CN105954782A - 一种多旋翼无人机的组合测向方法 - Google Patents

一种多旋翼无人机的组合测向方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多旋翼无人机的组合测向方法，包括如下步骤：系统初始化后，校正BD/GPS导航测向模块，再校正磁力计；当无人机无干扰时，以BD/GPS测向系统为主，磁力计测向系统为辅进行组合测向，对磁力计的测向数据使用最小二乘准则配准法进行配准，将磁力计的测向数据与BD/GPS导航测向模块的测向数据一致时的测向数据作为测量结果；当磁力计受到干扰时，使用BD/GPS导航测向模块进行测量，当BD/GPS导航测向模块定位不准或测向角度不收敛时，使用磁力计进行测量；以及输出测向数据。本发明提高了多旋翼无人机系统测向精度，满足多种任务对测向的要求，具有较强的抗干扰能力。

Description

一种多旋翼无人机的组合测向方法
技术领域
本发明涉及无人机飞行器领域，特别是指一种多旋翼无人机的组合测向方法。
背景技术
多旋翼无人机飞行器是一种新型的旋翼飞行器,有着多个对称分布在机体四周、正反转成对的旋翼,具有垂直起降、稳定悬停和自主巡航能力的微小型飞行器,在民用和军事领域有着广阔的应用前景。该类飞行器普遍采用电能驱动,具有结构简单、飞行稳定、易于操控(配合飞行控制系统)、低噪声无污染、携带方便、安全危害性小等特点,非常适合于执行中短距离的飞行任务。近年来,多旋翼无人飞行器逐渐引起了国内外的极大关注,相继诞生了一些典型产品。
现有的多旋翼无人机都是通过单个磁力计进行测向，测向精度差，局限性很大，不能满足现有精确测向的要求。另一个方面由于磁力计本身制造原因、飞行器载荷和飞行环境的变化，会导致磁力计外部磁场环境的改变，通过测量和解算出的航向有误差，影响到多旋翼飞行器的正常飞行。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提出一种多旋翼无人机的组合测向方法，测向精度高、抗干扰、系统可靠且易于工程实现，克服了现有方案的不足。
基于上述目的，本发明实施例提供的一种多旋翼无人机的组合测向方法，包括如下步骤：
系统初始化后，校正BD/GPS导航测向模块，再校正磁力计；
当无人机无干扰时，以BD/GPS测向系统为主，磁力计测向系统为辅进行组合测向，对磁力计的测向数据使用最小二乘准则配准法进行配准，将磁力计的测向数据与BD/GPS导航测向模块的测向数据一致时的测向数据作为测量结果；
当磁力计受到干扰时，使用BD/GPS导航测向模块进行测量，当BD/GPS导航测向模块定位不准或测向角度不收敛时，使用磁力计进行测量；
输出测向数据；
其中GPS表示全球定位系统，BD表示北斗卫星导航系统。
优选的，所述校正BD/GPS导航测向模块的步骤包括：先将多旋翼无人机放置在指北的基准线上，再让带有主副天线的连线与基准线重合，然后在连续获取多次数据后计算飞机控制系统的固定偏差，代入到飞机的控制系统进行校正。
优选的，所述再校正磁力计的步骤包括：先将多旋翼无人机放置在指北的基准线上，再让带有主副天线的连线与基准线重合，然后在连续获取多次数据后计算飞机控制系统的固定偏差，代入到飞机的控制系统进行校正。
优选的，其特征在于，所述固定偏差的计算公式为：其中为固定偏差xi为第i次的偏差，N为大于等于1的自然数。
优选的，其特征在于，使用最小二乘准则配准法进行配准的计算公式为：其中为磁力计的配准测量值，为量测噪声方差，n是量测一个长周期内的量测次数，zi为对应每次量测的量测值，c1＝-2/n；c2＝6/[n(n+1)]，是磁力计量测噪声方差。
从上面所述可以看出，本发明提供一种多旋翼无人机的组合测向方法与现有技术方法相比具有以下有益效果：利用BD/GPS测向系统(其中GPS是英文Global Positioning System(全球定位系统)的缩写，BD指我国自主研发的北斗卫星导航系统的缩写)和磁力计进行组合测向，设计了地面精确校正、空中组合测向策略和干扰条件下的组合测向策略，这样提高了多旋翼无人机系统测向精度，满足多种任务对测向的要求，具有较强的抗干扰能力，而现有技术是通过机载单磁力计测向，测向误差较大，易受外部信号干扰，与现有技术相比，本发明的测向系统测向精度高、抗干扰性强、更可靠。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例的多旋翼无人机的组成结构的示意图；
图2为本发明实施例的多旋翼无人机的组合测向系统结构的示意图；
图3为本发明实施例的多旋翼无人机的组合测向方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
需要说明的是，本发明实施例中所有使用“第一”和“第二”的表述均是为了区分两个相同名称非相同的实体或者非相同的参量，可见“第一”“第二”仅为了表述的方便，不应理解为对本发明实施例的限定，后续实施例对此不再一一说明。
本发明实施例提供一种多旋翼无人机的组合测向方法，其包括
校正BD/GPS导航测向模块，再校正磁力计；
当无人机无干扰时，对磁力计的测向数据使用最小二乘准则配准法进行配准，将磁力计的测向数据与BD/GPS测向数据一致时的数据作为测量结果；
当磁力计受到干扰时，使用BD/GPS导航测向模块进行测量；
当BD/GPS导航测向模块定位不准或测向角度不收敛时，使用磁力计进行测量。
以下结合附图对本发明的多旋翼无人机的组合测向方法进行详细说明。
如图1所示，为多旋翼无人机的组成结构的示意图。如该图1所示，多旋翼无人机包括飞机框架、控制系统、电源系统、天线系统和任务系统等。如图2所示，为本发明实施例的多旋翼无人机的组合测向系统结构的示意图。该多旋翼无人机的组合测向系统包括BD/GPS导航测向模块(未图示)、磁力计3、飞行控制部件(未图示)、导航定位主天线1和测向副天线2，导航定位主天线1安装在飞机中间，保证飞机定位导航；测向副天线2安装在飞机飞行方向的直臂上，可以保证测向的基线长度；磁力计3水平安装在母电路板上，保证X轴方向与机头方向一致，同时满足右手螺旋定则。
上述本发明实施例的多旋翼无人机的组合系统采用了BD/GPS导航测向模块。优选地，该多旋翼无人机的组合系统也可以采用BD/GPS/GLONASS导航定位模块。无论是采用BD/GPS导航测向模块还是BD/GPS/GLONASS导航定位模块，比单一GPS导航定位多出了一个BD定位模式或BD和GLONASS两个定位模式，增加了能够接收定位信号的频点，扩展了频带宽度，增强了抗干扰的能力。其中GLONASS是俄罗斯研发的全球卫星导航系统GLOBAL NAVIGATION SATELLITE SYSTErdquo的缩写。
如图3所示，为本发明实施例的多旋翼无人机的组合测向方法的流程图，其示出了本发明的多旋翼无人机的组合测向方法的一个实施例，具体过程如下：
1)、地面校正步骤
在该地面校正步骤中，首先启动系统进行初始化操作，初始化成功后校正BD/GPS双模测向系统，然后再校正磁力计。具体地，在BD/GPS双模测向系统校正前，将多旋翼无人机放置在指北基准线上，让带有天线的双臂垂直投影与基准线重合，在连续获取100次数据后，按照下列公式(1)计算系统固定偏差将该固定偏差代入到飞机的控制系统中进行校正，完成BD/GPS校准后，按照同样方法校正磁力计。
x ‾ = 1 N Σ i = 1 N x i - - - ( 1 )
其中N为大于等于1的自然数，本实施中N＝100；xi为第i次的偏差。
2)、无干扰条件下的空中组合测向步骤
当无人机无干扰时，组合侧向时，组合侧向的对象以BD/GPS测向系统为主，磁力计测向系统为辅，然后将测得的侧向数据输出。由于磁力计的数据率一般远高于BD/GPS测向数据率，但是测向精度低于BD/GPS测向精度，这样可以使用最小二乘准则配准法对磁力计的数据进行配准，以保证磁力计的测向数据与BD/GPS测向数据一致，具体公式如(2)和(3)所示，其中为磁力计的配准测量值，为量测噪声方差，n是BD/GPS测向模块两个量测间隔内磁力计的量测次数，zi为对应每次量测的量测值。
z k ^ = c 1 Σ i = 1 n z i + c 2 Σ i = 1 n i * z i - - - ( 2 )
var [ z k ^ ] = 2 σ r 2 ( 2 n - 1 ) n ( n + 1 ) - - - ( 3 )
3)、干扰条件下的组合测向步骤
当BD/GPS测向系统定位质量较差或者测向角度不收敛时，自动切换到磁力计测向系统进行测量，当磁力计测向系统受到干扰时，自动切换到BD/GPS测向系统进行测量，最后输出测向数据。
所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、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 (5)

