CN109827574B - 一种无人机室内外切换导航系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无人机室内外切换导航系统，包括：感知定位系统，其包括视觉定位模块、卫星定位模块、室内外导航切换模块、环境地图构建模块和出口检测模块；自主避障系统，其包括航路规划模块和自主避障模块；无人机，其根据所述自主避障系统的控制指令执行自主飞行和自主避障。本发明的有益效果为：提供连续、高频、长时精度均较高的导航参数，以实现基于无缝导航技术的无人机室内外自主飞行和自主避障。

Description

一种无人机室内外切换导航系统

技术领域

本发明涉及无人机技术领域，具体而言，涉及一种无人机室内外切换导航系统。

背景技术

随着社会进入移动互联时代，室内定位成为了位置服务的研究热点，同时也开启了室内外无缝定位的新纪元。区域化的定位已经不能满足人们对位置服务的要求。人们需要全方位的、不受环境约束的定位服务，这就需要定位技术实现在不同的场景下的平稳过渡，而室内外组合定位技术和无缝定位技术的目的正是要融合室外和室内的定位技术，以满足人们对导航服务更高的要求。

目前，尚没有一种单一的定位技术能够满足人们对室内外全方位服务的要求。虽然在室外开阔区域，全球卫星导航系统已经足以提供成熟的定位服务，但是在室外遮挡环境下，单纯依靠全球卫星导航系统依然存在诸多的限制和不足。近年来，室内定位得到了飞速发展，甚至部分定位方案已经开始了商业化应用。但室内定位是独立发展起来的，与室外全球卫星导航系统存在先天的缝隙，在此情况下实现室外遮挡环境下定位、室内环境下定位、室内外交互区域定位和定位系统之间的切换问题就成为了室内外定位技术研究中的焦点。未来定位技术的发展趋势之一就是将室外导航定位和室内定位技术相结合，即可以实现室外环境下的定位，又可以实现室内环境下的位置服务，同时将两种技术综合使用以实现室内外过渡阶段的精确定位。另外，将综合定位应用在无人机也是发展的一个新方向，现有的无人机可以在室外自主导航，完成一些简单的飞行任务，但是不可以在杂乱的建筑物内和障碍遍布的环境下实现自主导航飞行，无法实现高级别的飞行任务。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种无人机室内外切换导航系统，提供连续、高频、长时精度均较高的导航参数，以实现基于无缝导航技术的无人机室内外自主飞行和自主避障。

本发明提供了一种无人机室内外切换导航系统，包括：

感知定位系统，其包括视觉定位模块、卫星定位模块、室内外导航切换模块、环境地图构建模块和出口检测模块；无人机判断是否满足室内外切换条件并下发导航切换指令，所述室内外导航切换模块接收无人机发送的进行室内外切换指令后，启动出口检测模块，所述出口检测模块寻找室内外出口并根据航点规划路线驶向出口，所述室内外导航切换模块融合所述视觉定位模块和卫星定位模块的实时定位数据，并将无人机的位置、速度发送给自主避障系统；所述环境地图构建模块根据所述视觉定位模块的环境感知数据建立稠密或半稠密地图，利用地图提取出障碍物信息，并将障碍物坐标信息发送给自主避障系统；其中，在室外环境下，利用所述卫星定位模块实现无人机的实时定位；在室内环境下，利用所述视觉定位模块实现无人机的实时定位，并利二维激光进行障碍物检测、躲避、识别门并穿过；

自主避障系统，其包括航路规划模块和自主避障模块，所述航路规划模块接收发送的无人机位置、速度以及障碍物坐标信息，并通过控制指令驱动无人机按照航点规划路线自主飞行，所述自主避障模块利用二维激光束照射到障碍物后的返回值判断其方位，并通过控制指令驱动无人机调整偏航角并实现自主避障；

