淺談GPS 失效下的無(wú)人機組合導航系統論文

　　近幾年，民用無(wú)人機的研究有了很大的進(jìn)展，應用也越來(lái)越廣泛，可用于氣象探測、災害監測、農藥噴灑、地質(zhì)勘測等諸多領(lǐng)域。目前民用無(wú)人機的主要導航方式為GPS 導航，由于各種原因，GPS存在失效的情況，一旦GPS 失效則會(huì )導致無(wú)人機失去控制，從而丟失或墜落，造成重大經(jīng)濟損失和地面人員傷害。因此，開(kāi)展GPS 失效下的民用無(wú)人機自主導航研究，提高無(wú)人機自主導航可靠性，擴展其應用領(lǐng)域，具有十分可觀(guān)的應用前景。

　　慣性導航系統( inertial navigation system， INS)工作時(shí)不需要從外界接受信息，也不會(huì )向外輻射信息，可完全自主地進(jìn)行連續導航，因而自其出現以來(lái)備受關(guān)注。然而， INS 的導航誤差會(huì )隨著(zhù)時(shí)間的增長(cháng)而不斷增加，難以滿(mǎn)足長(cháng)時(shí)間高精度導航定位的要求。隨著(zhù)光學(xué)攝像技術(shù)和圖像處理技術(shù)的發(fā)展，利用視覺(jué)信息估計運動(dòng)參數實(shí)現無(wú)人機機器視覺(jué)導航，在國內外受到越來(lái)越廣泛地關(guān)注。盡管機器視覺(jué)導航具有諸多優(yōu)勢，但僅使用視覺(jué)導航存在作用范圍小、數據更新率低等問(wèn)題，并且長(cháng)距離導航時(shí)系統的定位誤差隨距離增加呈非線(xiàn)性增長(cháng)。

　　由于單一導航技術(shù)不同程度地存在各種缺點(diǎn)，因此，現代導航技術(shù)經(jīng)常采用將兩種以上導航方式相結合的組合導航方法。無(wú)人機上一般都裝備有INS 和高清相機�？衫�用圖像處理技術(shù)處理相機實(shí)時(shí)拍攝的圖像獲得無(wú)人機的運動(dòng)參數，輔助無(wú)人機的INS 進(jìn)行導航。

　　這種組合方案可以修正INS 的導航參數，抑制系統誤差發(fā)散。視覺(jué)- 慣性組合導航在無(wú)人機自主導航、自主著(zhù)陸、空中加油和水下機器人等領(lǐng)域得到了廣泛應用。

　　本文中所研究的電力巡線(xiàn)無(wú)人機，采用GPS 與捷聯(lián)慣性導航系統( SINS) 組合導航，并且裝備有一臺CCD 高清相機。由于INS 高度方向發(fā)散，因此在無(wú)人機上加裝氣壓高度計。文中主要研究GPS 失效下系統的導航問(wèn)題，基于系統的硬件配置，采用單目視覺(jué)與SINS 組合進(jìn)行導航，并對該組合導航系統進(jìn)行了仿真研究。

　　1 系統總體設計

　　假設GPS 完全失效，不考慮GPS 相關(guān)信息。GPS 失效下無(wú)人機組合導航系統由CCD 高清相機為基礎的單目視覺(jué)系統、微小型慣性導航系統、氣壓高度計、飛行控制系統、數傳系統及地面站等組成。以無(wú)人機巡邏路線(xiàn)上的電力基桿塔作為定位點(diǎn)，在基桿塔上設置容易辨別的特征圖案并將其特征存儲到機載系統中，事先通過(guò)GPS 和北斗系統精確獲得定位點(diǎn)的位置信息。利用機載的SINS 進(jìn)行導航，經(jīng)過(guò)定位點(diǎn)時(shí)，通過(guò)安裝在無(wú)人機底部的高清相機進(jìn)行圖像采集，然后對定位點(diǎn)特征進(jìn)行識別，獲得定位點(diǎn)處的位置信息，利用這些位置信息及氣壓高度信息修正SINS 的相關(guān)參數，防止SINS 導航參數發(fā)散。

