基于gps與光流傳感器數(shù)據(jù)融合的無人機(jī)定位方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種無人機(jī)定位方法，特別是涉及一種基于GPS與光流傳感器數(shù)據(jù)融 合的無人機(jī)自主定位方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 無人機(jī)的定位問題主要是指利用自身傳感器確定無人機(jī)在飛行環(huán)境中相對于慣 性坐標(biāo)系的位置和姿態(tài)信息。準(zhǔn)確的位姿估計是實現(xiàn)四旋翼無人機(jī)安全飛行、軌跡規(guī)劃以 及目標(biāo)跟蹤等復(fù)雜飛行任務(wù)的前提和基礎(chǔ)。
[0003] 目前廣泛使用的無人機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)主要是基于GPS定位的方法，但是其定位精度較 低。而近幾年廣泛使用的基于光流法的無人機(jī)定位系統(tǒng)雖定位精度較高，但其定位結(jié)果隨 時間增加存在較大的位置漂移。
[0004] 新加坡國立大學(xué)的研宄人員使用卡爾曼濾波和互補(bǔ)濾波器結(jié)合的算法和H C?魯 棒濾波算法，成功將GPS獲取的無人機(jī)位置信息與速度信息進(jìn)行融合，克服了 GPS獲取的 位置信息的不連續(xù)性，得到了較為準(zhǔn)確且平滑的無人機(jī)位置信息，但是由于受到GPS數(shù)據(jù) 輸出精度的限制，其定位精度約為±1米（會議：IEEE International Conference on Controland Automation;著者：Yun B，Peng K, Chen B M;出版年月：2007 年；文章題目： Enhancement of GPS Signals for Automatic Controlof a UAV Helicopter System ;頁 石馬：1185-1189)(期干丨J :Transactions of thelnstitute of Measurement and Control ； 著者：Yun B, Cai G, Chen B M，出版年月：2011 年；文章題目：GPS Signal Enhancement and Attitude Determinationfor a Mini and Low-costUnmanned Aerial Vehicle，頁石馬： 665 - 682)。
[0005] 瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的研宄人員采用PX4FL0W光流傳感器作為位置測量單 元并用于室內(nèi)外無人機(jī)的定位控制系統(tǒng)中，該研宄機(jī)構(gòu)雖實現(xiàn)了基于光流法的室內(nèi)軌跡跟 蹤實驗，但從圖中可以看出，光流傳感器獲取的無人機(jī)速度信息經(jīng)長距離積分作用后，在邊 長約為3米的連續(xù)兩圈矩形軌跡跟蹤過程中，其最大定位誤差大于0. 5米，在隨時間累加過 程中其位置信息存在較大的漂移（會議：IEEE International Conference on Robotics andAutomation;著者：Honegger D，Meier L，Tanskanen P ;出版年月：2013 年；文章題目： An Open Source and Open HardwareEmbedded Metric Optical Flow CMOS Camera for Indoor and Outdoor Applications ;頁石馬：1736-1741)〇
[0006] 此外，瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的研宄人員還利用光流法作為輔助位置測量單元 用于無人機(jī)的定位控制系統(tǒng)中，但由于長距離運(yùn)動過程中光流法因積分作用產(chǎn)生較大的位 置漂移，其連續(xù)兩周矩形軌跡之間存在較大的定位誤差（會議：IEEE/RSJ International Conferenceon Intelligent Robots and Systems ;著者：Fraundorfer F, Heng L, Honegger D ;出版年月：2012 年；文章題目：Vision-based Autonomous Mappingand Exploration Using a Quadrotor MAV ;頁碼：4557-4564) 〇

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，實現(xiàn)無人機(jī)自主定位，為此，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是， 基于GPS與光流傳感器數(shù)據(jù)融合的無人機(jī)定位方法，包括如下步驟：
