CN109084766A - 一种室内无人机定位系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种室内无人机定位系统及方法，所述系统包括数据采集装置和处理装置，所述数据采集装置与所述处理装置电连接，所述处理装置用于：接收所述数据采集装置获取的室内运行的无人机的运动数据，对所述运动数据进行捷联式惯性导航解算，获得所述无人机的模糊位置信息，根据所述模糊位置信息和所述运动数据，通过地磁匹配，在预先建立的全局地磁基准图中确定所述无人机的准确位置信息。本发明能够准确定位无人机的位置，定位精度高，并且不需额外设置辅助设备，结构简单。

Description

一种室内无人机定位系统及方法

技术领域

本发明涉及无人机定位技术领域，尤其涉及一种室内无人机定位系统及方法。

背景技术

无人机飞行过程中，为了使无人机按照预定线路自动飞行，需要对无人机进行精准定位。目前，市面上广泛使用全球卫星导航系统定位方法对无人机进行定位，全球卫星导航系统是卫星授时系统，位于高空中的卫星进行统一的广播式授时，无人机通过接收机接收多个卫星信号并对多个卫星授时时间进行计算，然后得到无人机所在的位置。但是对于大型体育场、购物中心、地下会展中心和地下旅游景点等占地面积大且地形复杂的室内场所，由于卫星信号的穿透力很弱，建筑物的遮挡以及各种电磁波的信号干扰都会削弱卫星信号，进而影响无人机在室内的定位结果，并且全球卫星导航系统定位方法的定位精度不高，误差太大。而其他的室内定位技术，如WIFI室内定位技术、超声波定位技术和红外线室内定位技术等，都需要在室内安装信号发射或接收装置，结构复杂，并且定位精度不高。

发明内容

为了能够在室内准确定位无人机的位置，并且简化定位系统的结构，本发明提供一种室内无人机定位系统及方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

第一方面，本发明实施例提供了一种室内无人机定位系统，所述系统包括数据采集装置和处理装置，所述数据采集装置和所述处理装置电连接。

所述处理装置用于：

接收所述数据采集装置获取的室内运行的无人机的运动数据。

对所述运动数据进行捷联式惯性导航解算，获得所述无人机的模糊位置信息。

根据所述模糊位置信息和所述运动数据，通过地磁匹配，在预先建立的全局地磁基准图中确定所述无人机的准确位置信息。

第二方面，本发明实施例提供了一种室内无人机定位方法，包括：

步骤1：接收数据采集装置获取的室内运行的无人机的运动数据。

步骤2：对所述运动数据进行捷联式惯性导航解算，获得所述无人机的模糊位置信息。

步骤3：根据所述模糊位置信息和所述运动数据，通过地磁匹配，在预先建立的全局地磁基准图中确定所述无人机的准确位置信息。

本发明的一种室内无人机定位系统及方法的有益效果是：对采集的无人机的运动数据进行捷联式惯性导航解算，捷联式惯性导航解算不依赖于外界信息，仅靠数据采集装置采集的无人机的运动数据，利用运动学原理，就能得到无人机的模糊位置信息。根据模糊位置信息能够缩小在全局地磁基准图中进行地磁匹配的范围，减少了地磁匹配的计算量，能够快速获得无人机的准确位置信息，准确位置信息可包括无人机的速度、航向、姿态信息和无人机所在的位置等，通过地磁匹配能够解决捷联式惯性导航解算获得的位置信息误差较大的问题。本发明通过捷联式惯性导航解算和地磁匹配确定无人机的准确位置信息，不需在室内安装其他辅助设备，结构简单，快速高效，并且定位精度高。

附图说明

图1为本发明实施例的一种室内无人机定位系统的电路连接示意图；

图2为本发明另一实施例的室内无人机定位系统的电路连接示意图；

图3为本发明实施例的一种室内无人机定位方法的流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1所示，本发明实施例提供的一种室内无人机定位系统，所述系统包括数据采集装置和处理装置，所述数据采集装置与所述处理装置电连接。

所述处理装置用于：

接收所述数据采集装置获取的室内运行的无人机的运动数据。

对所述运动数据进行捷联式惯性导航解算，获得所述无人机的模糊位置信息。

根据所述模糊位置信息和所述运动数据，通过地磁匹配，在预先建立的全局地磁基准图中确定所述无人机的准确位置信息。

本实施例中，对采集的无人机的运动数据进行捷联式惯性导航解算，捷联式惯性导航解算不依赖于外界信息，仅靠数据采集装置采集的无人机的运动数据，利用运动学原理，就能得到无人机的模糊位置信息。根据模糊位置信息能够缩小在全局地磁基准图中进行地磁匹配的范围，减少了地磁匹配的计算量，能够快速获得无人机的准确位置信息，准确位置信息可包括无人机的速度、航向、姿态信息和无人机所在的位置等，通过地磁匹配能够解决捷联式惯性导航解算获得的位置信息误差较大的问题。本发明通过捷联式惯性导航解算和地磁匹配确定无人机的准确位置信息，不需在室内安装其他辅助设备，结构简单，快速高效，并且定位精度高。