1.一种多旋翼无人机的组合测向方法，其特征在于，包括如下步骤：
系统初始化后，校正BD/GPS导航测向模块，再校正磁力计；
当无人机无干扰时，以BD/GPS测向系统为主，磁力计测向系统为辅进行组合测向，对磁力计的测向数据使用最小二乘准则配准法进行配准，将磁力计的测向数据与BD/GPS导航测向模块的测向数据一致时的测向数据作为测量结果；
当磁力计受到干扰时，使用BD/GPS导航测向模块进行测量，当BD/GPS导航测向模块定位不准或测向角度不收敛时，使用磁力计进行测量；
输出测向数据；
其中GPS表示全球定位系统，BD表示北斗卫星导航系统。
2.根据权利要求1所述的多旋翼无人机的组合测向方法，其特征在于，所述校正BD/GPS导航测向模块的步骤包括：先将多旋翼无人机放置在指北的基准线上，再让带有主副天线的连线与基准线重合，然后在连续获取多次数据后计算飞机控制系统的固定偏差，代入到飞机的控制系统进行校正。
3.根据权利要求1所述的多旋翼无人机的组合测向方法，其特征在于，所述再校正磁力计的步骤包括：先将多旋翼无人机放置在指北的基准线上，再让带有主副天线的连线与基准线重合，然后在连续获取多次数据后计算飞机控制系统的固定偏差，代入到飞机的控制系统进行校正。
4.根据权利要求2或3所述的一种多旋翼无人机的组合测向方法，其特征在于，所述固定偏差的计算公式为：其中为固定偏差xi为第i次的偏差，N为大于等于1的自然数。
5.根据权利要求1所述的一种多旋翼无人机的组合测向方法，其特征在于，使用最小二乘准则配准法进行配准的计算公式为：其中为磁力计的配准测量值，为量测噪声方差，n是量测一个长周期内的量测次数，zi为对应每次量测的量测值，c1＝-2/n；c2＝6/[n(n+1)]，是磁力计量测噪声方差。
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