[0008] 利用安裝在四旋翼無人機(jī)底部的光流傳感器獲取無人機(jī)的速度信息及速度信息， 利用GPS獲取無人機(jī)的位置信息并判斷位置信息的可靠性，采用互補(bǔ)濾波器將上述信息進(jìn) 行融合，用于無人機(jī)的定位系統(tǒng)中。
[0009] 所述的利用光流傳感器獲取無人機(jī)的速度信息及速度信息處理是：
[0010] 光流法直接獲取的是無人機(jī)的水平速度信息，所以需要通過積分運(yùn)算獲得其位置 信息，同時，由于其他不可測因素的影響，在速度測量過程中會有短暫的錯誤測量，需要人 為將其濾除。
[0011] 采用GPS法獲取的位置信息和由光流法獲取的速度信息簡化為如下形式：
[0012] Yp= P+μ ρ
[0013] ，
[0014] yv= v+ μ ν
[0015] 這里的ρ、V分別為采用GPS法和光流法獲取的真實位置和速度測量值，μ 5和μ ν 分別為位置信息和速度信息的測量噪聲，均為恒定值。
[0016] 所述的GPS獲取無人機(jī)的位置信息并判斷位置信息的可靠性是：
[0017] 由于GPS信息具有不穩(wěn)定性，需要檢測GPS信息，若用于定位過程中的衛(wèi)星數(shù)量低 于5顆星時，則認(rèn)為該方法獲取的無人機(jī)位置信息不夠準(zhǔn)確。
[0018] 采用互補(bǔ)濾波器將上述信息進(jìn)行融合具體為：將測量結(jié)果通過互補(bǔ)濾波器后的輸 出彡的頻域表達(dá)式寫成如下形式：
【主權(quán)項】
1. 一種基于GPS與光流傳感器數(shù)據(jù)融合的無人機(jī)定位方法，其特征是，包括如下步驟： 利用安裝在四旋翼無人機(jī)底部的光流傳感器獲取無人機(jī)的速度信息及速度信息，利用GPS 獲取無人機(jī)的位置信息并判斷位置信息的可靠性，采用互補(bǔ)濾波器將上述信息進(jìn)行融合， 用于無人機(jī)的定位系統(tǒng)中。
2. 如權(quán)利要求1所述的基于GPS與光流傳感器數(shù)據(jù)融合的無人機(jī)定位方法，其特征是， 所述的利用光流傳感器獲取無人機(jī)的速度信息及速度信息處理是：光流法直接獲取的是無 人機(jī)的水平速度信息，所以需要通過積分運(yùn)算獲得其位置信息，同時，由于其他不可測因素 的影響，在速度測量過程中會有短暫的錯誤測量，需要人為將其濾除。
3. 如權(quán)利要求1所述的基于GPS與光流傳感器數(shù)據(jù)融合的無人機(jī)定位方法，其特征是， 采用GPS法獲取的位置信息和由光流法獲取的速度信息簡化為如下形式： yp=p+yp, yv=v+yv 這里的P、v分別為采用GPS法和光流法獲取的真實位置和速度測量值，~和yv分別 為位置信息和速度信息的測量噪聲，均為恒定值。
4. 如權(quán)利要求1所述的基于GPS與光流傳感器數(shù)據(jù)融合的無人機(jī)定位方法，其特征是， 所述的GPS獲取無人機(jī)的位置信息并判斷位置信息的可靠性是： 由于GPS信息具有不穩(wěn)定性，需要檢測GPS信息，若用于定位過程中的衛(wèi)星數(shù)量低于5 顆星時，則認(rèn)為該方法獲取的無人機(jī)位置信息不夠準(zhǔn)確。 采用互補(bǔ)濾波器將上述信息進(jìn)行融合具體為：將測量結(jié)果通過互補(bǔ)濾波器后的輸出多 的頻域表達(dá)式寫成如下形式：
其中s為拉普拉斯算子，T(s)為一階低通濾波，S(s)為一階高通濾波，T(s)+S(s) = 1，yp(s)表示由傳感器得到在頻域內(nèi)的位置信息；互補(bǔ)濾波控制器采用比例反饋，即C(s)= k;在這種情況下，得到閉環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)方程為：
此時濾波器頻域表達(dá)形式為=擊和只4 =擊，此時設(shè)計的濾波器截止頻率為 /r=忐；在大于&的高頻段，光流傳感器數(shù)據(jù)對融合結(jié)果起主要作用，在小于fT的低頻段，GPS數(shù)據(jù)對融合結(jié)果起主要作用，k為常數(shù)。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種無人機(jī)定位方法，為實現(xiàn)無人機(jī)自主定位，為此，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是，基于GPS與光流傳感器數(shù)據(jù)融合的無人機(jī)定位方法，包括如下步驟：利用安裝在四旋翼無人機(jī)底部的光流傳感器獲取無人機(jī)的速度信息及速度信息，利用GPS獲取無人機(jī)的位置信息并判斷位置信息的可靠性，采用互補(bǔ)濾波器將上述信息進(jìn)行融合，用于無人機(jī)的定位系統(tǒng)中。本發(fā)明主要應(yīng)用于無人機(jī)定位。
【IPC分類】G01S19-45
【公開號】CN104808231
【申請?zhí)枴緾N201510104096
【發(fā)明人】鮮斌, 曹美會, 張旭
【申請人】天津大學(xué)
【公開日】2015年7月29日
【申請日】2015年3月10日