具体地，如图2所示，数据采集装置包括加速度计、陀螺仪和磁力计，三组加速度计和三组陀螺仪相互正交设置，和处理装置构成捷联式惯性导航系统，加速度计用于测量无人机的矢量加速度，矢量加速度包括加速度的大小和方向。陀螺仪用于测量无人机的矢量角速度，矢量角速度包括角速度的大小和方向。磁力计用于测量无人机所在位置的矢量磁场强度，矢量磁场强度包括磁场的大小和方向。运动数据包括无人机的加速度信息、角速度信息和地磁数据，加速度信息包括无人机的矢量加速度，角速度信息包括矢量角速度，地磁数据包括所在位置的矢量磁场强度。

处理装置可采用ARM单片机，ARM单片机通过IIC协议与磁力计进行通信，同时通过SPI协议与加速度计和陀螺仪进行通信。

优选地，所述系统还包括与所述处理装置电连接的通信装置。

具体地，通信装置包括与地面基站进行通信的4G网络通信模块，4G网络通信模块具有通信速度快、网络频谱宽、通信灵活等特点，将无人机的准确位置信息通过无线信号传输到终端，通过终端可以实时监控无人机的位置信息。本实施例中通信模块还包括与无人机的飞控进行通信的RS232串口通信接口，通过RS232串口通信接口将无人机的准确位置信息传输至无人机的飞控，飞控根据无人机的准确位置信息控制无人机按照预定的线路飞行。

优选地，室内定位装置还包括与所述处理装置电连接的地磁数据采集装置，所述数据处理装置还用于：在接收所述数据采集装置获取的室内运行的无人机的运动数据之前，预先接收所述地磁数据采集装置采集的室内空间多个位置的基准地磁数据，通过插值法根据所述基准地磁数据和与所述基准地磁数据对应的位置信息建立所述全局地磁基准图。

具体地，地磁数据采集装置可采用地磁传感器，在室内空间中以间距1至2米的矩形阵列形式选取尽可能多的测量点，通过地磁传感器采集各测量点的地磁数据，再利用插值法建立全局地磁基准图。插值法是利用空间中已知的若干点的地磁数据，做出适当的特定函数，在空间的其他点上用此特定函数的值作为所在点的地磁数据。

优选地，所述运动数据包括所述无人机的加速度信息和角速度信息，所述处理装置具体用于：

采用四元数法对所述角速度信息进行处理，获得所述无人机的姿态信息。

根据所述无人机的姿态信息，将所述加速度信息从无人机坐标系转换到导航坐标系中，对所述加速度信息和所述角速度信息进行捷联式惯性导航解算，获得所述无人机在所述导航坐标系中的所述模糊位置信息。

具体地，相对于其它的姿态解算算法，如欧拉角法和方向余弦法等，四元数法计算量更小，能够快速获得无人机的姿态信息。通过姿态解算能够得到无人机坐标系与导航坐标系之间的变换矩阵，将加速度信息从无人机坐标系转换到导航坐标系，对加速度信息和角速度信息进行捷联式惯性导航解算，计算过程简单，可以快速获得无人机在导航坐标系中的模糊位置信息。并且可以通过卡尔曼滤波对输出的模糊位置信息进行滤波，能够提高得到的位置信息的精度。卡尔曼滤波是一种利用线性系统状态方程，通过系统输入输出观测数据，对系统状态进行最优估计的算法。由于正确的姿态解算是速度和位置解算的基础，所以姿态解算在捷联式惯性导航中至关重要，本实施例中采用四元数法作为捷联式惯性导航的姿态算法。四元数Q由第一公式表示，第一公式为：

Q＝q₀+q₁i+q₂j+q₃k，

q₀,q₁,q₂,q₃为实数，i,j,k为三个相互正交的单位向量，无人机运动的初始时刻Q(t₀)由第二公式表示，第二公式为：

Q(t₀)＝Q₀,

其中，Q₀为四元数的初始值。对时间t进行求导，得到四元数微分方程的矩阵形式矩阵由第三公式表示，第三公式为：

W为无人机的角速度初始值，ω₁为横滚角速度，ω₂为俯仰角速度，ω₃为航向角速度，Ω(ω)为无人机在无人机坐标系中的角速度，假设在一个采样周期内角速度为常量，对矩阵求差分可得离散域的四元数Q_k+1，由第四公式表示，第四公式为：

