[發明專利]一種利用光流傳感器和速率陀螺對飛行器狀態估計的方法

有效

• 申請號: 201210191289.0
• 申請日: 2012-06-11
• 公開（公告）號: CN102706360A
• 公開（公告）日: 2012-10-03
• 發明（設計）人: 劉小明;陳萬春;邢曉嵐
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G01C23/00
• 分類號: G01C23/00
• 代理公司: 北京慧泉知識產權代理有限公司 11232
• 代理人: 王順榮;唐愛華

(一)技術領域：

本發明屬于小型飛行器（Miniature?aerial?vehicles,MAVs)姿態、飛行速度和高度的測量與估計技術領域，具體涉及一種利用光流傳感器和速率陀螺對MAV狀態估計的方法。

(二)背景技術：

飛行器主要依靠前視雷達、雷達高度表和升降速度表來測量離地高度和升降速度，而對于小型飛行器來說，激光測距儀(Laser?Rangefinders，LRF)和雷達都顯得過于笨重。SICKLMS291是一款典型的激光測距儀，一般用于機器人領域，它的質量大約是4.5公斤。用于無人駕駛航空器(Unmanned?Aerial?Vehicle，UAV)上的最小的合成孔徑雷達可能是美國圣地亞實驗室(Sandia?National?Labs)制造的miniSAR，其質量約為4～5公斤，這么重的設備增加了無人機的重量和體積，降低了其續航能力和帶載能力。

光流傳感器質量小，只有10克左右，完全被動地接收外部光線，無輻射，相對于雷達高度計具有質量小、隱蔽性好的優點，除飛行器的飛行速度、飛行高度、俯仰角速度外，本方法還可以估計出飛行器的攻角、俯仰角、升降速度等其它飛行信息，這些信息有利于幫助MAV完成探測、救災等特定飛行任務。

（三）發明內容：

1、目的：本發明的目的是提供一種利用光流傳感器和速率陀螺對飛行器狀態估計的方法，它使用5個光流傳感器和1套三軸速率陀螺，體積小、重量輕、功耗小、成本低，便于在小型飛行器上安裝布置，不對外輻射電磁信號，提高了飛行器的隱蔽性。

2、技術方案：昆蟲在移動時，周圍環境的亮度模式在視網膜上形成一系列連續變化的圖像，這一系列連續變化的信息不斷“流過”視網膜，好像是一種光的“流”，故稱這種圖像亮度模式的表觀運動為光流。國外的某些實驗室，已經研制出了光流傳感器的物理樣機，并利用光流傳感器實現了無人駕駛飛行器的自主避障、等高飛行、自動著陸、風速估計、目標檢測和空中懸停，這些技術在探測、救災等方面將有非常重要的應用價值。

根據光流的定義和圖1中所示的幾何關系，可得出光流的表達式為：

f=vcos2θh+ω---(1)]]>

式中，f為光流(1/s)，v為光流傳感器的水平速度(m/s)，h為光流傳感器距離地面的高度(m)，θ為光軸與鉛垂方向的夾角(rad)，ω為光流傳感器的旋轉速度(rad/s)。

由式(1)可以看出，光流的測量值與光流傳感器的姿態、高度和速度耦合有關，同時光流傳感器具有體積小、重量輕、功耗小、成本低、可組網的特點，于是考慮將多個光流傳感器固聯在飛行器上，結合慣導器件——速率陀螺，利用多傳感器的信息融合技術，實現對飛行器姿態信息的估計。光流傳感器布置如圖2所示。

本發明一種利用光流傳感器和速率陀螺對飛行器狀態估計的方法，該方法具體步驟如下：

步驟一：針對需要安裝光流傳感器的飛行器，建立其線化擾動運動學方程；

X·=AX+Bu+w(t)---(2)]]>