[發明專利]連續多邊幾何環境中四旋翼飛行器激光雷達導航方法

有效

• 申請號: 201810579682.4
• 申請日: 2018-06-07
• 公開（公告）號: CN108562289B
• 公開（公告）日: 2021-11-26
• 發明（設計）人: 鄒冰倩;呂品;賴際舟;石鵬;付相可
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G01C21/16
• 分類號: G01C21/16;G01C21/20;G01S17/933;G05D1/10
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 柏尚春

本發明公開了一種連續多邊幾何環境中四旋翼飛行器激光雷達導航方法，屬于自主導航與制導領域。本發明可用于四旋翼飛行器在多邊幾何環境中的導航，將安裝于四旋翼飛行器的激光雷達與慣性傳感器相融合，生成導航信息，使多旋翼飛行器在多邊幾何環境重心處飛行。在本發明中，通過激光雷達對多邊幾何環境進行辨識，從而估計四旋翼飛行器與環境各邊的相對距離與方位。通過濾波器將激光雷達的估計信息與慣性傳感器進行數據融合，從而得到四旋翼飛行器的位置、速度、姿態信息。接著，通過激光雷達測量的數據，對幾何環境重心進行計算，令四旋翼飛行器在幾何重心處飛行。本發明可令四旋翼飛行器在多邊幾何環境中安全、穩定的飛行。

技術領域

本發明涉及自主導航與領域，尤其涉及連續多邊幾何環境中四旋翼飛行器激光雷達導航方法。

背景技術

隨著四旋翼飛行器相關技術的發展，其被應用于越來越多的飛行任務，對導航性能提出了越來越高的要求。激光雷達是四旋翼飛行器常用的導航設備之一，其不受無線電信號和光線干擾，具有較強的自主性與較高的導航精度。當激光雷達用于導航時，普遍采用同時定位與地圖構建方法(Simultaneous Localization And Mapping，簡稱SLAM)，在載體上通過對各種傳感器數據進行采集和計算，實現對其自身位置、姿態的定位以及對場景地圖的構建。

多邊幾何環境，指的是周邊呈現規則多邊形的環境，例如走廊、鐵塔內部等。對于這類多邊幾何環境，其多邊特征明顯，而沿多邊幾何方向其特征不顯著。在該類環境中應用SLAM方法時效果通常不理想。因此，若在該環境中，將激光雷達SLAM方法用于四旋翼飛行器，飛行器的導航性能難以得到保障，容易與多邊幾何環境發生碰撞，亟需一種解決四旋翼飛行器在多邊幾何環境中的穩定飛行問題的方法。

發明內容

發明目的：本發明的目的是提供連續多邊幾何環境中四旋翼飛行器激光雷達導航方法，以解決四旋翼飛行器在多邊幾何環境中的穩定飛行問題。

技術方案：連續多邊幾何環境一種四旋翼飛行器激光雷達導航方法，包括以下步驟：

(1)周期讀取k時刻四旋翼飛行器機載傳感器信息，包括激光雷達信息S(k)，陀螺儀信息加速度計信息氣壓高度計信息h_b(k)；

(2)通過慣性傳感器，預測k時刻四旋翼飛行器的姿態、速度、位置；

(3)辨識k時刻多邊幾何環境特征；

(4)計算k時刻四旋翼飛行器相對于多邊幾何環境的相對偏航角及在其導航系下的坐標；

(5)估計k時刻多邊幾何環境的幾何重心；

(6)通過卡爾曼濾波器，對k時刻四旋翼飛行器的姿態、速度、位置進行校正。

其中的相關坐標系定義為：

機體系的X、Y、Z軸分別為飛行器的機頭方向、右向、下向，激光雷達與機體系相固連；導航系原點為垂直于機頭方向線段中點，此線段所在直線為參考邊，Z軸豎直向下，X軸垂直指向參考邊，Y軸根據右手定則確定。

步驟(2)中采用如下形式預測k時刻四旋翼飛行器的姿態四元數、速度、位置：

(2.1)姿態四元數預測采用如下公式：

其中，Q(k)＝[q_o(k) q₁(k) q₂(k) q₃(k)]^T為k時刻的姿態四元數，上標T表示矩陣的轉置，Q(k-1)＝[q_o(k-1) q₁(k-1) q₂(k-1) q₃(k-1)]^T為k-1時刻的姿態四元數；ΔT為離散采樣周期，通過下式計算：