无人机，其根据所述自主避障系统的控制指令执行自主飞行和自主避障。

作为本发明进一步的改进，所述视觉定位模块包括视觉传感器和激光传感器，所述视觉传感器进行环境感知和视觉定位，所述激光传感器进行激光定位和激光避障，环境感知的数据融合后输入所述环境地图构建模块建立环境地图，视觉定位和激光定位的数据融合后获取无人机的位置、速度，激光避障的数据与环境地图数据融合后提取出障碍物信息，无人机的位置、速度和障碍物信息发送给所述自主避障系统；

所述卫星定位模块包括GPS和IMU，IMU计算出无人机的位置、速度和姿态，将所得结果与GPS解算获得的位置、速度相组合，进行组合导航滤波，然后利用滤波结果闭环校正IMU输出的姿态导航参数，从而完成导航定位输出，同时对IMU的误差进行反馈校正，以进行下一次导航滤波。

作为本发明进一步的改进，组合导航滤波时，使用间接法分散卡尔曼滤波，将IMU作为参考子系统，主滤波器的状态方程采用IMU的误差状态方程，推导位置、速度和姿态误差的传播的微分方程，并对加速度计和陀螺仪误差建模；

取15维状态变量：

式中，

为IMU平台误差矩阵向量，

分别为东向、北向和天向IMU平台误差角，δV＝[δ_ve δv_n δv_μ]，δv_e、δv_n、δv_μ分别为沿东向、北向和天向的速度误差，δP＝[δL δλ δh]，δL、δλ、δh分别为纬度、经度和高度误差，ba＝[ba_e ba_n ba_μ]，ba_e、ba_n、ba_μ分别为陀螺沿东向、北向和天向的常值漂移，bg＝[bg_e bg_n bg_μ]，bg_e、bg_n、bg_μ分别为加速度计沿东向、北向和天向的常值漂移；

得状态方程：

式中，w为测量噪声向量；

系统噪声协方差矩阵：

式中，

分别为陀螺随机噪声、加速度计随机噪声、加速度计零偏变化和陀螺零偏变化的功率谱密度，假设所有陀螺和加速度计有相同的噪声特性；

观测方程为：

式中，P_GPS、P_IMU分别为GPS和IMU的位置，v_GPS、v_IMU分别为GPS和IMU的速度，δP_GPS、δP_IMU分别为GPS和IMU的位置误差，δv_GPS、δv_IMU分别为GPS和IMU的速度误差，姿态误差和陀螺零偏通过杆臂项在测量中是过拟合的，测量矩阵近似为：

测量噪声近似为

测量噪声协方差阵假设为常值对角阵：

其中，

分别代表GPS纬度、经度和高度得测量噪声方差，

分别代表东向、北向和天向速度的测量噪声方差。

作为本发明进一步的改进，所述视觉传感器采用IDS-ueyeUSB单目摄像头，其图像输出速率为80帧/秒，供电电压为5V，接口类型为USB，重量为30g，功耗为5V/30mA。

作为本发明进一步的改进，所述激光传感器采用UTM-30LX的2D激光雷达以实现对障碍物和门的识别与检查，该激光雷达的测量范围为30m，270°，输入电压为DC 12V，扫描时间为25msec/scan。

作为本发明进一步的改进，所述卫星定位模块采用MTi-G-700作为IMU和GPS的数据源。

作为本发明进一步的改进，所述无人机采用MATRICE 100四轴飞行器，其上搭载Guidance模块和Manifold模块，机载计算机采用pico880型计算机。

作为本发明进一步的改进，无人机判断是否满足室内外切换条件的方法为：当所述视觉定位模块定位检测到多次闭环，代表室内已经充分建图，则进行室内外的切换。

作为本发明进一步的改进，当从室外切换到室内时：事先规划一条无人机在GPS系统坐标系下的运动轨迹，引导无人机从室外向室内，当无人机进入室内且GPS信号不可使用后，无人机停在原处启动激光定位，待激光建图稳定后，在室内导航坐标系下运行一段轨迹后结束；

当从室内切换到室外时：无人机在室内环境下启动激光定位，无人机在激光定位下朝着出口运动，出门后若激光定位不可使用，丢弃激光定位并继续朝外运动，等待GPS信号有效之后切换为GPS导航信号并在GPS导航下沿着规划的运动轨迹运动到终点；

