[發明專利]一種基于被動反射信標的光導航系統

在審

• 申請號: 202310224618.5
• 申請日: 2023-03-10
• 公開（公告）號: CN116147612A
• 公開（公告）日: 2023-05-23
• 發明（設計）人: 陳培;種柯涵;謝洋;武旭
• 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;G01C21/16
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明提出了一種基于被動反射信標的光導航系統。在導航區域附近部署若干數量的被動反射信標形成組網，在導航用戶上搭載光導航主機，通過主機的合作觀測方法識別被動信標的反射信號頻譜信息與角度信息，進一步從角測量信息中解算出光導航主機的位置與姿態。該方法利用被動信標的反射光信號作為觀測，信標節能壽命長、體積小；利用反射光信號調制搭載頻譜信息，導航速率快、信標隱蔽性強；不依賴其他導航系統的輔助，就可實現位置姿態的同步確定。

技術領域

本發明提出一種基于被動反射信標的光導航系統，它涉及一種新型導航方法的系統組成，屬于導航定位定姿技術領域。

背景技術

全球衛星導航系統(GNSS)是目前最廣泛使用的導航手段，經過多年的技術發展迭代，其優勢非常明顯，可以實現全天候條件下的定位定姿授時。但由于其信號能量較弱，且接收裝置較容易被干擾，導致其在復雜無線電環境中的應用效果具有很大的不確定性。另外，由于其信號穿透能力差，經過物體表面多次反射后會造成誤差，因此僅適用于室外環境，而地下室、停車場等封閉的室內成為GNSS拒止環境。

目前不依賴全球衛星導航系統的導航方法也有很多，主要包括慣性導航(Inertial?Navigation?System,INS)、激光導航(Laser?Navigation?System)、視覺導航(Vision?Navigation)等。其中，視覺導航具有精度高、抗干擾性強、成本低等特點。視覺導航的原理本質是通過圖像處理技術提取相機拍攝圖像中的特征，通過數據庫進行匹配或者同步建圖，通過位姿算法以實現定位定姿的效果。基于特點法的視覺里程計算法是目前較為成熟的導航方案，主要包括特征點的提取、匹配、恢復兩幀圖像間的相對位姿，以及根據2D投影信息恢復3D相機位姿等技術。但是對于特征點的提取、匹配需要提前建立龐大的數據集，對硬件設施、算法性能的要求很高，在經常變化或特征點模糊的復雜場景中應用較為困難。針對這些難題，可以采用人工布設信標的方式，人工布設的合作信標為視覺導航提供高質量的特征點，幫助進一步實現有效、準確的位姿解算。

綜上，基于人工布設合作信標的視覺導航系統具有巨大的研究與應用價值，本發明提出了一種基于被動反射信標的光導航系統，相比現有技術具有能耗低、壽命長、體積小、可靠性高等優點，很適合在有特殊限制(如能量、體積、隱蔽性等方面)的GNSS拒止環境下實現長期導航。

發明內容

(一)發明目的

本發明提出了一種基于被動反射信標的光導航系統。在導航區域附近部署若干被動反射信標，在導航用戶上搭載光導航主機，通過光導航主機的合作觀測方法測量信標的角度信息，進一步從角測量信息中解算出光導航主機的位置與姿態。目的在于提出一種新型導航方案的系統組成和理論基礎，實現無GNSS的全天時位姿確定，豐富現有的導航手段。

(二)技術方案

本發明提出了一種基于被動反射信標的光導航系統，具體的技術方案為：光導航系統組成：光導航主機：成像單元、光束發射器、圖像處理單元、慣性測量單元、位姿解算單元；被動反射信標：角反射器、光敏傳感器、電控光閥、微控制器。

首先在導航需求空間內布置若干被動信標，在沒有主機的情況下，信標處于極低功耗的待機狀態。當攜帶定位主機的用戶進入該空間范圍內時，主機人造光源載體中的光束發射器通過光源擺動振鏡向不同方向發射光束，通過掃描的方式照射目標區域內的被動信標。被動信標上的光敏傳感器感受到光強超過一定閾值將自身的微控制器喚醒，并根據提前設置好的編碼控制電控光閥的透光率。主機上的成像單元同時進行連續拍照。借助角反射器能將入射光以較低的損失原路反射回光源的特性，通過控制光閥的透光率即能控制反射光的亮度，從而使得被動信標在主機相機中的成像隨時間也呈現一定規律的明暗變化。

主機通過處理同一被動信標連續幀的明暗變化，進一步識別信標的編號。同時，主機記錄每個信標成像的光點質心位置，根據單目相機的投影成像模型得到其在主機本體坐標系下的角測量信息。最后，主機綜合處理每個信標的角測量信息，通過位姿解算單元實現用戶位置、姿態的解算。