[發明專利]一種基于遙感地圖輔助的無人機自主定位方法及系統

有效

• 申請號: 202110222597.4
• 申請日: 2021-03-01
• 公開（公告）號: CN112577493B
• 公開（公告）日: 2021-05-04
• 發明（設計）人: 毛軍;屈豪;胡小平;何曉峰;潘獻飛;范晨;毛登科;謝嘉;吳雪松
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍國防科技大學
• 主分類號: G01C21/20
• 分類號: G01C21/20;G01C21/16;G01C21/00
• 代理公司: 長沙國科天河知識產權代理有限公司 43225
• 代理人: 邱軼

本發明公開一種基于遙感地圖輔助的無人機自主定位方法及系統，該方法采用慣性/視覺組合里程計對無人機位置和姿態進行連續估計，在慣性/視覺組合里程計的基礎上，還加入匹配定位算法，通過將相機圖中的視覺特征與遙感地圖的視覺特征進行匹配定位，消除慣性/視覺組合里程計中位置和姿態的積累誤差；在匹配定位算法中利用慣性/視覺組合里程計估計的特征三維坐標信息對正確的匹配點進行篩選，提升了匹配定位算法的精度；此外，采用位姿圖優化目標函數，將慣性/視覺組合里程計估計的導航結果和匹配定位算法解算的導航結果進行融合，提升了導航系統的整體精度。本發明提供的方法具有導航參數連續輸出、導航誤差不隨時間積累等優點。

技術領域

本發明涉及自主導航技術領域，尤其是一種基于遙感地圖輔助的無人機自主定位方法及系統。

背景技術

定位系統是無人機載體順利完成任務的重要保障。目前，在無人機中廣泛使用的定位方式是“慣性+衛星（無線電）”組合導航。衛星導航和無線電導航信號極易被干擾，過分依賴于衛星或無線電導航對無人機的導航系統存在巨大的潛在風險。因此，利用自身攜帶的傳感器，實現自主定位，對無人機具有重要的意義和廣泛的應用前景。

慣性/視覺組合里程計是一種廣泛使用的無人機自主定位方法，它利用慣性傳感器具有尺度敏感特性、輸出頻率高、動態性好等優點和視覺傳感器測量精度高的優點對無人機的導航參數進行估計。慣性/視覺組合里程計在估計無人機導航參數的同時，也能夠將觀測到的圖像特征進行三維重建。然而，視覺/慣性組合里程計的定位誤差將隨無人機飛行的行程而積累，這嚴重制約了視覺/慣性組合里程計的精度。

發明內容

本發明提供一種基于遙感地圖輔助的無人機自主定位方法及系統，用于克服現有技術中慣性/視覺組合導航方法中無人機位置誤差隨時間積累等缺陷。

為實現上述目的，本發明提出一種基于遙感地圖輔助的無人機自主定位方法，包括：

根據無人機飛行任務，載入無人機飛行區域的遙感地圖并對所述遙感地圖進行離線預處理，獲得所述遙感地圖的特征描述向量；

利用機載相機輸出的相機圖和慣性測量單元的輸出，構建慣性/視覺組合里程計，利用所述慣性/視覺組合里程計求解無人機的位置和姿態，并估計所述相機圖中視覺特征在導航坐標系中的三維坐標，根據所述三維坐標建立所述相機圖視覺特征的特征描述向量；

利用匹配定位算法將所述相機圖視覺特征的特征描述向量與所述遙感地圖的特征描述向量進行特征匹配，并根據匹配關系解算出無人機的位置和姿態；

利用所述慣性/視覺組合里程計求解的無人機的位置和姿態，以及根據匹配關系解算出的無人機的位置和姿態，構建無人機位姿圖優化目標函數，從而對無人機的位置和姿態進行優化。

為實現上述目的，本發明還提出一種基于遙感地圖輔助的無人機自主定位系統，包括：

遙感地圖模塊，用于根據無人機飛行任務，載入無人機飛行區域的遙感地圖并對所述遙感地圖進行離線預處理，獲得所述遙感地圖的特征描述向量；

慣性/視覺組合里程計模塊，用于利用機載相機輸出的相機圖和慣性測量單元的輸出，構建慣性/視覺組合里程計，利用所述慣性/視覺組合里程計求解無人機的位置和姿態，并估計所述相機圖中視覺特征在導航坐標系中的三維坐標，根據所述三維坐標建立所述相機圖視覺特征的特征描述向量；

特征匹配模塊，用于利用匹配定位算法將所述相機圖視覺特征的特征描述向量與所述遙感地圖的特征描述向量進行特征匹配，并根據匹配關系解算出無人機的位置和姿態；

優化模塊，用于利用所述慣性/視覺組合里程計求解的無人機的位置和姿態，以及根據匹配關系解算出的無人機的位置和姿態，構建無人機位姿圖優化目標函數，從而對無人機的位置和姿態進行優化。