[發(fā)明專利]一種捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)/視覺(jué)里程計(jì)組合導(dǎo)航方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201711026822.7
• 申請(qǐng)日: 2017-10-27
• 公開（公告）號(hào): CN107796391A
• 公開（公告）日: 2018-03-13
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 孫騫;刁鳴;李一兵;田宇
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 哈爾濱工程大學(xué)
• 主分類號(hào): G01C21/16
• 分類號(hào): G01C21/16
• 代理公司: 暫無(wú)信息
• 代理人: 暫無(wú)信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于組合導(dǎo)航領(lǐng)域，具體涉及一種捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)/視覺(jué)里程計(jì)組合導(dǎo)航方法。

背景技術(shù)

近年來(lái)，導(dǎo)航領(lǐng)域中單獨(dú)的導(dǎo)航子設(shè)備或者子系統(tǒng)不斷的發(fā)展，其性能日趨完善，各自 的優(yōu)勢(shì)和局限性日趨明顯。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，而任何一種單獨(dú)的導(dǎo)航子設(shè)備或者子 系統(tǒng)不可能完全實(shí)現(xiàn)日益增長(zhǎng)的導(dǎo)航需求的目的，因此可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的組合導(dǎo)航技術(shù)的 應(yīng)用正在不斷擴(kuò)展，并受到了越來(lái)越廣泛的重視。

由于捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(Strapdown Inertial Navigation System，SINS)具有低成本、小體 積、全自主、隱蔽性好、采樣頻率高等優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于多種領(lǐng)域；而全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng) 具有單點(diǎn)定位精度高、誤差不隨時(shí)間發(fā)散等優(yōu)點(diǎn)，因此將捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)與全球?qū)Ш叫l(wèi)星 系統(tǒng)進(jìn)行組合可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，從而提高整個(gè)導(dǎo)航系統(tǒng)的精度。目前捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)/全 球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)組合導(dǎo)航是應(yīng)用最為廣泛的一種組合導(dǎo)航形式。然而捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)/全球 導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)組合導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)信息的依賴程度過(guò)大，而全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng) 信息又絕對(duì)依賴于外部衛(wèi)星信號(hào)。因此在森林覆蓋區(qū)、建筑物密集區(qū)、室內(nèi)、水下等環(huán)境中 時(shí)，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)信號(hào)就很容易受到干擾而產(chǎn)生信號(hào)擁堵或堵塞，從而造成全球?qū)Ш叫l(wèi) 星系統(tǒng)定位精度嚴(yán)重下降，進(jìn)而大幅度降低整個(gè)組合導(dǎo)航系統(tǒng)的定位精度，因此需要尋求一 種新的組合導(dǎo)航方式。

基于視覺(jué)傳感器的視覺(jué)里程計(jì)(Visual Odometer，VO)是目前新興的一種導(dǎo)航設(shè)備，具 有價(jià)格低、耗能少、信息量豐富等優(yōu)勢(shì)，因此視覺(jué)里程計(jì)迅速得到了廣泛的關(guān)注與應(yīng)用，基 于捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)/視覺(jué)里程計(jì)的組合導(dǎo)航技術(shù)也稱為導(dǎo)航領(lǐng)域內(nèi)的一個(gè)十分重要的研究 方向。

視覺(jué)里程計(jì)是利用視覺(jué)傳感器捕獲周圍環(huán)境的圖像信息，然后通過(guò)計(jì)算機(jī)視覺(jué)處理算法 對(duì)圖像或者圖像序列進(jìn)行處理，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)周圍環(huán)境的理解，實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)載體的導(dǎo)航與定位。 因此如何高效的從圖像序列中提取出有效的周圍環(huán)境信息，即特征提取與匹配問(wèn)題，成為視 覺(jué)輔助導(dǎo)航技術(shù)研究中極為重要的內(nèi)容之一。為提高視覺(jué)里程計(jì)的計(jì)算效率，特征提取與匹 配方法需要具有高效性，而加速分割檢測(cè)特征(Feature from Accelerated Segment Test，F(xiàn)AST) 方法由于具有簡(jiǎn)單有效、計(jì)算速度快等優(yōu)勢(shì)，被應(yīng)用于視覺(jué)特征與匹配過(guò)程中。但是FAST 僅僅對(duì)一小部分像素進(jìn)行了處理，所以其對(duì)噪聲特別敏感，極易受到周圍環(huán)境的影響。針對(duì) 這一問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種改進(jìn)的FAST特征提取方法，通過(guò)降低誤匹配率來(lái)抑制環(huán)境噪 聲對(duì)視覺(jué)里程計(jì)算法精度的影響，利用非線性濾波器容積卡爾曼濾波(Cubature Kalman Filter， CKF)完成對(duì)捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)/視覺(jué)里程計(jì)組合導(dǎo)航系統(tǒng)狀態(tài)的估計(jì)，從而提高捷聯(lián)慣性導(dǎo) 航系統(tǒng)/視覺(jué)里程計(jì)組合導(dǎo)航系統(tǒng)的定位精度和魯棒性。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種能夠同時(shí)定位精度更高和魯棒性更好的捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)/視 覺(jué)里程計(jì)組合導(dǎo)航方法。

本發(fā)明的目的是通過(guò)以下步驟來(lái)實(shí)現(xiàn)的：

步驟1：在運(yùn)載體上安裝雙目視覺(jué)里程計(jì)、光纖陀螺慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，對(duì)捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系 統(tǒng)/視覺(jué)里程計(jì)組合導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)熱，并采集各個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)；

步驟2：根據(jù)視覺(jué)里程計(jì)中的雙目攝像頭采集到的圖像序列，利用FAST方法對(duì)圖像序列 中的特征進(jìn)行提取，并利用基于隨機(jī)抽樣一致的特征匹配方法完成特征匹配，并根據(jù)視覺(jué)里 程計(jì)原理計(jì)算出運(yùn)載體的運(yùn)動(dòng)信息；

步驟3：建立捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)/視覺(jué)里程計(jì)組合導(dǎo)航系統(tǒng)的非線性狀態(tài)方程；

步驟4：以捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)與視覺(jué)里程計(jì)測(cè)得的速度誤差為觀測(cè)量，建立捷聯(lián)慣性導(dǎo) 航系統(tǒng)/視覺(jué)里程計(jì)組合導(dǎo)航系統(tǒng)的量測(cè)方程；

步驟5：利用非線性濾波器容積卡爾曼濾波完成捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)/視覺(jué)里程計(jì)組合導(dǎo)航 系統(tǒng)的時(shí)間更新和量測(cè)更新，對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行估計(jì)，實(shí)現(xiàn)捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)/視覺(jué)里程計(jì)組合 導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航定位。

進(jìn)一步地，在步驟2中，利用FAST方法對(duì)圖像序列中的特征進(jìn)行提取，并利用基于隨 機(jī)抽樣一致的特征匹配方法完成特征匹配，并根據(jù)視覺(jué)里程計(jì)原理計(jì)算出運(yùn)載體的運(yùn)動(dòng)信息， 其具體方法為：

1)通過(guò)視覺(jué)里程計(jì)的雙目視覺(jué)里程計(jì)獲取運(yùn)載體周圍環(huán)境的圖像對(duì)，并對(duì)圖像序列進(jìn)行 校正；

2)對(duì)校正后的圖像序列利用FAST進(jìn)行圖像特征提取，并生成特征向量；

3)對(duì)從圖像對(duì)中所提取的特征點(diǎn)，利用最近鄰和次最近鄰的距離比方法進(jìn)行圖像特征粗 匹配；