CN116858213A - 无人机自主导航系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无人机自主导航技术领域，具体是无人机自主导航系统，无人机自主导航系统，包括自主导航系统和地面控制系统，自主导航系统包括RGBD相机、空中处理器、无线通信模块、飞行状态检测模块、3D图像建模处理器和存储模块，RGBD相机对路径规划方法：无人机将跟随垂直于扫掠方向的来回扫掠运动，其中扫掠方向平行于区域的最低点和最高点之间的线性距离，这种路径设计确保了该区域的完整覆盖，并且可以通过更改覆盖行数来更改，垂直于行进方向的扫描模式以覆盖矩形区域：图像和路径参数之间的相关性包含影响任务某些方面的某些权衡。本发明的有益效果不需要用到与地面进行实时通信就能自主导航，不具有自动扫描和不具有自动建模功能。

Description

无人机自主导航系统

技术领域

本发明涉及无人机自主导航技术领域，具体是无人机自主导航系统。

背景技术

无人机自主导航系统是指可在无卫星导航(GPS北斗系统等)及地面导航系统条件下，如室内巷道，矿道，地下工事、开阔战场等场景或电子对抗情形下，其可凭借自身的机器视觉系统，精准惯导传感系统及人工智能系统，智慧化的对其巡航位置与环境精准感知确定，根据初始目标自适应完成路径规划、飞航控制及巡航避障，最终完成预定的巡航任务。

中国专利号CN115903883A提供一种基于视觉的四旋翼无人机自主导航方法及无人机装置，涉及四旋翼无人机技术领域。基于视觉的四旋翼无人机自主导航方法包括获取四旋翼无人机的视觉里程计信息以及图像帧序列；图像帧序列包括多对RGB图像，深度图像；根据RGB图像和深度图像判断是否存在预设形状的环形障碍物；若存在预设形状的环形障碍物，则判断该环形障碍物是否静止。根据环形障碍物是否静止采用不同的轨迹生成策略。本发明的实施例提供的基于视觉的四旋翼无人机自主导航方法，基于视觉信息准确定位自身并感知周围环境，同时针对不同飞行任务采用对应的飞行轨迹生成策略，从而解决复杂多任务场景下带来的难题，让四旋翼无人机取代人工作业成为可能。

现有的无人机导航系统，需要用到与地面进行实时通信才能进行操控，不具有自动扫描和不具有自动建模功能的缺点，因此亟需研发无人机自主导航系统。

发明内容

本发明的目的在于提供无人机自主导航系统，以解决上述背景技术中提出的不具有自动扫描和不具有自动建模功能的问题。

本发明的技术方案是：包括自主导航系统和地面控制系统，所述自主导航系统包括RGBD相机、空中处理器、无线通信模块、飞行状态检测模块、3D图像建模处理器和存储模块，所述RGBD相机对路径规划方法：无人机将跟随垂直于扫掠方向的来回扫掠运动，其中扫掠方向平行于区域的最低点和最高点之间的线性距离，这种路径设计确保了该区域的完整覆盖，两个覆盖行之间的最小重叠设置在60％和95％之间，并且可以通过更改覆盖行数来更改，垂直于行进方向的扫描模式以覆盖矩形区域：图像和路径参数之间的相关性包含影响任务某些方面的某些权衡，这些包括飞行时间、图像几何形状、墙壁距离和图像质量，反之，距离墙壁越远，沿同一路径飞行可能会减少图像细节，但相机的FOV会更大，因此飞行时间会减少。

进一步地，所述处理地图：要创建地图，必要的ROS主题会记录在ROS包中，然后通过RTAB-Map进行处理，这可以确保接收到的所有主题都是同步的，RTAB-Map通过检测闭环来逐步构建和优化地图，它使用词袋方法来创建在特定时间获得的图像的签名，并逐步在线构建词汇表。

进一步地，所述局部定位：跟踪线程跟踪线程用于处理输入的RGBD对，并以视频帧率产生位姿估计，每个新的RGBD对通过运动模型预测当前相机位姿，选择地图里面最好的关键帧跟踪位姿，将该关键帧的地图点根据运动模型估计的位姿投影到当前帧图像上，采用稀疏光流在当前帧最近的位置寻找地图点，并用最小二乘法寻找当前帧相对于参考帧的位姿，并最终决定是否在当前的RGBD点对创建新的关键帧。

进一步地，所述为了评估轨迹设计对SLAM质量的影响，设计了模拟和实验测试，模拟环境旨在复制与实验环境相似的条件，最重要的方面是无人机的传感器、轨迹、运动和覆盖区域。

进一步地，所述仿真环境：模拟实验设置在Gazebo11中，包括从DARPA SubT虚拟门户导入的洞穴环境，还添加了微妙的环境光，以减少照明对视觉里程计和环路闭合检测的苛刻影响，无人机与MAVLink ROS可扩展通信节点连接，允许访问惯性测量单元、气压计、磁力计和全球定位系统。