当从室外切换到室内再切换到室外：事先规划一条无人机在GPS系统坐标系下的运动轨迹，引导无人机从室外向室内，当无人机进入室内且GPS信号不可使用后，无人机停在原处启动视觉定位，并与激光定位对比完成自检，待视觉建图稳定后，在室内导航坐标系下运行一段轨迹后，无人机在视觉定位下朝着出口运动，出门后继续朝外运动，等待GPS信号有效之后切换为GPS导航信号并在GPS导航下沿着规划的运动轨迹运动。

作为本发明进一步的改进，GPS坐标系采用米勒投影转换为平面坐标；

从室内飞行到室外的过程中，以室内定位的起始点为坐标原点，记录切换为GPS定位后的位置相对于原点的偏移量，将室外定位信息加上这一部分的偏差量便得到统一的定位信息；

从室外飞行到室内的过程中，以GPS定位的起始点为坐标原点，记录切换为室内定位方法后的位置相对于坐标原点位置的偏移量，室内定位信息加上这一部分的偏差量便得到统一的定位信息。

本发明的有益效果为：

无人机可在进入建筑物内之前使用GPS/IMU导航，进入室内后由视觉定位，以确保飞行中不发生碰撞，实现复杂环境下的无缝导航。

附图说明

图1为本发明实施例所述的一种无人机室内外切换导航系统的框图；

图2为导航切换流程示意图；

图3为激光传感器定位前数据生成轨迹；

图4为激光传感器定位后数据生成轨迹；

图5为视觉传感器定位轨迹示意图；

图6为各方向误差示意图；

图7为无人机在室内飞行实验的示意图；

图8为无人车在室内定位实验的仿真示意图；

图9为无人车在室内无障碍物规划实验的仿真示意图；

图10为无人车在室内有障碍门识别与规划实验的仿真示意图。

具体实施方式

下面通过具体的实施例并结合附图对本发明做进一步的详细描述。

如图1所示，本发明实施例的一种无人机室内外切换导航系统，包括感知定位系统、自主避障系统、无人机。

感知定位系统包括视觉定位模块、卫星定位模块、室内外导航切换模块、环境地图构建模块和出口检测模块；无人机判断是否满足室内外切换条件并下发导航切换指令，室内外导航切换模块接收无人机发送的进行室内外切换指令后，启动出口检测模块，出口检测模块寻找室内外出口，室内外导航切换模块融合视觉定位模块和卫星定位模块的实时定位数据，并将无人机的位置、速度发送给自主避障系统；环境地图构建模块根据视觉定位模块的环境感知数据建立稠密或半稠密地图，利用地图提取出障碍物信息，并将障碍物坐标信息发送给自主避障系统；其中，在室外环境下，利用卫星定位模块实现无人机的实时定位；在室内环境下，利用视觉定位模块实现无人机的实时定位，并利二维激光进行障碍物检测、躲避、识别门并穿过。

自主避障系统包括航路规划模块和自主避障模块，航路规划模块接收发送的无人机位置、速度以及障碍物坐标信息，并通过控制指令驱动无人机按照航点规划路线自主飞行，自主避障模块利用二维激光束照射到障碍物后的返回值判断其方位，并通过控制指令驱动无人机调整偏航角并实现自主避障。

无人机根据自主避障系统的控制指令执行自主飞行和自主避障。

其中，无人机也可以为无人车等，当然也可以无人机和无人车同时使用二者均搭载相同的感知定位系统和自主避障系统，以实现室内外切换导航技术的可移植性。

进一步的，视觉定位模块包括视觉传感器和激光传感器，视觉传感器进行环境感知和视觉定位，激光传感器进行激光定位和激光避障，环境感知的数据融合后输入环境地图构建模块建立环境地图，视觉定位和激光定位的数据融合后获取无人机的位置、速度，激光避障的数据与环境地图数据融合后提取出障碍物信息，无人机的位置、速度和障碍物信息发送给自主避障系统。卫星定位模块包括GPS和IMU，IMU计算出无人机的位置、速度和姿态，将所得结果与GPS解算获得的位置、速度相组合，进行组合导航滤波，然后利用滤波结果闭环校正IMU输出的姿态导航参数，从而完成导航定位输出，同时对IMU的误差进行反馈校正，以进行下一次导航滤波。

