一種無人機自主導航系統及其導航方法技術方案

本發明專利技術公開了一種無人機自主導航系統及其導航方法，所述系統包括參數導航模塊、雷達導航模塊、中央處理模塊、信息儲存模塊和航向控制模塊，其中，參數導航模塊、雷達導航模塊和信息儲存模塊輸出信息到中央處理模塊，然后任選地進行處理，然后輸出給航向控制模塊，進行導航；所述導航方法如下進行：當GPS信號不穩定或短暫丟失時，參數導航模塊輸出狀態參數到中央處理模塊，進行處理，得到飛行參數；當GPS信號長時間丟失且參數導航模塊失效時，利用雷達導航模塊輸出航向信息；當GPS信號長時間丟失、參數導航模塊失效且無法接收到雷達信號時，利用中央處理模塊進行路徑規劃；本發明專利技術所提供的系統和方法能夠在無GPS信號下為無人機提供準確導航。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及無人機自主導航系統及導航方法，具體地，涉及一種應對無GPS信號情況的無人機自主導航系統。
技術介紹
無人機具有體型小、成本低等優點，而且隨著飛控技術、通信技術和電子技術的快速發展，無人機的性能不斷增強，類型不斷增多，使其在軍用領域和民用領域的應用需求不斷增大，使用率日益增高。但由于無人機平臺的局限性，無法自身判斷航線及飛行路徑，因此真正能實現自主導航飛行的技術很少。目前解決無人機導航的方法有GPS導航，實現起來嚴重依賴GPS衛星信號，遇到信號不穩定或信號丟失的情況，無人機便無法實現自主飛行。
技術實現思路
為了克服上述問題，專利技術人進行了銳意研究，設計出一種無人機自主導航系統，用于應對無GPS信號的情況，從而完成本專利技術。本專利技術一方面提供了一種無人機自主導航系統，用于應對無GPS信號的情況下的導航，具體體現在以下方面：(1)一種無人機自主導航系統，用于應對無GPS信號的情況，其中，所述系統包括參數導航模塊1，用于在GPS信號不穩定或短暫丟失時，向中央處理模塊3輸出無人機的狀態參數；雷達導航模塊2，用于在GPS信號長時間丟失，且參數導航模塊失效時，向就近己方船艦請求航向信息，同時將航向信息輸出給中央處理模塊3；中央處理模塊3，用于在GPS信號長時間丟失、參數導航模塊失效，且無法接收到雷達信號時，規劃出一條從當前地點到目標點的航向路徑，并將所述航向路徑輸出給航向控制模塊5；信息儲存模塊4，用于儲存從起始點到目標點的全部環境地理信息，并將其輸出給中央處理模塊3；和航向控制模塊5，用于接收中央處理模塊3輸出的信息，進行導航；(2)根據上述(1)所述的系統，其中，所述中央處理模塊3還用于接收參數導航模塊1輸出的無人機的狀態參數，并對其處理，優選卡爾曼濾波處理，得到無人機的飛行參數，并將其輸出給航向控制模塊5；所述中央處理模塊3同時還用于接收雷達導航模塊2輸出的航向信息，并將其輸出給航向控制模塊5；(3)根據上述(1)或(2)所述的系統，其中，雷達導航模塊2、信息儲存模塊4和航向控制模塊5均通過現場總線與中央處理模塊3進行通信；優選地，參數導航模塊1、雷達導航模塊2和信息儲存模塊4分別將獲取的信息或參數輸出給中央處理模塊3，中央處理模塊3接收到信息或參數后任選地進行處理，然后輸出給航向控制模塊5，進行導航；(4)根據上述(1)至(3)之一所述的系統，其中，所述參數導航模塊1包括GPS接收器11、姿態傳感器12、磁傳感器13、氣壓高度計14、圖像采集器15和計時器16，其中，所述GPS接收器用于接收GPS信號；所述姿態傳感器用于輸出無人機的姿態參數；所述磁傳感器用于輸出無人機所在位置的地磁參數；所述氣壓高度計用于輸出無人機所在位置的氣壓參數和高度參數；所述圖像采集器用于拍攝環境信息，并進行信息輸出；(5)根據上述(1)至(4)之一所述的系統，其中，所述圖像采集器15包括兩個攝像機和一個三軸云臺；(6)根據上述(1)至(5)之一所述的系統，其中，所述雷達導航模塊2包括雷達通信裝置21和雷達校驗裝置22，其中，所述雷達通信裝置21用于己方船艦與無人機之間的通信，所述雷達校驗裝置22用于校驗己