[發(fā)明專利]基于多傳感器融合的無人機位姿估計方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110700271.8
• 申請日: 2021-06-23
• 公開（公告）號: CN113432602B
• 公開（公告）日: 2022-12-02
• 發(fā)明（設計）人: 羅楠;王義峰;霍振鋒;李晟碩;梁婕;盧波;杜欣蔚
• 申請（專利權(quán)）人: 西安電子科技大學
• 主分類號: G01C21/16
• 分類號: G01C21/16;G01S19/49
• 代理公司: 陜西電子工業(yè)專利中心 61205
• 代理人: 陳宏社;王品華

本發(fā)明提出了一種基于多傳感器融合的無人機位姿估計方法，用于復雜環(huán)境中無人機的自主定位，實現(xiàn)步驟是：分別獲取視覺傳感器、IMU和GPS傳感器的數(shù)據(jù)，之后對不同傳感器的數(shù)據(jù)進行處理并構(gòu)建對應的視覺殘差、IMU殘差和GPS殘差，構(gòu)建過程中給IMU殘差和GPS殘差賦予不同的權(quán)重，之后融合不同傳感器的殘差，并使用非線性方法進行優(yōu)化，得到無人機的位姿。本發(fā)明在融合多傳感器數(shù)據(jù)進行無人機位姿求解時，考慮了不同傳感器所獲數(shù)據(jù)之間的差異，提高了無人機的位姿估計精度。

技術(shù)領域

本發(fā)明屬于目標跟蹤技術(shù)領域，特別涉及一種基于多傳感器融合的無人機位姿估計方法，可用于復雜環(huán)境中無人機的自主定位。

背景技術(shù)

無人機位姿估計方法的主要任務是，通過對自身攜帶傳感器獲取到的數(shù)據(jù)進行優(yōu)化處理，從而實現(xiàn)對無人機的定位。在無人機位姿估計中，單目視覺系統(tǒng)通過跟蹤多幅圖像之間的共同特征，利用多視圖幾何關系求解圖像之間的位置和姿態(tài)，在低動態(tài)、場景特征豐富的情況下具有較高的精度；而慣性測量單元IMU具有很好的自主性，受環(huán)境的影響較小。隨著信息科學和通信技術(shù)的發(fā)展，目前已存在大量的位姿估計方法應用于無人機定位。但是，由于沒有環(huán)境先驗信息以及不同傳感器獲取到的數(shù)據(jù)存在不同的噪聲等客觀因素，使得實時精確的定位無人機仍是一個巨大的挑戰(zhàn)。

例如申請公布號為CN111024066A，名稱為“一種無人機視覺-慣性融合室內(nèi)定位方法”的專利申請，公開了一種基于視覺傳感器和IMU融合的無人機位姿估計方法，該方法首先對相機獲取的圖像進行特征點提取，然后對慣性傳感器IMU的測量數(shù)據(jù)進行預積分，得到任意兩幀圖像間無人機的運動軌跡與姿態(tài)，之后緊耦合視覺、慣性里程計對無人機的狀態(tài)進行估計。該方法存在的不足之處是，在利用兩種不同的傳感器數(shù)據(jù)融合求解無人機位姿時，并沒有考慮不同傳感器數(shù)據(jù)帶來的差異，比如不同傳感器中蘊含的噪聲程度以及類型都不大相同，因此所求得的無人機位姿精度不是很高。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種基于多傳感器融合的無人機位姿估計方法，旨在解決現(xiàn)有技術(shù)在融合多傳感器數(shù)據(jù)進行無人機位姿求解時，沒有考慮不同傳感器數(shù)據(jù)之間的差異，從而使得求解的無人機位姿精度較低。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案包括如下步驟：

(1)獲取多傳感器數(shù)據(jù)：

(1a)獲取無人機攜帶的視覺傳感器以10Hz-30Hz的頻率采集M幅不同的地面灰度圖像X＝{X_m|1≤m≤M}，IMU傳感器以100Hz-200Hz的頻率采集N組不同的無人機加速度數(shù)據(jù)A＝{A_n|1≤n≤N}和角速度數(shù)據(jù)W＝{W_n|1≤n≤N}，以及GPS傳感器以20Hz-100Hz的頻率采集不同的Z組無人機位置數(shù)據(jù)G＝{(O_z,L_z,H_z)|1≤z≤Z},其中M≥20，X_m表示第m幅地面灰度圖像，N≥200，A_n、W_n分別表示t時刻無人機的加速度、角速度，Z≥40，O_z、L_z、H_z分別表示t時刻無人機的經(jīng)度值、緯度值、高度值；

(2)計算每個特征點F_c的視覺殘差E_c：

對每幅地面灰度圖像X_m進行特征點提取，得到X對應的特征點集合X'＝{X_m'|1≤m≤M}，并計算特征點集合X_m'中每個特征點F_c的視覺殘差E_c，其中X_m'表示X_m對應的包括C個特征點的特征點子集合F＝{F_c|1≤c≤C}，C≥30；

(3)計算每幅圖像與相鄰圖像對應無人機位置之間的IMU殘差E_(m,m+1)；