组合导航系统可充分发挥各导航装置的优点，使得整个组合定位系统兼具高精度与高容错性，又可在复杂环境状况下长时间的保证定位结果的精度与可靠性。IMU和GPS的组合方式构成组合导航系统，根据位置速度组合导航方案，采用间接Kalman滤波及闭环校正方式，IMU输出运动载体三个方向的加速度及角速度，GPS可在差分条件下输出载体的三个方向的位置和速度。

具体来看，在进行组合导航滤波时，使用间接法分散卡尔曼滤波，将IMU作为参考子系统，主滤波器的状态方程采用IMU的误差状态方程，推导位置、速度和姿态误差的传播的微分方程，并对加速度计和陀螺仪误差建模；

取15维状态变量：

式中，

为IMU平台误差矩阵向量，

分别为东向、北向和天向IMU平台误差角，δV＝[δv_e δv_n δv_μ]，δv_e、δv_n、δv_μ分别为沿东向、北向和天向的速度误差，δP＝[δL δλ δh]，δL、δλ、δh分别为纬度、经度和高度误差，ba＝[ba_e ba_n ba_μ]，ba_e、ba_n、ba_μ分别为陀螺沿东向、北向和天向的常值漂移，bg＝[bg_e bg_n bg_μ]，bg_e、bg_n、bg_μ分别为加速度计沿东向、北向和天向的常值漂移；

得状态方程：

式中，w为测量噪声向量；

系统噪声协方差矩阵：

式中，

分别为陀螺随机噪声、加速度计随机噪声、加速度计零偏变化和陀螺零偏变化的功率谱密度，假设所有陀螺和加速度计有相同的噪声特性；

观测方程为：

式中，P_GPS、P_IMU分别为GPS和IMU的位置，v_GPS、v_IMU分别为GPS和IMU的速度，δP_GPS、δP_IMU分别为GPS和IMU的位置误差，δv_GPS、δv_IMU分别为GPS和IMU的速度误差，姿态误差和陀螺零偏通过杆臂项在测量中是过拟合的，测量矩阵近似为：

测量噪声近似为

测量噪声协方差阵假设为常值对角阵：

其中，

分别代表GPS纬度、经度和高度得测量噪声方差，

分别代表东向、北向和天向速度的测量噪声方差。

优选的，视觉传感器采用IDS-ueyeUSB单目摄像头，其图像输出速率为80帧/秒，供电电压为5V，接口类型为USB，重量为30g，功耗为5V/30mA。

优选的，激光传感器采用Hokuyo公司的UTM-30LX的2D激光雷达以实现对障碍物和门的识别与检查，该激光雷达的测量范围为30m，270°，输入电压为DC 12V，扫描时间为25msec/scan。2D激光雷达利用内部定时器计算激光发出(t1时刻)到碰到物体返回(t2时刻)的时间间隔，根据公式S＝C(光速)×(t2-t1)/2得到激光雷达到物体的距离。

优选的，卫星定位模块采用Xsens公司生产的MTi-G-700作为IMU和GPS的数据源。MTi-G-700型号IMU能够提供高品质的方向和位置信息，具有振动抑制陀螺仪和高运行偏置不稳定性。通过增加了一个机载GPS接收器，能够利用GPS和IMU输出一个广泛范围的数据如无漂移3D定位数据和速度数据、3D校准加速度、转弯速率、磁场数据和压力数据。IMU增强的3D位置和3D速度弥补了GPS中断时的数据欠缺，相比GPS位置和速度具有更高的完整性。获得的位置更新速率可达400Hz。

优选的，无人机采用大疆的MATRICE 100四轴飞行器，扩展式机架提供了强大的扩展性，可根据任务自行安装组件、机载设备，将相机、传感器、计算机单元通讯的设备，以应对多种复杂任务。MATRICE 100的技术参数如表1所示。