方船艦；(7)根據上述(1)至(6)之一所述的系統，其中，在中央處理模塊3內集成有卡爾曼濾波子模塊31、路徑規劃子模塊32和雙目避障子模塊33；其中，所述卡爾曼濾波子模塊31用于處理參數導航模塊1輸出的無人機的狀態參數，以在GPS信號不穩定或短暫丟失時進行定位和運動狀態估算，得到無人機的飛行參數；所述路徑規劃子模塊32用于規劃出一條從當前地點到目標點的航向路徑，以在GPS信號長時間丟失、參數導航模塊失效且無法接收到雷達信號時進行航向規劃；所述雙目避障子模塊33用于在GPS信號長時間丟失、參數導航模塊失效、無法接收到雷達信號時，協助無人機躲避航向路徑中的障礙；優選地，在GPS信號長時間丟失、參數導航模塊失效、無法接收到雷達信號時，將路徑規劃子模塊32和雙目避障子模塊33聯用輸出航向信息；(8)根據上述(1)至(7)之一所述的系統，其中，所述信息儲存模塊4包括信息儲存器41和緩存器42，其中，所述信息存儲器41用于儲存從起始點到目標點的全部環境地理信息，并將其中的局部環境地理信息按照中央處理模塊的指令存儲到緩存器42中；所述緩存器42用于存儲被緩存的局部環境地理信息；所述局部地理信息是指無人機當前位置5km范圍內的環境地理信息。本專利技術另一方面還公開了一種無人機自主導航的方法，具體體現在：(9)一種無人機自主導航的方法，優選利用上述(1)至(8)之一所述的無人機自主導航系統進行導航，其中，在無人機起飛前，將起始點到目標點的全部環境地理信息儲存于信息儲存器41中，中央處理模塊3輸出指令，令信息儲存器41將局部地理信息傳送到緩存器42中，以在長時間無GPS信息時利用緩存的局部環境地理信息進行航向路徑的規劃；和/或在無人機起飛前，將己方船艦雷達信息存儲在雷達導航模塊2的雷達校驗裝置22中，以進行己方船艦的校驗；(10)根據上述(9)所述的系統，其中，當GPS信號穩定或未丟失時，GPS接收器接收GPS信號，并將其傳送到中央處理模塊3，中央處理模塊3將接收到的信號與緩存器42中的局部環境地理信息實時同步并實時輸出航向信息到航向控制模塊5，進行導航；當GPS信號不穩定或短暫丟失時(GPS信號丟失不超過20s)，中央處理模塊3接收到參數導航模塊1傳輸的地磁參數、氣壓參數、姿態參數和高度參數，并利用卡爾曼濾波子模塊31進行處理，得到無人機的飛行參數，并實時將飛行參數輸出給航向控制模塊5，以進行導航；當GPS信號長時間丟失并無法利用參數導航模塊導航(GPS信號丟失20s以上)時，采用雷達導航模塊2輸出航向信息：雷達導航模塊2校驗己方船艦，并輸出位置請求指令，中央處理模塊3接收到來自艦船的航向信息后輸出給航向控制模塊5，進行導航；當GPS衛星信號長時間丟失、參數導航模塊失效(GPS信號丟失20s以上)、無法接收到雷達信號時，中央處理模塊3利用路徑規劃子模塊32規劃航向路徑，同時，利用雙目避障子模塊33協助避開障礙物，在路徑規劃子模塊32)和雙目避障子模塊33共同作用下輸出航向信息，并實時將航向信息輸出給航向控制模塊5，以進行導航。附圖說明圖1示出本專利技術所述無人機自主導航系統的結構示意圖；圖2示出本專利技術所述卡爾曼濾波子模塊的工作示意圖；圖3示出本專利技術所述無人機自主導航系統的工作流程圖。附圖標記1-參數導航模塊11-GPS接收器12-姿態傳感器13-磁傳感器14-氣壓高度計15-圖像采集器16-計時器2-雷達導航模塊21-雷達通信裝置22-雷達校驗裝置3-中央處理模塊31-卡爾曼濾波子模塊311-參數處理子模塊312-濾波處理子模塊32-路徑規劃子模塊33-雙目避障子模塊4-信息儲存模塊41-信息儲存器42-緩存器5-航向控制模塊具體實施方式下面通過附圖對本專利技術進一步詳細說明。通過這些說明，本專利技術的特點和優點將變得更為清楚明確。本專利技術一方面提供了一種無人機自主導航系統，用于應對無GPS信號情況下的導航，其中，如圖1所示，所述系統包括參數導航模塊1、雷達導航模塊2、中央處理模塊3、信息儲存模塊4和航向控制模塊5。