[發明專利]一種無人機多維航跡表達及生成方法

在審

• 申請號: 202210918620.8
• 申請日: 2022-08-01
• 公開（公告）號: CN115202383A
• 公開（公告）日: 2022-10-18
• 發明（設計）人: 謝晉東;張矚熹;楊翔;楊軍;羅汐;于重
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學;中央軍委后勤保障部信息中心
• 主分類號: G05D1/08
• 分類號: G05D1/08;G05D1/10
• 代理公司: 北京永創新實專利事務所 11121
• 代理人: 周長琪;易卜

本發明公開了一種無人機多維航跡表達及生成方法，屬于無人機導航領域；具體為首先，在電子地圖上規劃無人機的航跡規劃，輸出各航跡點的大地坐標系下的絕對坐標，作為第一層維度；然后，建立導航坐標系，利用大地坐標系與地心地固坐標系的互換，計算各航跡點相對于基準點的方位角、俯仰角和距離作為第二層維度；通過先驗知識補充航跡規劃的空間中地形地貌中的視覺特征點坐標作為控制點，計算各航跡點與周圍范圍內各個控制點之間的方位角、俯仰角和距離作為第三層維度；最后，將各航跡點在導航坐標系中的三維度航跡表達式進行裝訂，輸出多維航跡描述文件，上傳到無人機進行飛行引導。本發明增強了無人運動平臺的航跡跟蹤保持和智能化導航避障能力。

技術領域

本發明屬于無人機導航領域，具體是一種無人機多維航跡表達及生成方法，用于提升無人機的智能化水平，使其更加適用于道路應急勘察任務。

背景技術

我國整體地形復雜，氣候環境多變，自然災害頻繁發生。自然災害發生后，為了應急搶險，需要及時掌握目標區域道路交通的情況和損毀程度等信息。無人機由于具有靈活機動、高度自主、全天候執行任務的特點，能較好的適應道路應急勘察的應用場景。

但是，自然災害及其引發的塌方與山體滑坡等次生災害、建筑物遮擋與電子信號干擾等人為因素，可能會造成任務區域的通信基站供電不足甚至中斷、通信線路故障，再結合極端氣象和地形遮擋帶來的衛星定位信號較差的情況，對無人機執行應急道路勘察任務造成了巨大障礙。

目前無人機的航跡描述與表達方式主要為：基于大地坐標系的空間點三維坐標集合(經度、緯度和高度)。無人機在飛行過程中的定位和航跡跟蹤飛行控制，則主要依靠全球導航衛星系統(GNSS)。GNSS系統是一種利用衛星的偽距、星歷、衛星發射時間等觀測量和用戶鐘差，在地球表面或近地空間的任何地點為載體，提供全天候的三維坐標和速度以及時間信息的空基無線電導航定位系統。

在道路應急勘查任務中，會存在GNSS衛星信號失效的情況，一旦失效則會導致無人機失靈甚至墜落，造成重大經濟損失和任務失敗。因此，開展GNSS失效情況下的無人機自主導航研究，提高無人機導航可靠性，具有重要且迫切的應用需求。

慣性導航技術利用陀螺儀、加速度計等慣性測量單元輸出載體沿軸向的旋轉角速度和相對慣性空間所受力，在數學平臺進行導航解算得到載體的速度、姿態和位置信息。雖然慣性導航短時間內精度高，但誤差會隨時間積累，不能滿足無人機的導航需求。

純視覺導航技術有兩個分支：一是視覺里程計(VO)技術，側重于利用連續圖像幀之間的位姿增量進行路徑積分，二是視覺同步定位與構圖(VSLAM)技術，側重于全局路徑和地圖的優化估計。純視覺導航算法存在無法避免的固有缺點：依賴于場景的紋理特征、易受光照條件影響、難以處理快速旋轉運動、更新速率低及延遲大等。

為了提高視覺導航系統的穩定性，引入慣性信息，產生了視覺/慣性組合導航技術；但在復雜條件下組合導航技術的可靠性還有待加強：一方面，慣性器件與視覺傳感器的信息源質量較低，信息融合算法大多基于靜態場景假設且仍存在濾波狀態發散或狀態收斂到錯誤值的情況；另一方面，目前的組合導航技術更側重于定位與導航參數的估計，對于引導、控制、航跡描述等方面關注較少。

發明內容

針對無人機執行應急勘測任務時，GNSS信號不穩定無法精確定位以完成導航的問題，本發明提出了一種無人機多維航跡表達及生成方法，著眼于航跡規劃后與無人機起飛前之間的階段，通過融合大地坐標系、以測控點為原點的站點坐標系和航跡途徑中的視覺特征控制點，形成多維航跡的混合表達，輔助判斷GNSS是否失效或是否受到欺騙，并作為補充導航方式與位置數據融合的輸入參數，進一步增強無人運動平臺的航跡跟蹤保持和智能化導航避障能力。

所述無人機多維航跡表達及生成方法，具體步驟如下：

步驟一、在電子地圖上對無人機需要執行的應急勘查道路進行航跡規劃，輸出各航跡點的大地坐標系坐標，組成坐標集合(B,L,H)，作為航跡表達式的第一維度；