表1 MATRICE 100的技术参数

MATRICE 100上搭载Guidance模块和Manifold模块，以实现平稳飞行。Guidance是一款全新的视觉传感导航系统，可感知附近障碍物，让飞行器主动躲避。它内置功能强大的处理核心，配备五组视觉超声波组合传感器。Guidance的性能参数如表2所示。

表2 Guidance的性能参数

MATRICE 100上的机载计算机采用pico880型计算机作为系统主要运算模块。艾讯是世界领先的创新生产商之一，主要以高性能工业电脑生产为主，艾讯Pico880主板支持英特尔最新的第四代Haswell处理器，可以运行在零下20℃到零上70℃之间。为了主板的扩展性，这款小主板为用户提供了全尺寸的PCI-E mini卡插槽和mSATA插槽，Pico880同时也提供了4个USB3.0接口，4个USB2.0接口，一个PCI-Ex1接口和一个DisplayPort视频输出。

前述说过，本发明采用无人机来验证，同样也可以采用无人车来验证，例如，选用Pioneer 3-DX机器人。Pioneer 3-DX是一款耐用的、差分驱动的机器人，采用四轮驱动动力强劲，最大运动速度：1.2m/sec，配有ROS系统下使用的相关底层控制软件，是很好的地面实验平台。Pioneer 3-DX机器人控制器车载的机器人控制服务器软件本身是开放的，除此之外还有一套用于主机的机器人控制应用软件及其开发环境。Pioneer 3-DX装配有500线编码器的电机、19cm的轮胎、铝制外壳、8个前置防碰撞声纳，根据需要还可为用户安装8个后置防碰撞声纳。Pioneer 3-DX可以安装3块热拔插电池。现在，只需再为机器人安装上车载工控机或笔记本电脑就可以让它走起来。

室内外导航源的切换重点关注与室内与室外交接区域，通过一定的切换策略选择合适的系统进行定位，以达到“无缝”的目的。室外GPS卫星距离地面很远，用户接收到的信号强度比较稳定，所以可用接收到的卫星数目来判断是否能够定位。当无人机从室内走向室外进入到GPS信号存在的区域时，触发切换机制。如果搜索到的可见星的数量等于或大于三颗时，认为GPS满足定位条件，开始引发切换，同时开启计时器。GPS可见星数目作为接收信号强度门限的另一种表现形式。为减少乒乓效应的影响，在切换触发判决的条件中加入驻留时间及运动趋势等参数。

进一步的，无人机判断是否满足室内外切换条件的方法为：当视觉定位模块定位检测到多次闭环，代表室内已经充分建图，则进行室内外的切换。室内外导航切换模块接收到进行室内外切换指令后，启动出口检测模块，寻找室内外出口并进行航点规划驶向出口。通过判断视觉定位模块和卫星定位模块状态，选择不同的定位方法。通过视觉传感器或二维雷达建立稠密或者半稠密地图，并利用地图提取出障碍物信息，最后将位置、速度和障碍物坐标信息发送给自主避障系统。

具体来看，导航切换流程如图2所示，当从室外切换到室内时：事先规划一条无人机在GPS系统坐标系下的运动轨迹，引导无人机从室外向室内，当无人机进入室内且GPS信号不可使用后，无人机停在原处启动激光定位，待激光建图稳定后，在室内导航坐标系下运行一段轨迹后结束；

当从室内切换到室外时：无人机在室内环境下启动激光定位，无人机在激光定位下朝着出口运动，出门后若激光定位不可使用，丢弃激光定位并继续朝外运动，等待GPS信号有效之后切换为GPS导航信号并在GPS导航下沿着规划的运动轨迹运动到终点；

当从室外切换到室内再切换到室外：事先规划一条无人机在GPS系统坐标系下的运动轨迹，引导无人机从室外向室内，当无人机进入室内且GPS信号不可使用后，无人机停在原处启动视觉定位，并与激光定位对比完成自检，待视觉建图稳定后，在室内导航坐标系下运行一段轨迹后，无人机在视觉定位下朝着出口运动，出门后继续朝外运动，等待GPS信号有效之后切换为GPS导航信号并在GPS导航下沿着规划的运动轨迹运动。