其中，所述參數導航模塊1用于在G本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種無人機自主導航系統，用于應對無GPS信號情況下的導航，其特征在于，所述系統包括參數導航模塊(1)，用于在GPS信號不穩定或短暫丟失時，向中央處理模塊(3)輸出無人機的狀態參數；雷達導航模塊(2)，用于在GPS信號長時間丟失，且參數導航模塊失效時，向就近己方船艦請求航向信息，同時將航向信息輸出給中央處理模塊(3)；中央處理模塊(3)，用于在GPS信號長時間丟失、參數導航模塊失效，且無法接收到雷達信號時，規劃出一條從當前地點到目標點的航向路徑，并將所述航向路徑輸出給航向控制模塊(5)；信息儲存模塊(4)，用于儲存從起始點到目標點的全部環境地理信息，并將其輸出給中央處理模塊(3)；和航向控制模塊(5)，用于接收中央處理模塊(3)輸出的信息，進行導航。

【技術特征摘要】
1.一種無人機自主導航系統，用于應對無GPS信號情況下的導航，其特征在于，所述系統包括參數導航模塊(1)，用于在GPS信號不穩定或短暫丟失時，向中央處理模塊(3)輸出無人機的狀態參數；雷達導航模塊(2)，用于在GPS信號長時間丟失，且參數導航模塊失效時，向就近己方船艦請求航向信息，同時將航向信息輸出給中央處理模塊(3)；中央處理模塊(3)，用于在GPS信號長時間丟失、參數導航模塊失效，且無法接收到雷達信號時，規劃出一條從當前地點到目標點的航向路徑，并將所述航向路徑輸出給航向控制模塊(5)；信息儲存模塊(4)，用于儲存從起始點到目標點的全部環境地理信息，并將其輸出給中央處理模塊(3)；和航向控制模塊(5)，用于接收中央處理模塊(3)輸出的信息，進行導航。2.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述中央處理模塊(3)還用于接收參數導航模塊(1)輸出的無人機的狀態參數，并對其處理，優選卡爾曼濾波處理，得到無人機的飛行參數，并將其輸出給航向控制模塊(5)；所述中央處理模塊(3)同時還用于接收雷達導航模塊(2)輸出的航向信息，并將其輸出給航向控制模塊(5)。3.根據權利要求1或2所述的系統，其特征在于，雷達導航模塊(2)、信息儲存模塊(4)和航向控制模塊(5)均通過現場總線與中央處理模塊(3)進行通信；優選地，參數導航模塊(1)、雷達導航模塊(2)和信息儲存模塊(4)分別將獲取的參數或信息輸出給中央處理模塊(3)，中央處理模塊(3)接收到參數或信息后任選地進行處理，然后輸出給航向控制模塊(5)，進行導航。4.根據權利要求1至3之一所述的系統，其特征在于，所述參數導航模塊(1)包括GPS接收器(11)、姿態傳感器(12)、磁傳感器(13)、氣壓高度計(14)、圖像采集器(15)和計時器(16)，其中，所述GPS接收器用于接收GPS信號；所述姿態傳感器用于輸出無人機的姿態參數；所述磁傳感器用于輸出無人機所在位置的地磁參數；所述氣壓高度計用于輸出無人機所在位置的氣壓參數和高度參數；所述圖像采集器用于拍攝環境信息，并進行信息輸出。5.根據權利要求1至4之一所述的系統，其特征在于，所述圖像采集器(15)包括兩個攝像機和一個三軸云臺。6.根據權利要求1至5之一所述的系統，其特征在于，所述雷達導航模塊(2)包括雷達通信裝置(21)和雷達校驗裝置(22)，其中，所述雷達通信裝置(21)用于己方船艦與無人機之間的通信，所述雷達校驗裝置(22)用于校驗己方船艦。7.根據權利要求1至6之一所述的系統，其特征在于，在中央處理模塊(3)內集成有卡爾曼濾波子模塊(31)、路徑規劃子模塊(32)和雙目避障子模塊(33)；其中，所述卡爾曼濾波子模塊(31)用于處理參數導航模塊(1)輸出的無人機的狀態參數，以在GPS信號不穩定或短暫丟失時進行無人機定位和運動狀態估算，得到無人機的飛行參數；所述路徑規劃子...

【專利技術屬性】
技術研發人員：林時堯，王偉，林德福，王江，裴培，王廣山，
申請(專利權)人：北京理工大學，
類型：發明
國別省市：北京;11