[發明專利]多介質復雜環境下高精度視覺/慣性組合導航方法

有效

• 申請號: 201510047368.8
• 申請日: 2015-01-29
• 公開（公告）號: CN104833352A
• 公開（公告）日: 2015-08-12
• 發明（設計）人: 羅建軍;張朝飛;朱戰霞;袁建平;龔柏春;朱蕊
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: G01C21/00
• 分類號: G01C21/00;G01C21/16
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 徐文權

【技術領域】

本發明為多介質復雜環境下高精度視覺/慣性組合導航方法，屬于組合導航技術領域。

【背景技術】

近年來，在地面模擬空間的微重力環境是進行空間飛行器地面試驗的重要組成部分，而利用水下航行器模擬空間微重力環境中飛船衛星的交會對接，為空間交會對接提供重要的測量數據和試驗驗證。西北工業大學飛行器設計國家重點實驗室建立了相應的試驗系統，在地面進行水下航行器的自主交會對接，通過水的浮力和調整地面電磁場的方向和磁場強度，使得水下航行器處于中性浮力水平，從而滿足天地一致性的等效試驗條件。而完成交會對接任務的一個重要前提是高精度的導航系統提供精確的測量信息。

目前，常用的導航方式有：諸如慣性導航、視覺導航、GPS的衛星導航、多普勒雷達導航等單系統導航方式，以及里程計/INS組合導航、GNSS/INS組合導航、多普勒雷達/INS組合導航系統等[1]。然而，在諸如室內、水下等環境中，GPS導航無法提供有效的導航信息。在強電磁等復雜中，多普勒雷達等無線電導航方式也將失效。因此，當載體運動處于多介質復雜環境下時，很多導航方法并不能實施。

慣性導航系統(Inertial?Navigation?System,INS)由慣性測量單元(Inertial?Measurement?Unit,IMU)、采集裝置、導航解算軟件和導航計算機組成，具有自主性、全天候工作、導航信息全等優點。但由于其導航方式為遞推方式，誤差積累會造成導航結果發散，并且在復雜電磁場環境中會加劇這種發散，因此需盡量消除復雜電磁場環境對IMU輸出數據的影響，但限于目前IMU的材料和工藝，并不能完全隔離電磁場環境對其的影響，可以利用算法補償的方法消除電磁場的影響。在需要長航時導航時，除了隔離復雜電磁場環境影響外，INS必須與誤差不積?累的導航系統進行組合才能提供高精度的導航信息。

視覺導航系統(Vision?Position?System,VPS)由1個高速雙目CCD相機、采集裝置、系統測量軟件、工控機組成。通過雙目CCD相機進行目標圖像采集，通過采集裝置將相機采集到的圖像傳輸到工控機，系統測量軟件對相機的圖像進行處理分析，構建各特征點的成像光路圖，利用多介質雙目測量原理計算出目標航行器各特征點的三維空間坐標值，進而計算出運動體的三維空間位姿測量值[2][3]。

VPS系統的主要誤差來源為圖像處理誤差和光噪聲誤差等，誤差不隨時間積累，在室內、水下、陸上和空間等介質中均可應用，并且其測量不受電磁場等環境的影響，因此，將VPS和INS進行組合導航，為多介質復雜環境下的載體提供高精度視覺/慣性組合導航方法。

參考文獻

[1]張仁勇,羅建軍,馬衛華,蘇二龍.交會對接視覺相對導航系統半物理仿真[J].計算機仿真,2012,06:75-79.

[2]王俊,朱戰霞,賈國華,張旭陽.多介質下空間目標的視覺測量[J].計算機應用,2011,05:1431-1434.

[3]Li?M,Mourikis?A?I.Optimization-Based?Estimator?Design?for?Vision-Aided?Inertial?Navigation[C].Robotics:Science?and?Systems,2012.?

[4]張昊,石磊,涂俊峰,管樂鑫,解永春.基于交會對接CCD光學成像敏感器的雙目測量算法[J].空間控制技術與應用,2011,06:66-71.

【發明內容】

本發明的目的是提出一種多介質復雜環境下高精度視覺/慣性組合導航方法。本方法適用于透明介質內復雜電磁環境中水下航行器的組合導航，為多介質復雜環境下的水下航行器提供高精度的視覺/慣性導航方法。

一種多介質復雜環境下高精度視覺/慣性組合導航裝置，適用于透明介質內復雜電磁環境中水下航行器的組合導航，包括水下航行器，該水下航行器放置在透明介質的容器內，該容器底部放置有電磁鐵陣列，水下航行器的四周均安裝有一個推進器，在其中的一個推進器前端安裝有用于抓取的對接機構，所述水下航行器的正下方安裝有一個永磁體，用以調節水下航行器實現中性浮力水平；所述水下航行器內裝有慣性導航系統，該慣性導航系統內設置有慣性測量單元，所述慣性導航系統通過光纖完成數據和指令的傳輸；在所述透明介質的外圍設置有視覺導航系統，該視覺導航系統包括有雙目CCD相機。