常用的地球经纬度与平面坐标的转换方法有米勒投影、墨卡托投影、横轴墨卡托投影、高斯-克吕格投影、Lambert等角正割圆锥投影等。进一步的，本发明的GPS坐标系采用米勒投影转换为平面坐标，就是假设有一个和赤道垂直的圆柱套在地球上，然后在地心点亮一盏灯，灯光将地球各个点投影在圆柱上，在把圆柱展开，就得到地球的平面投影了。

具体来看，从室内飞行到室外的过程中，需要将室外定位的坐标系室内定位的坐标系统一，从而实现无缝导航。以室内定位的起始点为坐标原点，记录切换为GPS定位后的位置相对于原点的偏移量，将室外定位信息加上这一部分的偏差量便得到统一的定位信息。从室外飞行到室内的过程中，以GPS定位的起始点为坐标原点，记录切换为室内定位方法后的位置相对于坐标原点位置的偏移量，室内定位信息加上这一部分的偏差量便得到统一的定位信息。

本发明将激光传感器搭载在无人机上并在室内环境中进行实时实验，并且和运动捕捉系统optitrack的定位结果进行比较。定位前后的实验结果如图3和4所示，以optitrack的定位数据为标准，将激光定位数据与其时间戳对准、剔除误点后成功计算匹配点3165对，经比较后，定位误差评价结果如表3所示。

表3激光定位误差评价

本发明将视觉传感器搭载在无人机上并在室内环境中进行实时实验，并且和运动捕捉系统optitrack的定位结果进行比较。在实验时，硬件组成部分如下：1)IDS Ueye摄像机采集图像数据，图像分辨率为752*480，采集频率20Hz；2)Xsens MTI提供三轴的角速度和加速度，数据频率200Hz；3)Intel NUC处理器；4)运动捕捉系统：OptiTrack Prime 41相机，其分辨率为2048*2048，帧速率为180FPS，最大捕捉距离30m，最大延迟5ms，定位误差0.1毫米，作为真值对比。定位对比结果如图5所示，X方向：平均定位误差0.1694m，Y方向：平均定位误差0.1572m。由于在第20s和第40s左右没有在optitrack的观测范围内，造成这两个时刻较大的定位误差，影响平均定位误差。针对上述结果，调整了实验范围，在OptiTrack的可视范围内进行实验，X、Y、Z方向的误差如图6所示，X方向：平均定位误差0.0377m；Y方向：平均定位误差0.0517m；Z方向：平均定位误差0.0390m，可以看到各个方向的定位误差明显缩小。

无人机在室内进行了飞行实验，在场地中走一个正方形，然后将得到的速度信息进行处理，画出以下位置图像，如图7所示，可以看出无人机可以在室内完全自主飞行。

另外，本发明将无人小车进行了实验，室内条件较复杂的情况下，利用激光传感器(二维激光)和视觉传感器进行路径规划实验，同时检测障碍物和门并分别进行避障与穿门。实验步骤：首先进行视觉定位精度检测实验，初始化点(1.2，1.4)m，在小车到目标点的过程中观察定位数据和偏航角，确定定位与偏航数据是否准确或存在延迟，并记录数据进行分析。其次，在保证数据准确可用的前提下，进行小车无障碍物路径规划与穿门实验，并观察与记录数据。最后，加入障碍物，在有障碍物的环境下进行路径规划实验，并观察与记录数据。图8示出了视觉定位结果的仿真图，其中虚线圈为目标区域，由数据分析根可知，实验现象和数据出图可确定定位效果较好，能满足实验要求。图9示出了无障碍门识别与规划实验仿真图，其中两个方形中间区域为门，虚线圈为第一个目标区域，其中目标点1为给定点，目标点2和目标点3为激光识别门后根据规划算法计算的点，图9为四次无障碍物规划实验轨迹图，通过图形可以观察到小车在仿真实验中基本能完成门的识别及穿门实验。另外，还将小车在静态环境下进行了门识别测试实验，结果表明可以基本实现规划和穿门。并进一步将小车进行了有障碍物规划实验，仿真图如图10所示，其中两个方形中间区域为门，实心圆为第一个目标区域，虚线圈为障碍物，其中目标点一为给定点，目标点2和目标点3为激光识别门后根据规划算法计算的点，由障碍物规划实验轨迹图可知，小车基本能满足现有规划算法要求。再进一步，小车在有障碍的情况下进行了规划和穿门实验，结果表明，小车在实际测试中可以基本实现规划，壁障和穿门。

