[发明专利]一种无人机自主导航系统及导航方法

摘要

本发明公开了一种无人机自主导航系统及导航方法，所述系统包括参数导航模块、雷达导航模块、中央处理模块、信息储存模块和航向控制模块，其中，所述参数导航模块包括GPS接收器、角速率陀螺、IMU模块、舵偏电位计、图像采集器和计时器；所述导航方法如下进行：当GPS信号不稳定或短暂丢失时，利用参数导航模块输出的状态参数在中央处理模块中处理，得到飞行参数；当GPS信号长时间丢失且无法利用参数导航模块导航时，利用雷达导航模块进行导航；当GPS信号长时间丢失、参数导航模块失效且无法接收到雷达信号时，利用中央处理模块进行路径规划；本发明所提供的系统和方法能够在无GPS信号下为无人机提供准确导航。

主权项

1.一种无人机自主导航的方法，用于进行无GPS信号的情况下的导航，利用无人机自主导航系统进行导航，其特征在于，当GPS信号稳定或未丢失时，GPS接收器接收GPS信号，并将其传送到中央处理模块(3)，中央处理模块(3)将接收到的信号与缓存器(42)中的局部环境地理信息实时同步并实时输出航向信息到航向控制模块(5)，进行导航；当GPS信号不稳定或丢失不超过10s，中央处理模块(3)接收到参数导航模块(1)传输的GPS信号、俯仰舵偏角、偏航舵偏角、俯仰角速率、偏航角速率、俯仰角和偏航角，并利用运动状态估计子模块(31)进行处理，得到无人机的飞行参数，并将飞行参数输出给航向控制模块(5)，进行导航；当GPS信号长时间丢失10s以上时，采用雷达导航模块(2)输出航向信息：雷达导航模块(2)校验己方船舰，并输出位置请求指令，中央处理模块(3)接收到来自己方船舰的航向信息后输出给航向控制模块(5)，进行导航；当GPS卫星信号丢失10s以上，且无法接收到雷达信号时，中央处理模块(3)利用路径规划子模块(32)规划航向路径，同时，利用双目避障子模块(33)协助避开障碍物，在路径规划子模块(32)和双目避障子模块(33)共同作用下输出航向信息，并实时将航向信息输出给航向控制模块(5)，进行导航；所述无人机自主导航系统包括参数导航模块(1)，用于在GPS信号不稳定或短暂丢失时输出无人机的状态参数；其中，所述参数导航模块(1)包括GPS接收器(11)、角速率陀螺(12)、IMU模块(13)、舵偏电位计(14)、图像采集器(15)和计时器(16)；雷达导航模块(2)，用于在GPS信号长时间丢失，且参数导航模块失效时，向就近己方船舰请求航向信息，同时将航向信息输出给中央处理模块(3)；所述雷达导航模块(2)包括雷达通信装置(21)和雷达校验装置(22)；中央处理模块(3)，用于在GPS信号长时间丢失、参数导航模块失效，且无法接收到雷达信号时，规划出一条从当前地点到目标点的航向路径，并将所述航向路径输出给航向控制模块(5)；在中央处理模块(3)内集成有运动状态估计子模块(31)、路径规划子模块(32)和双目避障子模块(33)；所述运动状态估计子模块(31)包括当前参数处理模块(311)和未来参数估计模块(312)；所述当前参数处理模块(311)进行如式(1‑1)和式(1‑2)所示处理：β(k)＝ψ(k)‑arctan(V_z(k)/V_x(k))  式(1‑2)；其中，α(k)为无人机当前时刻的攻角，β(k)为无人机当前时刻的侧滑角，采用的和ψ(k)为IMU模块（13）实时输出的实际值；当k为0时，V_x(0)、V_y(0)和V_z(0)为GPS接收器(11)的输出数据；当k大于0时，V_x(k)、V_y(k)和V_z(k)为未来参数估计模块(312)处理得到的估计数据重新传输给当前参数处理模块(311)进行数据更新；所述未来参数估计模块(312)包括状态空间子模块(3121)、离散化空间子模块(3122)、离散数据预处理子模块(3123)和离散数据后处理子模块(3124)；在状态空间子模块(3121)中，所述状态空间包括俯仰方向状态空间和偏航方向状态空间，所述俯仰方向状态空间和偏航方向状态空间分别如式(2‑1)和式(2‑2)所示：其中，α表示攻角，表示攻角速率，表示俯仰角速率，表示俯仰角加速率，δ_e表示俯仰舵偏角；β表示侧滑角，表示侧滑角速率，表示偏航角速率，表示偏航角加速率，δ_r表示偏航舵偏角；动压其中，ρ为空气密度，V为无人机的总速度，J_z和J_y表示转动惯量，参考面积S是指无人机的翼平面的投影面积，参考长度L是指无人机的翼的平均气动弦长，质量m是指无人机的质量；为由攻角引起的俯仰力矩系数，为由攻角生成的俯仰力系数，为由滚转角速率引起的偏航力矩系数，为侧滑角引起的偏航力矩系数，为由升降舵生成的俯仰力系数；为由侧滑角引起的偏航力矩系数，为由侧滑角生成的偏航力系数，为由偏航角速率引起的偏航力矩系数，为由方向舵引起的偏航力矩系数，为由方向舵生成的偏航力系数；信息储存模块(4)，用于储存从起始点到目标点的环境地理信息，并将其输出给中央处理模块(3)；所述信息储存模块(4)包括信息储存器(41)和缓存器(42)，其中，信息存储器(41)用于储存从起始点到目标点的全部环境地理信息，并将其中的局部地理信息按照中央处理模块(3)的指令存储到缓存器(42)中；和航向控制模块(5)，用于接收中央处理模块(3)输出的信息，进行导航；其中，所述短暂是指不超过10s，所述长时间是指10s以上。