度传感器。绝压传感器用于实时获取大气压力信息；差压传感器用于实时获取动压信息；温度传感器，用于实时获取温度信息。
本发明的无人机导航系统中，将所有无人机自动飞行必需的传感器集成在一起(一个电路上)，同时具有惯性导航系统、卫星导航系统以及大气数据系统，集成度高，大大减少的重量。并且，采用一个嵌入式处理器采集所有传感器的数据，更加方便的做各个传感器之间的数据融合。
本发明还提供了一种无人机导航系统的运行方法，用于实时测量具有预定飞行状态的无人机的运动信息，包括如下步骤：
步骤S101，通过惯性导航系统实时获取无人机的角速度信息和加速度信息；
同时，还通过卫星导航系统实时获取无人机第二位置信息和第二速度信息。
步骤S102，通过处理器对接收到的角速度信息和加速度信息进行处理，得到无人机第一位置信息、第一速度信息以及第一姿态信息。
步骤S103，处理器根据接收到的第二位置信息和第二速度信息，对无人机处于同一位置的第一位置信息和第一速度信息进行校正处理，得到无人机校正后的第三位置信息和第三速度信息。
同样，本发明无人机导航系统的运行方法中，能够通过第二位置信息和第二速度信息对第一位置信息和第一速度信息进行校正，使得获取的无人机的位置信息和速度信息更加准确；并且，导航系统中具备惯性导航系统和卫星导航系统，集成度更高。
进一步，本发明的无人机导航系统的运行方法的步骤S101中，还包括通过三轴磁强计实时获取无人机的所处位置的地磁矢量信息。
相应地，在步骤S103中，还包括处理器根据地磁矢量信息提高惯性导航系统中航向观测度。
进一步，本发明的无人机导航系统的运行方法，还包括步骤S104：
通过大气测量系统实时获取无人机的大气压力信息、动压信息以及温度信息，处理器对接收到的大气压力信息、动压信息以及温度信息进行实时处理，得到无人机的空速信息和气压高度信息。
本发明的无人机导航系统的运行方法中，将所有无人机自动飞行必需的传感器集成在一起(一个电路上)，同时具有惯性导航系统、卫星导航系统以及大气数据系统，集成度高，大大减少的重量。并且，采用一个嵌入式处理器采集所有传感器的数据，更加方便的做各个传感器之间的数据融合。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种无人机导航系统，用于实时测量具有预定飞行状态的无人机的运动信息，其特征在于，包括：
惯性导航系统，用于实时获取所述无人机的角速度信息和加速度信息；
卫星导航系统，用于实时获取所述无人机的第二位置信息和第二速度信息；
处理器，用于对所述惯性导航系统发送的角速度信息和加速度信息进行实时处理，得到所述无人机的第一位置信息、第一速度信息以及第一姿态信息；
所述处理器还用于根据所述卫星导航系统发送的所述第二位置信息和所述第二速度信息，对所述无人机处于同一位置的所述第一位置信息和所述第一速度信息进行校正处理，得到第三位置信息和第三速度信息。
2.根据权利要求1所述的无人机导航系统，其特征在于，还包括：
三轴磁强计，用于实时获取所述无人机的所处位置的地磁矢量信息；
所述处理器还用于根据所述地磁矢量信息提高所述惯性导航系统中航向观测度。
3.根据权利要求1或2所述的无人机导航系统，其特征在于，还包括：
大气测量系统，用于实时获取所述无人机的大气压力信息、动压信息以及温度信息；
所述处理器还用于对所述大气测量系统发送的所述大气压力信息、所述动压信息以及所述温度信息进行实时处理，得到所述无人机的空速信息和气压高度信息。
4.根据权利要求3所述的无人机导航系统，其特征在于，所述大气测量系统包括：
绝压传感器，用于实时获取所述大气压力信息；
差压传感器，用于实时获取所述动压信息；
温度传感器，用于实时获取所述温度信息。
5.根据权利要求4所述的无人机导航系统，其特征在于，所述惯性导航系统包括：
三轴陀螺仪，用于实时获取所述角速度信息；
三轴加速度计，用于实时获取所述加速度信息。
6.根据权利要求5所述的无人机导航系统，其特征在于，所述卫星导航系统包括：
卫星接收机，用于实时获取所述第二位置信息和所述第二速度信息。
7.一种无人机导航系统的运行方法，用于实时测量具有预定飞行状态的无人机的运动信息，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一，通过惯性导航系统实时获取所述无人机的角速度信息和加速度信息；
同时，还通过卫星导航系统实时获取所述无人机第二位置信息和第二速度信息；
步骤二，通过处理器对接收到的所述角速度信息和所述加速度信息进行处理，得到所述无人机第一位置信息、第一速度信息以及第一姿态信息；
步骤三，所述处理器根据接收到的所述第二位置信息和所述第二速度信息，对所述无人机处于同一位置的所述第一位置信息和所述第一速度信息进行校正处理，得到所述无人机第三位置信息和第三速度信息。
8.根据权利要求7所述的无人机导航系统的运行方法，其特征在于，在所述步骤一中还包括：
通过三轴磁强计实时获取所述无人机的所处位置的地磁矢量信息；
在所述步骤三中还包括：
所述处理器根据所述地磁矢量信息提高所述惯性导航系统中航向观测度。
9.根据权利要求7或8所述的无人机导航系统的运行方法，其特征在于，还包括：
步骤四，通过大气测量系统实时获取所述无人机的大气压力信息、动压信息以及温度信息，所述处理器对接收到的所述大气压力信息、所述动压信息以及所述温度信息进行实时处理，得到所述无人机的空速信息和气压高度信息。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20160406 |