其中，T_S为采样时间间隔，为T_S内的角位移，I为单位矩阵。由四元数确定的无人机坐标系b系到导航坐标系R系的坐标变换矩阵由第五公式表示，第五公式为：

将进行三次基本旋转得到的坐标变换矩阵由第六公式表示，第六公式为：

其中P、R、Y分别为无人机姿态的俯仰角、横滚角、偏航角，由第七公式表示，第七公式为：

无人机坐标系b系(o_bx_by_bz_b)相对于无人机静止不动，原点位于无人机的质心。通常o_bx_b轴沿无人机纵轴方向，指向无人机前进方向，o_bz_b轴位于无人机的纵对称面内，指向无人机上方，o_by_b轴与o_bx_b轴和o_bz_b轴构成右手坐标系。

导航坐标系R系(o_Rx_Ry_Rz_R)是导航中所采用的确定无人机位置信息的坐标系，根据导航需要的不同，可以采用不同的坐标系作为导航坐标系，在近地导航系统中常采用的导航坐标系包括地理坐标系和游动方位坐标系，本实施例中采用地理坐标系作为导航坐标系进行捷联式惯性导航解算。

优选地，所述运动数据还包括地磁数据，所述处理装置具体用于：

根据所述模糊位置信息，在所述全局地磁基准图中找到与所述模糊位置信息对应的局部地磁基准图，采用MAGCOM地磁匹配算法将所述地磁数据与所述局部地磁基准图中的所述基准地磁数据进行匹配，获得所述无人机的准确位置信息。

具体地，MAGCOM地磁匹配算法是基于相似度度量的一类地磁匹配算法，其基本原理是在无人机运动过程中，通过磁力计采集一系列地磁场值，然后以惯性导航指示为中心，参考惯性导航系统误差，将指示航迹进行平移，在指示航迹附近位置进行地磁匹配，通过一定的相似度度量准则确定无人机位置。根据模糊位置信息在全局地磁基准图中找到与模糊位置信息对应的局部地磁基准图，在局部地磁基准图中进行地磁匹配，若匹配成功则匹配成功的地磁数据对应的位置信息即为准确位置信息。若匹配不成功，则以局部地磁基准图为中心扩大范围继续进行地磁匹配。由于无人机的姿态信息是通过对角速度进行积分得到的，捷联式惯性导航系统的定位误差随时间而累积，从而会导致地磁匹配搜索范围增大，计算量增加，定位实时性下降。可将地磁匹配输出的准确位置信息反馈至捷联式惯性导航解算中，能够有效抑制惯性导航解算误差的发散。

通过惯性导航系统实时提供的模糊位置信息进行地磁匹配，利用地磁匹配结果，通过输出的准确位置信息对惯性导航进行实时校正，有效抑制惯性导航系统误差的发散，能够获得较高的定位精度。

优选地，室内无人机定位装置还包括气压计，所述数据处理装置还用于：

接收所述气压计采集的气压，基于气压高程测量方法确定所述气压对应的高度，并确定所述无人机所在的楼层。

具体地，气压高程测量是根据大气压力随高程变化的规律，用气压计测量两点的气压差推算高差的方法，因此测量无人机所在位置的气压之前，应先测量地面的气压，根据无人机所在位置的气压与地面气压之间的压差，结合楼层高度，计算出无人机所在的楼层。

如图3所示，本发明实施例提供的一种室内无人机定位方法，包括：

步骤1：接收数据采集装置获取的室内运行的无人机的运动数据。

步骤2：对所述运动数据进行捷联式惯性导航解算，获得所述无人机的模糊位置信息。

步骤3：根据所述模糊位置信息和所述运动数据，通过地磁匹配，在预先建立的全局地磁基准图中确定所述无人机的准确位置信息。

优选地，所述步骤1之前还包括如下步骤：预先接收地磁数据采集装置采集的室内空间多个位置的基准地磁数据，通过插值法根据所述基准地磁数据和与所述基准地磁数据对应的位置信息建立所述全局地磁基准图并保存到数据库中。

优选地，所述运动数据包括所述无人机的加速度信息和角速度信息，所述步骤2具体包括：

采用四元数法对所述角速度信息进行处理，获得所述无人机的姿态信息。

根据所述无人机的姿态信息，将所述加速度信息从无人机坐标系转换到导航坐标系中，对所述加速度信息和所述角速度信息进行捷联式惯性导航解算，获得所述无人机在所述导航坐标系中的所述模糊位置信息。