本发明的无人机室内外切换导航系统具备以下优点：

(1)能自动规避室内外环境中常见的典型障碍物，例如：行人、树木、建筑、路灯、墙柱、立柜等，避障成功率≥90％；

(2)可在巷道中自主穿梭和避障飞行，巷道可通过区域宽度≥2m，最大飞行速度≥1m/s；

(3)可在室内自主搜索和穿门飞行，搜索速度≥1m/s，室内门宽≥2m。

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 (8)

1.一种无人机室内外切换导航系统，其特征在于，包括：

感知定位系统，其包括视觉定位模块、卫星定位模块、室内外导航切换模块、环境地图构建模块和出口检测模块；无人机判断是否满足室内外切换条件并下发导航切换指令，所述室内外导航切换模块接收无人机发送的进行室内外切换指令后，启动出口检测模块，所述出口检测模块寻找室内外出口，所述室内外导航切换模块融合所述视觉定位模块和卫星定位模块的实时定位数据，并将无人机的位置、速度发送给自主避障系统；所述环境地图构建模块根据所述视觉定位模块的环境感知数据建立稠密或半稠密地图，利用地图提取出障碍物信息，并将障碍物坐标信息发送给自主避障系统；其中，在室外环境下，利用所述卫星定位模块实现无人机的实时定位；在室内环境下，利用所述视觉定位模块实现无人机的实时定位，并利二维激光进行障碍物检测、躲避、识别门并穿过；其中，无人机判断是否满足室内外切换条件的方法为：当所述视觉定位模块定位检测到多次闭环，代表室内已经充分建图，则进行室内外的切换；

自主避障系统，其包括航路规划模块和自主避障模块，所述航路规划模块接收发送的无人机位置、速度以及障碍物坐标信息，并通过控制指令驱动无人机按照航点规划路线自主飞行，所述自主避障模块利用二维激光束照射到障碍物后的返回值判断其方位，并通过控制指令驱动无人机调整偏航角并实现自主避障；

无人机，其根据所述自主避障系统的控制指令执行自主飞行和自主避障；

当从室外切换到室内时：事先规划一条无人机在GPS系统坐标系下的运动轨迹，引导无人机从室外向室内，当无人机进入室内且GPS信号不可使用后，无人机停在原处启动激光定位，待激光建图稳定后，在室内导航坐标系下运行一段轨迹后结束；

当从室内切换到室外时：无人机在室内环境下启动激光定位，无人机在激光定位下朝着出口运动，出门后若激光定位不可使用，丢弃激光定位并继续朝外运动，等待GPS信号有效之后切换为GPS导航信号并在GPS导航下沿着规划的运动轨迹运动到终点；

当从室外切换到室内再切换到室外：事先规划一条无人机在GPS系统坐标系下的运动轨迹，引导无人机从室外向室内，当无人机进入室内且GPS信号不可使用后，无人机停在原处启动视觉定位，并与激光定位对比完成自检，待视觉建图稳定后，在室内导航坐标系下运行一段轨迹后，无人机在视觉定位下朝着出口运动，出门后继续朝外运动，等待GPS信号有效之后切换为GPS导航信号并在GPS导航下沿着规划的运动轨迹运动。

