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慣性光流磁組合導航技術在四旋翼飛行器中的應用.pdf

'慣性光流磁組合導航技術在四旋翼飛行器中的應用.pdf'
156 傳感器與微系統 (Transducer and Microsystem Technologies) 2016年 第 35卷 第 1期 \ 應用技術 s \ P DOI:10:13873/J.1000-9787(2016)01--0156-05 慣性/光流/磁 組合導航技術在 四旋 翼飛行器 中的應 用 楊天雨,賈文峰 ,賴際舟 ,鄧一民 (南京航空航天大學 導航研究中心 ,江蘇 南京 210016) 摘 要 :微小型無人飛行器(MUAV)通常采用微慣 ~/GPS組合導 航系統 提供載體 速度 、位置 、姿態等參 數 。然而 GPS信 號易受干擾 ,且面對特殊環境 (如高樓 林立 的街道 、隧道 、峽谷等 )易 出現信號丟失 情況 , 難 以滿足飛行器 的自主安全飛行要求。為解決該問題 ,設計基于光 流法輔助微慣 性導航 的無 GPS自主導 航方案 ,提 出了一種基 于無味 卡爾曼濾波 (UKF)的非線 性融合 導航 方法 ,基于 四旋翼飛行器的懸停和飛行 實驗進行了驗證。實驗結果 表明 :該方案具有成本低 、導航 自主性 強、精度高的優點 ,具有一定 的應用參考 價值 。 關鍵詞 :慣性/光流/磁組合 ;多傳感器 ;信 息融合 ;無味卡爾曼濾波 中圖分類號 :V249 文獻標識碼 :A 文章編號 :1000-9787(2016)01-0156-05 Application 0f inertial/0ptical-flow/m agnetic integrated "gation techniq in luadrotor helio pternaviRatton technique quadrotor helicooter _ YANG Tian·yu,JIA W en-feng,LAI ji-zhou,DENG Yi—rain (Navigation Research Center,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016,China) Abstract: MEMS—inertial/GPS integrated navigation system is usually used in MUAV to provide parameters of its velocity,position,attitude.However,GPS is susceptible to interference in complex environment,such as high—rise street,tunnels,canyon,etc,which will not satisfy the safety needs of autonomous flight.To solve this problem ,a MEMS--inertial/0ptical--flow autonomous navigation scheme without GPS and analyzed based on a non--linear fused navigation method based on unscented Kalman filtering(UKF)fusion technology is proposed,hovering and waypoint flight experiments of quadrotor helicopter are conducted to verify the system performance.Experimental results show that the inertial/optical—flow/magnetometer integrated system has advantages such as low-cost,strong autonomy of navigation and high precision,which implies practical application value of MUAV. Key words: inertial/optical—flow/magnetic integrated; multi—sensors; information fusion; unscented Kalman filtering(UKF) 0 引 言 光流 (optical—flow,OF)的概念最早 來 自于 昆蟲 在運 動 過程 中,四周環境 的灰度模式 在視 網膜 (即成像 面)上形 成 一 系列連續變 化 的圖像 ,產 生 了像素 強度 的時域 變 化 。 光流傳感器根據光流成像 原理 制作 ,集 圖像采 集與 圖像 分 析處理功能于一體 ,利用視覺 傳感器 獲取運動 中的物體 圖 像 ,并 由內嵌 的光流算法得到載體的相應導航參數 。 借助于光流傳感器的光流法導航不需要提前預知周邊 環境特 征 ,具有實 時性 高 、自主性 強等特 點 ,克 服 了傳 統微慣性導航系 統對 GPS的嚴 重依賴 。但 由于其 輸 出的 速度信息僅有二維 ,無法滿足六 自由度導航參數需求 。 本文在 MEMS微慣性 導航系統 基礎上 ,提 出一種 慣 性/光流/磁傳感器數據融合方案 。針對 四旋翼 飛行器 的系 統非線性強的特點 ,采用無跡卡爾曼濾波 (unscented Kalman filtering,UKF)方法實時更新 系統非線性狀態并量測 ,提高四 旋翼 飛行器在無 GPS條件下 的測速和定位能力 J?;?實 際 四旋翼飛行器的實驗表 明 ,該 融合方案 能提供較 為準 確 的載體速度 、位置信息 ,滿足 四旋翼飛行器在無 GPS或 GPS 緊急失效情況 下所 需的導航精度 和可靠性要求 。 1 光流法測速原理與檢測算法 1.1 光 流傳 感 器測 速原 理 相機與 實 際物 體 運動 的三維 幾何 透 視關 系 如 圖1所 收稿 日期 :2O15no4_o1 基金項目:國家 自然科學基金資助項 目(61174197);江蘇省高校 “青藍工程”項 目
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技術 飛行器 導航 組合 旋翼 慣性 應用
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