进一步地，所述无人机的飞行传感技术主要用于两个目的，一种是提供给飞行控制系统，由于飞控系统的主要功能是控制飞行器达到期望的姿态和空间位置，这部分传感技术主要是测量与飞行器运动状态相关的物理量，涉及的模块有陀螺仪、加速度计、磁罗盘、气压计、GNSS模块和光流模块等，另一个目的是为无人机提供自主导航系统，即路径和避障规划系统。

进一步地，所述陀螺仪：目前，MEMS陀螺仪广泛应用于应均等商用航测无人机，由于其体积小、价格低，可以用IC的形式封装，所述加速度：计加速度计测量的是机体运动的线性加速度，但由于地球重力的原因，测得的值也会包含重力加速度分量，在某些使用场合需要减去重力加速度分量。

进一步地，所述磁罗盘：磁罗盘测得的物理量是地球磁场强度沿机体轴线的分量，可以据此计算出机体的航向角，所述气压计：气压计测量的物理量就是大气压力值，由此可以计算出绝对高度，气压计在使用中存在的问题是，在近地飞行时，“地面效应”的存在会导致飞机周围的气压分布与静止时的大气不同，从而无法用气压计测量高度，通常的解决方法是在起飞或着陆时使用其他传感器，如超声波传感器或激光测距仪。

进一步地，所述GNSS模块：GNSS模块测量的物理量比较丰富，主要包括地理坐标、高度、线速度、航向角，使用GNSS模块时，卫星信号接收天线的放置需要注意电磁干扰的屏蔽，一些有实力的整机厂商会根据飞机型号定制卫星信号接收天线，所述光流模块：光流模块是一种特殊的模块，不仅可以用来感知物体的运动状态，如测量水平方向的位移速度，还可以用来感知周围环境进行避障，常见的光流模块是开源的PX4FLOW，光流模块通常在室内使用，主要是解决室内卫星信号差的问题，对于拍摄的地面需要有一定的纹理图案。

进一步地，所述地面控制系统包括地面处理器、无线通信模块、存储器和云储存器，所述地面控制系统内的无线通信模块与自主导航系统内的无线通信模块进行无线数据传输。

本发明通过改进在此提供无人机自主导航系统，与现有技术相比，具有如下改进及优点：

(1)通过采用的RGBD相机和3D图像建模处理器，RGBD相机能对无人机飞行的地面进行扫描及照片采集，RGBD相机能利用深度图像实现局部定位，适应视觉降级环境，黑暗环境自主飞行，3D图像建模处理器应用SLAM技术，通过感知自身周围环境来构建3D增量式地图，从而实现自主定位和导航。

(2)通过采用的空中处理器和飞行状态检测模块，空中处理器能对无人机自主导航进行自主处理，能将无人机飞行时采集的数据进行处理，飞行状态检测模块能对无人机飞行的状态进行实时监测，以便于对无人机的飞行状态及时调整，同时便于及时调整图像采集的调整，提高图像采集的精确度。

通过采用的无线通信模块和存储模块，无线通信模块能实现无人机与地面控制系统进行无线通信，存储模块能对无人机采集的数据进行储存，同时能将指定数据储存到无人机，以便于无人机自主飞行。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步解释:

图1是本发明的系统示意图。

具体实施方式

下面将结合附图1对本发明进行详细说明，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明通过改进在此提供无人机自主导航系统，如图1所示，无人机自主导航系统，包括自主导航系统和地面控制系统，自主导航系统包括RGBD相机、空中处理器、无线通信模块、飞行状态检测模块、3D图像建模处理器和存储模块，RGBD相机对路径规划方法：无人机将跟随垂直于扫掠方向的来回扫掠运动，其中扫掠方向平行于区域的最低点和最高点之间的线性距离，这种路径设计确保了该区域的完整覆盖，两个覆盖行之间的最小重叠设置在60％和95％之间，并且可以通过更改覆盖行数来更改，垂直于行进方向的扫描模式以覆盖矩形区域：图像和路径参数之间的相关性包含影响任务某些方面的某些权衡，这些包括飞行时间、图像几何形状、墙壁距离和图像质量，例如，靠近墙壁飞行可能会改善图像细节，但这会降低相机的FOV，反之，距离墙壁越远，沿同一路径飞行可能会减少图像细节，但相机的FOV会更大，因此飞行时间会减少，因此，配置这些参数以满足尽可能多的任务要求非常重要。