2.根据权利要求1所述的无人机室内外切换导航系统，其特征在于，所述视觉定位模块包括视觉传感器和激光传感器，所述视觉传感器进行环境感知和视觉定位，所述激光传感器进行激光定位和激光避障，环境感知的数据融合后输入所述环境地图构建模块建立环境地图，视觉定位和激光定位的数据融合后获取无人机的位置、速度，激光避障的数据与环境地图数据融合后提取出障碍物信息，无人机的位置、速度和障碍物信息发送给所述自主避障系统；

所述卫星定位模块包括GPS和IMU，IMU计算出无人机的位置、速度和姿态，将所得结果与GPS解算获得的位置、速度相组合，进行组合导航滤波，然后利用滤波结果闭环校正IMU输出的姿态导航参数，从而完成导航定位输出，同时对IMU的误差进行反馈校正，以进行下一次导航滤波。

3.根据权利要求2所述的无人机室内外切换导航系统，其特征在于，组合导航滤波时，使用间接法分散卡尔曼滤波，将IMU作为参考子系统，主滤波器的状态方程采用IMU的误差状态方程，推导位置、速度和姿态误差的传播的微分方程，并对加速度计和陀螺仪误差建模；

取15维状态变量：

式中，

为IMU平台误差矩阵向量，

分别为东向、北向和天向IMU平台误差角，

分别为沿东向、北向和天向的速度误差，δP＝[δLδλδh]，δL、δλ、δh分别为纬度、经度和高度误差，ba＝[ba_e ba_n ba_μ]，ba_e、ba_n、ba_μ分别为陀螺沿东向、北向和天向的常值漂移，bg＝[bg_e bg_n bg_μ]，bg_e、bg_n、bg_μ分别为加速度计沿东向、北向和天向的常值漂移；

得状态方程：

式中，w为测量噪声向量；

系统噪声协方差矩阵：

式中，

分别为陀螺随机噪声、加速度计随机噪声、加速度计零偏变化和陀螺零偏变化的功率谱密度，假设所有陀螺和加速度计有相同的噪声特性；

观测方程为：

式中，P_GPS、P_IMU分别为GPS和IMU的位置，v_GPS、v_IMU分别为GPS和IMU的速度，δP_GPS、δP_IMU分别为GPS和IMU的位置误差，δv_GPS、δv_IMU分别为GPS和IMU的速度误差，姿态误差和陀螺零偏通过杆臂项在测量中是过拟合的，测量矩阵近似为：

测量噪声近似为

测量噪声协方差阵假设为常值对角阵：

其中，

分别代表GPS纬度、经度和高度得测量噪声方差，

分别代表东向、北向和天向速度的测量噪声方差。

4.根据权利要求2所述的无人机室内外切换导航系统，其特征在于，所述视觉传感器采用IDS-ueyeUSB单目摄像头，其图像输出速率为80帧/秒，供电电压为5V，接口类型为USB，重量为30g，功耗为5V/30mA。

5.根据权利要求2所述的无人机室内外切换导航系统，其特征在于，所述激光传感器采用UTM-30LX的2D激光雷达以实现对障碍物和门的识别与检查，该激光雷达的测量范围为30m，270°，输入电压为DC 12V，扫描时间为25msec/scan。

6.根据权利要求2所述的无人机室内外切换导航系统，其特征在于，所述卫星定位模块采用MTi-G-700作为IMU和GPS的数据源。

7.根据权利要求1所述的无人机室内外切换导航系统，其特征在于，所述无人机采用MATRICE 100四轴飞行器，其上搭载Guidance模块和Manifold模块，机载计算机采用pico880型计算机。

8.根据权利要求1所述的无人机室内外切换导航系统，其特征在于，GPS坐标系采用米勒投影转换为平面坐标；

从室内飞行到室外的过程中，以室内定位的起始点为坐标原点，记录切换为GPS定位后的位置相对于原点的偏移量，将室外定位信息加上这一部分的偏差量便得到统一的定位信息；

从室外飞行到室内的过程中，以GPS定位的起始点为坐标原点，记录切换为室内定位方法后的位置相对于坐标原点位置的偏移量，室内定位信息加上这一部分的偏差量便得到统一的定位信息。

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