[發明專利]封閉堆場無人機導航及智能盤檢方法

在審

• 申請號: 202310056277.5
• 申請日: 2023-01-17
• 公開（公告）號: CN116222557A
• 公開（公告）日: 2023-06-06
• 發明（設計）人: 林德福;仇梓屹;呂軍寧;鄭章雄;孫之問;鄭小波
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: G01C21/16
• 分類號: G01C21/16;G01C21/20;G01S17/86
• 代理公司: 北京康思博達知識產權代理事務所(普通合伙) 11426
• 代理人: 范國鋒

本發明公開了一種封閉堆場無人機導航方法及采用該導航方法的智能盤檢方法，該導航方法通過因子圖優化方法對多個傳感器的觀測值進行融合，獲得無人機實時位姿信息，基于獲得的無人機位姿信息進行導航，所述多個傳感器包括搭載在無人機上的激光雷達、IMU，設置在地面的標識碼，以及設置在無人機上用于檢測標識碼的云臺相機。本發明公開的封閉堆場無人機導航方法，在封閉堆場環境中可長期使用，不易出現失效狀況。

技術領域

本發明涉及一種封閉堆場無人機導航及智能盤檢方法，屬于無人機控制領域。

背景技術

煤炭、礦粉等資源開采后一般置于堆場中，為能實現資源的精準分配、規劃，合理及時地調配、使用，需要定期對庫存區域的煤炭、礦粉等資源進行精準盤查。傳統的堆方盤查方式主要通過手持激光儀器進行數據采集，導致采集角度有限、采集誤差大，且人工作業需要攀高，給作業人員帶來極大的不便與安全風險，因此，提出了無人機智能盤檢系統。

現有技術中，部分無人機智能盤檢系統采用激光雷達方式采集數據，由于封閉堆場底層粉塵較大，在使用激光進行采集時信號容易受到干擾，數據采集準確率低。

此外，部分無人機智能盤檢系統使用視覺信息進行采集，但由于單目采集的視覺信息沒有尺度，因此需要對所采集每一張圖像的位置進行精準記錄，以便后續進行三維重建、分類等數據處理、分析工作，無人機定位是否精準關系到無人機系統的飛行安全，關系到三維重建系統的建模精度，更關系到整個盤檢任務的總體質量，這就需要無人機具有穩定的、可靠的、精確的導航功能，以提供準確的定位。

現有的無人機導航多通過衛星定位與慣性模塊組成的GNSS-INS系統進行，然而，堆場多為封閉環境，封閉環境中GNSS拒止，無法使用，目前，GNSS拒止環境中的導航系統主要有兩種方式，一是使用提前布置于周圍環境中的外源性傳感器完成導航，另一種是使用平臺可搭載的內源性傳感器完成導航。外源性導航主要有UWB系統、VICON系統等。它們的預設硬件成本高、盲區大、保養難度高，工作時容易受到粉塵、環境中金屬等因素干擾影響精度，還存在數據傳輸實時性問題。內源性導航主要使用視覺或激光雷達，其中使用視覺的導航系統，如ORB-SLAM2、VINS-Mono，容易因為封閉堆場內光線變化強烈，特征不明顯失效；而又因為無人機為不同于陸地輪式機器人的三維運動，也使得使用激光雷達的系統，如LOAM、LeGO-LOAM、LIO-SAM、FAST-LIO、LIOM，更容易失效。

因此，有必要進行更深入的研究，以期獲得一種可靠性高、成本低的封閉堆場無人機智能盤檢方法。

發明內容

為了克服上述問題，本發明人進行了深入研究，一方面，提出了一種封閉堆場無人機導航方法通過因子圖優化方法對多個傳感器的觀測值進行融合，獲得無人機實時位姿信息，基于獲得的無人機位姿信息進行導航。

進一步地，所述多個傳感器包括搭載在無人機上的激光雷達、IMU，設置在地面的標識碼，以及設置在無人機上用于檢測標識碼的云臺相機。

進一步地，在因子圖中設置有多個因子，包括：

IMU預計分因子，用于根據IMU檢測值，獲得相鄰k-1與k時刻無人機狀態的變化量；

激光雷達因子，用于根據激光雷達檢測值，獲得相鄰k-1與k時刻無人機狀態的變化量；

標識碼因子，用于根據云臺相機檢測的標識碼，獲得相鄰k-1與k時刻無人機狀態的變化量；

標識碼回環因子，用于獲得檢測到相同標識碼的以前j時刻與當前k時之間無人機的位姿變換。

優選地，所述標識碼為ArUco碼。

優選地，對任意K時刻，將K時刻無人機采集到第i號標識碼坐標下的位姿與K+1時刻無人機在采集到第i號標識碼坐標下的位姿變化量作為k時刻到k+1時刻的標識碼因子。