进一步地，处理地图：要创建地图，必要的ROS主题会记录在ROS包中，然后通过RTAB-Map进行处理，这可以确保接收到的所有主题都是同步的，RTAB-Map通过检测闭环来逐步构建和优化地图，它使用词袋方法来创建在特定时间获得的图像的签名，并逐步在线构建词汇表，如果表示先前访问过的位置的新位置的概率低于设定的阈值，则接受检测到的闭环，如果该值高于设置的阈值，则此循环关闭被视为无效并被拒绝，RTAB-Map还根据从RGB图像中提取的视觉特征和深度图像中的深度信息计算里程计，局部定位：跟踪线程跟踪线程用于处理输入的RGBD对，并以视频帧率产生位姿估计，每个新的RGBD对通过运动模型预测当前相机位姿，选择地图里面最好的关键帧跟踪位姿，将该关键帧的地图点根据运动模型估计的位姿投影到当前帧图像上，采用稀疏光流在当前帧最近的位置寻找地图点，并用最小二乘法寻找当前帧相对于参考帧的位姿，并最终决定是否在当前的RGBD点对创建新的关键帧，为了评估轨迹设计对SLAM质量的影响，设计了模拟和实验测试，模拟环境旨在复制与实验环境相似的条件，最重要的方面是无人机的传感器、轨迹、运动和覆盖区域，仿真环境：模拟实验设置在Gazebo11中，包括从DARPA SubT虚拟门户导入的洞穴环境，还添加了微妙的环境光，以减少照明对视觉里程计和环路闭合检测的苛刻影响，无人机与MAVLinkROS可扩展通信节点连接，允许访问惯性测量单元、气压计、磁力计和全球定位系统，无人机的飞行传感技术主要用于两个目的，一种是提供给飞行控制系统，由于飞控系统的主要功能是控制飞行器达到期望的姿态和空间位置，这部分传感技术主要是测量与飞行器运动状态相关的物理量，涉及的模块有陀螺仪、加速度计、磁罗盘、气压计、GNSS模块和光流模块等，另一个目的是为无人机提供自主导航系统，即路径和避障规划系统，所以需要感知周围的环境，比如障碍物的位置，相关的模块有测距模块、目标检测和跟踪模块等。

进一步地，陀螺仪：目前，MEMS陀螺仪广泛应用于应均等商用航测无人机，由于其体积小、价格低，可以用IC的形式封装，MEMS陀螺仪常用于测量物体绕自身轴线旋转的角速度，衡量陀螺仪性能的指标包括量程、灵敏度、稳定性、信噪比等，加速度：计加速度计测量的是机体运动的线性加速度，但由于地球重力的原因，测得的值也会包含重力加速度分量，在某些使用场合需要减去重力加速度分量，磁罗盘：磁罗盘测得的物理量是地球磁场强度沿机体轴线的分量，可以据此计算出机体的航向角，气压计：气压计测量的物理量就是大气压力值，由此可以计算出绝对高度，气压计在使用中存在的问题是，在近地飞行时，“地面效应”的存在会导致飞机周围的气压分布与静止时的大气不同，从而无法用气压计测量高度，通常的解决方法是在起飞或着陆时使用其他传感器，如超声波传感器或激光测距仪，GNSS模块：GNSS模块测量的物理量比较丰富，主要包括地理坐标、高度、线速度、航向角，使用GNSS模块时，卫星信号接收天线的放置需要注意电磁干扰的屏蔽，一些有实力的整机厂商会根据飞机型号定制卫星信号接收天线，光流模块：光流模块是一种特殊的模块，不仅可以用来感知物体的运动状态，如测量水平方向的位移速度，还可以用来感知周围环境进行避障，常见的光流模块是开源的PX4FLOW，光流模块通常在室内使用，主要是解决室内卫星信号差的问题，对于拍摄的地面需要有一定的纹理图案，地面控制系统包括地面处理器、无线通信模块、存储器和云储存器，地面控制系统内的无线通信模块与自主导航系统内的无线通信模块进行无线数据传输。

工作原理：无人机启动飞起，采用的飞行状态检测模块对无人机飞行的状态进行实时监测，以便于对无人机的飞行状态及时调整，同时便于及时调整图像采集的调整，提高图像采集的精确度，空中处理器对无人机自主导航进行自主处理，将无人机飞行时采集的数据进行处理，RGBD相机对无人机飞行的地面进行扫描及照片采集，RGBD相机利用深度图像实现局部定位，适应视觉降级环境，黑暗环境自主飞行，3D图像建模处理器应用SLAM技术，通过感知自身周围环境来构建3D增量式地图，从而实现自主定位和导航，存储模块对无人机采集的数据进行储存，无线通信模块实现无人机与地面控制系统进行无线通信。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.无人机自主导航系统，其特征在于：包括自主导航系统和地面控制系统，所述自主导航系统包括RGBD相机、空中处理器、无线通信模块、飞行状态检测模块、3D图像建模处理器和存储模块，所述RGBD相机对路径规划方法：无人机将跟随垂直于扫掠方向的来回扫掠运动，其中扫掠方向平行于区域的最低点和最高点之间的线性距离，这种路径设计确保了该区域的完整覆盖，两个覆盖行之间的最小重叠设置在60％和95％之间，并且可以通过更改覆盖行数来更改，垂直于行进方向的扫描模式以覆盖矩形区域：图像和路径参数之间的相关性包含影响任务某些方面的某些权衡，这些包括飞行时间、图像几何形状、墙壁距离和图像质量，反之，距离墙壁越远，沿同一路径飞行会减少图像细节，但相机的FOV会更大，因此飞行时间会减少。

