[發(fā)明專利]一種仿鴿子智能的無人機自主導航系統及方法

有效

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• 申請日: 2019-04-25
• 公開（公告）號: CN110081875B
• 公開（公告）日: 2020-10-09
• 發(fā)明（設計）人: 段海濱;辛龍;鄧亦敏;李晗;徐小斌;張錫聯;周銳;李皓;魏晨
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G01C21/00
• 分類號: G01C21/00;G01C11/04
• 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

本發(fā)明公開一種仿鴿子智能的無人機自主導航系統及方法，該系統具體包括仿鴿子地磁導航定向模塊、仿鴿子智能行為?認知的主動視覺目標感知模塊、仿鴿子地貌參考導航的自然場景運動估計模塊、仿鴿子即時歸巢機制的拼接地圖快速導航模塊；本發(fā)明的系統和方法，模擬鴿子的歸巢過程中涌現出的智能導航機制，可以實現基于地磁場導航定向，尺度、旋轉不變的目標識別，基于自然場景的運動估計和基于特殊地標的拼接地圖快速導航。將所述方法集成為一個自主導航系統，充分模擬了鴿子導航行為機制，并可以實現無人機自主導航，具備不依賴衛(wèi)星導航系統、高性能、高自主、抗干擾等優(yōu)勢。

【技術領域】

本發(fā)明涉及一種仿鴿子智能的無人機自主導航系統及方法，屬于導航技術領域。

【背景技術】

信息時代的到來，導航技術在新型戰(zhàn)場環(huán)境中扮演著越來越重要的角色，現在的飛行器主要依靠全球定位系統(Global Positioning System,GPS)和慣性導航系統(Inertial Navigation System,INS)。面對陸海空天電一體化的復雜飛行環(huán)境，衛(wèi)星導航系統容易受到惡意干擾和破壞，且在城市高樓、山底、峽谷間等情況下往往不可用，慣性導航系統會隨著時間不斷累積誤差。飛行器面臨的威脅類型復雜多變，飛行環(huán)境將呈現多樣化，導航信號可能會被拒止、削弱，甚至被欺騙。現有的依賴衛(wèi)星的導航技術將很難適應未來智能化、高動態(tài)、強干擾、規(guī)模化等任務需求，無人機需要在導航系統面臨遠程、高風險環(huán)境中作戰(zhàn)。仿生導航具備不依賴衛(wèi)星導航系統、高性能、高自主、抗干擾等優(yōu)勢，近年來成為了自主導航領域的一個熱點。

鴿子在放飛之后成功安全歸巢的能力在所有動物中名列前茅，鴿子同時存在基于光受體和磁鐵納米顆粒的兩種磁感知機制。鴿子視網膜上存在一種藍光受體隱花色素可以作為光依賴的磁感受器，用于獲取磁場的方向信息，是鴿子的“磁羅盤”。鴿子鼻腔上喙的超順磁鐵礦納米顆粒能夠感知磁場強度的變化，顆粒分布的區(qū)域是神經末梢密集區(qū)域，這些神經與三叉神經相連為鴿子提供位置信息，是鴿子的“導航地圖”的組成成分。其次，在鴿子釋放試驗時通過記錄鴿子的腦電波發(fā)現，鴿子對于身下幾百米的特殊地標(海岸線、建筑物等)，會出現腦電波激活響應。再次，鴿子遠距離歸巢行為借助了地貌景觀的幫助，每隔一段距離會校正航向，表明鴿子具有利用單目視覺基于地貌景觀實現路徑積分的能力。最后，鴿子靠近鴿房區(qū)域時，鴿子將不再采用連續(xù)的羅盤和梯度導航，而依賴獨立、熟悉的自然地標，生物學家稱這片區(qū)域為即時歸巢區(qū)域。鴿子具有不亞于哺乳動物的行為抉擇能力，能夠通過學習周圍環(huán)境規(guī)則迅速適應環(huán)境，并且鳥類的行為抉擇同樣受到強化幅度、延時記憶等因素的影響。鴿子通過視覺獲取鴿房附近的特殊地標信息并反復強化訓練，形成了即時歸巢區(qū)域。在即時歸巢區(qū)域內，每個地標將具有直接到達鴿房方位信息以及相互之間的方位信息，稱之為“拼接地圖”。上述研究表明，鴿子能夠只依賴自然環(huán)境場(太陽、地磁場等)地貌場景和特殊地標實現遠距離歸巢導航，其導航歸巢機制與無人機自主導航的技術需求十分吻合，特別是如果能夠將鴿子導航歸巢過程中涌現出的智能導航機制應用于無人機自主導航，無疑具有廣闊的應用前景。

本發(fā)明旨在提出一種仿鴿子智能的無人機自主導航系統及實現方法，能夠模擬鴿子的智能導航行為，利用仿生導航技術實現無人機的自主導航，該系統對于今后研究無人機自主導航問題有很好的拓展強度，具有良好的應用前景。

【發(fā)明內容】

本發(fā)明是一種仿鴿子智能無人機自主導航系統及方法，其目的提供一種實現仿鴿子智能無人機自主導航系統。本發(fā)明旨在模擬鴿子智能導航行為，建立鴿子智能導航行為機制和無人機自主導航間映射關系，解決衛(wèi)星導航拒止、復雜動態(tài)環(huán)境下無人機定位和導航問題，設計并集成一種仿鴿子智能的無人機自主導航系統，提高無人機的自主能力水平。

本發(fā)明針對衛(wèi)星導航拒止、復雜動態(tài)環(huán)境下無人機定位和導航問題，開發(fā)了一種仿鴿子智能的無人機自主導航系統，系統結構如圖1所示，具體包括四個模塊，分別為：仿鴿子地磁導航定向模塊、仿鴿子智能行為-認知的主動視覺目標感知模塊、仿鴿子地貌參考導航的自然場景運動估計模塊、仿鴿子即時歸巢機制的拼接地圖快速導航模塊。