　　下面定義文中用到的主要坐標系。

　　1) 導航坐標系n: 用OnXnYnZn表示，它是慣性導航系統在求解導航參數時(shí)所采用的參考坐標系，本文中選用北—東—地地理坐標系作為導航坐標系。

　　2) 機體坐標系b: 用ObXbYbZb表示，原點(diǎn)在無(wú)人機的質(zhì)心上，Xb軸沿無(wú)人機縱軸向前，Yb軸沿無(wú)人機橫軸向右，Zb軸垂直平面OXbYb且向下。

　　3) 相機坐標系c: 用OcXcYcZc表示。相機安裝在無(wú)人機重心處，鏡頭朝下。坐標系原點(diǎn)為相機光心，Xc軸和Yc軸分別與機體坐標系的Xb軸和Yb軸平行，Zc軸平行于光軸向下。另外還有慣性坐標系( i 系) 、理想平臺坐標系( t 系) 、實(shí)際平臺坐標系( p 系) 及坐標系間的相互轉換等，在此不一一給出。

　　2 元件誤差模型

　　慣性器件誤差模型慣性器件包括陀螺儀和加速度計。陀螺漂移包含3 種分量: 隨機常值漂移、相關(guān)漂移和不相關(guān)漂移。相關(guān)漂移對本文中研究的短航程無(wú)人機來(lái)講可近似為隨機常數，且與隨機常值漂移相比，這種漂移小1 ～ 2 個(gè)數量級，所以陀螺漂移模型簡(jiǎn)化為由常值漂移εx、εy、εz和白噪聲分量ωx、ωy、ωz組成的。與陀螺儀漂移模型類(lèi)似，加速度計的漂移也包含上述3 種分量。相關(guān)漂移相對較小，同時(shí)為了使濾波器的維數降低，加速度計的誤差模型簡(jiǎn)化為由隨機常數漂移x、y和白噪聲分量組成的。

　　3 仿真研究

　　為驗證GPS 失效下巡線(xiàn)無(wú)人機導航系統的有效性，進(jìn)行仿真實(shí)驗。首先利用Matlab 生成無(wú)人機運動(dòng)模型，并設計一條主要包括定高巡航狀態(tài)的航跡。

　　仿真中陀螺儀常值誤差為0. 001 rad /s，噪聲均方根為0. 01 rad /s; 加速度計常值誤差為0. 001 m/s2，噪聲均方根為0. 01 m/s2 ; 氣壓高度計分辨率為0. 1 m，噪聲均方根為1 m。初始平臺失準誤差分別為30″、30″和50″。

　　其中系統1 為本文中提出的基于單目視覺(jué)、氣壓高度計輔助SINS 的組合導航系統利用Kalman 濾波算法的結果，系統2 為基于SINS 單獨導航利用Kalman 濾波算法的結果，仿真時(shí)間為1 800 s。由于純慣性導航系統的垂直通道是發(fā)散的，因此仿真中沒(méi)有給出組合后的高度方向的仿真結果。

　　在GPS 失效的情況下，如果單純使用SINS 進(jìn)行導航，會(huì )出現東向和北向位置誤差不穩定甚至發(fā)散的情況，嚴重影響巡線(xiàn)無(wú)人機系統的導航精度。本文中提出的基于單目視覺(jué)、氣壓高度計與SINS 組合的巡線(xiàn)無(wú)人機導航系統可克服SINS 單一導航的缺點(diǎn)，位置解算結果穩定、收斂，經(jīng)度方向誤差可在1 m 以?xún)�，緯度方向誤差可在2 m 以?xún)�，因此該組合導航系統導航結果較好，可提高無(wú)人機的位置解算精度和速度解算精度。

　　4 結論

　　針對巡線(xiàn)無(wú)人機工作過(guò)程中出現的GPS 失效情況，提出將單目視覺(jué)系統、氣壓高度計、SINS 進(jìn)行組合，構成組合導航系統，用以代替單一導航系統。分析了系統的工作原理，建立了系統模型，并進(jìn)行數值仿真。仿真結果表明，文中提出的組合導航系統由于引入了多種外部參考信息，具有較好的容錯性能，可以提高導航系統的導航精度和可靠性。

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