2.根据权利要求1所述的无人机自主导航系统，其特征在于：所述处理地图：要创建地图，必要的ROS主题会记录在ROS包中，然后通过RTAB-Map进行处理，这可以确保接收到的所有主题都是同步的，RTAB-Map通过检测闭环来逐步构建和优化地图，它使用词袋方法来创建在特定时间获得的图像的签名，并逐步在线构建词汇表。

3.根据权利要求1所述的无人机自主导航系统，其特征在于：局部定位：跟踪线程跟踪线程用于处理输入的RGBD对，并以视频帧率产生位姿估计，每个新的RGBD对通过运动模型预测当前相机位姿，选择地图里面最好的关键帧跟踪位姿，将该关键帧的地图点根据运动模型估计的位姿投影到当前帧图像上，采用稀疏光流在当前帧最近的位置寻找地图点，并用最小二乘法寻找当前帧相对于参考帧的位姿，并最终决定是否在当前的RGBD点对创建新的关键帧。

4.根据权利要求1所述的无人机自主导航系统，其特征在于：为了评估轨迹设计对SLAM质量的影响，设计了模拟和实验测试，模拟环境旨在复制与实验环境相似的条件，最重要的方面是无人机的传感器、轨迹、运动和覆盖区域。

5.根据权利要求1所述的无人机自主导航系统，其特征在于：仿真环境：模拟实验设置在Gazebo11中，包括从DARPA SubT虚拟门户导入的洞穴环境，还添加了微妙的环境光，以减少照明对视觉里程计和环路闭合检测的苛刻影响，无人机与MAVLink ROS可扩展通信节点连接，允许访问惯性测量单元、气压计、磁力计和全球定位系统。

6.根据权利要求1所述的无人机自主导航系统，其特征在于：所述无人机的飞行传感技术主要用于两个目的，一种是提供给飞行控制系统，由于飞控系统的主要功能是控制飞行器达到期望的姿态和空间位置，这部分传感技术主要是测量与飞行器运动状态相关的物理量，涉及的模块有陀螺仪、加速度计、磁罗盘、气压计、GNSS模块和光流模块，另一个目的是为无人机提供自主导航系统，即路径和避障规划系统。

7.根据权利要求6所述的无人机自主导航系统，其特征在于：所述陀螺仪：目前，MEMS陀螺仪广泛应用于商用航测无人机，由于其体积小、价格低，可以用IC的形式封装，所述加速度：计加速度计测量的是机体运动的线性加速度，但由于地球重力的原因，测得的值也会包含重力加速度分量，在某些使用场合需要减去重力加速度分量。

8.根据权利要求6所述的无人机自主导航系统，其特征在于：所述磁罗盘：磁罗盘测得的物理量是地球磁场强度沿机体轴线的分量，可以据此计算出机体的航向角，所述气压计：气压计测量的物理量就是大气压力值，由此可以计算出绝对高度，气压计在使用中存在的问题是，在近地飞行时，“地面效应”的存在会导致飞机周围的气压分布与静止时的大气不同，从而无法用气压计测量高度，通常的解决方法是在起飞或着陆时使用传感器，如超声波传感器或激光测距仪。

9.根据权利要求6所述的无人机自主导航系统，其特征在于：所述GNSS模块：GNSS模块测量的物理量比较丰富，主要包括地理坐标、高度、线速度、航向角，使用GNSS模块时，卫星信号接收天线的放置需要注意电磁干扰的屏蔽，一些有实力的整机厂商会根据飞机型号定制卫星信号接收天线，所述光流模块：光流模块是一种模块，不仅可以用来感知物体的运动状态，如测量水平方向的位移速度，还可以用来感知周围环境进行避障，常见的光流模块是开源的PX4FLOW，光流模块通常在室内使用，主要是解决室内卫星信号差的问题，对于拍摄的地面需要有纹理图案。

10.根据权利要求1所述的无人机自主导航系统，其特征在于：所述地面控制系统包括地面处理器、无线通信模块、存储器和云储存器，所述地面控制系统内的无线通信模块与自主导航系统内的无线通信模块进行无线数据传输。