优选地，所述运动数据包括地磁数据，所述步骤3具体包括：

根据所述模糊位置信息，在所述全局地磁基准图中确定与所述模糊位置信息对应的局部地磁基准图，采用MAGCOM地磁匹配算法将所述地磁数据与所述局部地磁基准图中的所述基准地磁数据进行匹配，获得所述无人机的所述准确位置信息。

优选地，所述方法还包括如下步骤：

接收所述气压计采集的气压，基于气压高程测量方法确定所述气压对应的高度，并确定所述无人机所在的楼层。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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 (10)

1.一种室内无人机定位系统，其特征在于，所述系统包括数据采集装置和处理装置，所述数据采集装置与所述处理装置电连接；

所述处理装置用于：

接收所述数据采集装置获取的室内运行的无人机的运动数据；

对所述运动数据进行捷联式惯性导航解算，获得所述无人机的模糊位置信息；

根据所述模糊位置信息和所述运动数据，通过地磁匹配，在预先建立的全局地磁基准图中确定所述无人机的准确位置信息。

2.根据权利要求1所述的室内无人机定位系统，其特征在于，所述系统还包括与所述处理装置电连接的地磁数据采集装置，所述处理装置还用于：

在接收所述数据采集装置获取的室内运行的无人机的运动数据之前，预先接收所述地磁数据采集装置采集的室内空间多个位置的基准地磁数据，并通过插值法根据所述基准地磁数据和与所述基准地磁数据对应的位置信息建立所述全局地磁基准图。

3.根据权利要求1所述的室内无人机定位系统，其特征在于，所述运动数据包括所述无人机的加速度信息和角速度信息，所述处理装置具体用于：

采用四元数法对所述角速度信息进行处理，获得所述无人机的姿态信息；

根据所述无人机的姿态信息，将所述加速度信息从无人机坐标系转换到导航坐标系中，并对所述加速度信息和所述角速度信息进行捷联式惯性导航解算，获得所述无人机在所述导航坐标系中的所述模糊位置信息。

4.根据权利要求2所述的室内无人机定位系统，其特征在于，所述运动数据还包括地磁数据，所述处理装置具体还用于：

根据所述模糊位置信息，在所述全局地磁基准图中确定与所述模糊位置信息对应的局部地磁基准图，采用MAGCOM地磁匹配算法将所述地磁数据与所述局部地磁基准图中的所述基准地磁数据进行匹配，获得所述无人机的所述准确位置信息。

5.根据权利要求1至4任一项所述的室内无人机定位系统，其特征在于，所述系统还包括气压计，所述处理装置还用于：

接收所述气压计采集的气压，基于气压高程测量方法确定所述气压对应的高度，并确定所述无人机所在的楼层。

6.一种室内无人机定位方法，其特征在于，包括：

步骤1：接收数据采集装置获取的室内运行的无人机的运动数据；

步骤2：对所述运动数据进行捷联式惯性导航解算，获得所述无人机的模糊位置信息；

步骤3：根据所述模糊位置信息和所述运动数据，通过地磁匹配，在预先建立的全局地磁基准图中确定所述无人机的准确位置信息。

7.根据权利要求6所述的室内无人机定位方法，其特征在于，所述步骤1之前还包括如下步骤：

预先接收地磁数据采集装置采集的室内空间多个位置的基准地磁数据，并通过插值法根据所述基准地磁数据和与所述基准地磁数据对应的位置信息建立所述全局地磁基准图。

8.根据权利要求6所述的室内无人机定位方法，其特征在于，所述运动数据包括所述无人机的加速度信息和角速度信息，所述步骤2具体包括：

采用四元数法对所述角速度信息进行处理，获得所述无人机的姿态信息；

根据所述无人机的姿态信息，将所述加速度信息从无人机坐标系转换到导航坐标系中，对所述加速度信息和所述角速度信息进行捷联式惯性导航解算，获得所述无人机在所述导航坐标系中的所述模糊位置信息。

9.根据权利要求7所述的室内无人机定位方法，其特征在于，所述运动数据还包括地磁数据，所述步骤3具体包括：

根据所述模糊位置信息，在所述全局地磁基准图中确定与所述模糊位置信息对应的局部地磁基准图，采用MAGCOM地磁匹配算法将所述地磁数据与所述局部地磁基准图中的所述基准地磁数据进行匹配，获得所述无人机的所述准确位置信息。

10.根据权利要求6至9任一项所述的室内无人机定位方法，其特征在于，所述方法还包括如下步骤：

接收所述气压计采集的气压，基于气压高程测量方法确定所述气压对应的高度，并确定所述无人机所在的楼层。