淺談GPS 失效下的無人機(jī)組合導(dǎo)航系統(tǒng)論文
近幾年，民用無人機(jī)的研究有了很大的進(jìn)展，應(yīng)用也越來越廣泛，可用于氣象探測(cè)、災(zāi)害監(jiān)測(cè)、農(nóng)藥噴灑、地質(zhì)勘測(cè)等諸多領(lǐng)域。目前民用無人機(jī)的主要導(dǎo)航方式為GPS 導(dǎo)航，由于各種原因，GPS存在失效的情況，一旦GPS 失效則會(huì)導(dǎo)致無人機(jī)失去控制，從而丟失或墜落，造成重大經(jīng)濟(jì)損失和地面人員傷害。因此，開展GPS 失效下的民用無人機(jī)自主導(dǎo)航研究，提高無人機(jī)自主導(dǎo)航可靠性，擴(kuò)展其應(yīng)用領(lǐng)域，具有十分可觀的應(yīng)用前景。
慣性導(dǎo)航系統(tǒng)( inertial navigation system， INS)工作時(shí)不需要從外界接受信息，也不會(huì)向外輻射信息，可完全自主地進(jìn)行連續(xù)導(dǎo)航，因而自其出現(xiàn)以來備受關(guān)注。然而， INS 的導(dǎo)航誤差會(huì)隨著時(shí)間的增長而不斷增加，難以滿足長時(shí)間高精度導(dǎo)航定位的要求。隨著光學(xué)攝像技術(shù)和圖像處理技術(shù)的發(fā)展，利用視覺信息估計(jì)運(yùn)動(dòng)參數(shù)實(shí)現(xiàn)無人機(jī)機(jī)器視覺導(dǎo)航，在國內(nèi)外受到越來越廣泛地關(guān)注。盡管機(jī)器視覺導(dǎo)航具有諸多優(yōu)勢(shì)，但僅使用視覺導(dǎo)航存在作用范圍小、數(shù)據(jù)更新率低等問題，并且長距離導(dǎo)航時(shí)系統(tǒng)的定位誤差隨距離增加呈非線性增長。
由于單一導(dǎo)航技術(shù)不同程度地存在各種缺點(diǎn)，因此，現(xiàn)代導(dǎo)航技術(shù)經(jīng)常采用將兩種以上導(dǎo)航方式相結(jié)合的組合導(dǎo)航方法。無人機(jī)上一般都裝備有INS 和高清相機(jī)�？衫脠D像處理技術(shù)處理相機(jī)實(shí)時(shí)拍攝的圖像獲得無人機(jī)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，輔助無人機(jī)的INS 進(jìn)行導(dǎo)航。
這種組合方案可以修正INS 的導(dǎo)航參數(shù)，抑制系統(tǒng)誤差發(fā)散。視覺- 慣性組合導(dǎo)航在無人機(jī)自主導(dǎo)航、自主著陸、空中加油和水下機(jī)器人等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。
本文中所研究的電力巡線無人機(jī)，采用GPS 與捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)( SINS) 組合導(dǎo)航，并且裝備有一臺(tái)CCD 高清相機(jī)。由于INS 高度方向發(fā)散，因此在無人機(jī)上加裝氣壓高度計(jì)。文中主要研究GPS 失效下系統(tǒng)的導(dǎo)航問題，基于系統(tǒng)的硬件配置，采用單目視覺與SINS 組合進(jìn)行導(dǎo)航，并對(duì)該組合導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究。
1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
假設(shè)GPS 完全失效，不考慮GPS 相關(guān)信息。GPS 失效下無人機(jī)組合導(dǎo)航系統(tǒng)由CCD 高清相機(jī)為基礎(chǔ)的單目視覺系統(tǒng)、微小型慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、氣壓高度計(jì)、飛行控制系統(tǒng)、數(shù)傳系統(tǒng)及地面站等組成。以無人機(jī)巡邏路線上的電力基桿塔作為定位點(diǎn)，在基桿塔上設(shè)置容易辨別的特征圖案并將其特征存儲(chǔ)到機(jī)載系統(tǒng)中，事先通過GPS 和北斗系統(tǒng)精確獲得定位點(diǎn)的位置信息。利用機(jī)載的SINS 進(jìn)行導(dǎo)航，經(jīng)過定位點(diǎn)時(shí)，通過安裝在無人機(jī)底部的高清相機(jī)進(jìn)行圖像采集，然后對(duì)定位點(diǎn)特征進(jìn)行識(shí)別，獲得定位點(diǎn)處的位置信息，利用這些位置信息及氣壓高度信息修正SINS 的相關(guān)參數(shù)，防止SINS 導(dǎo)航參數(shù)發(fā)散。
下面定義文中用到的主要坐標(biāo)系。
1) 導(dǎo)航坐標(biāo)系n: 用OnXnYnZn表示，它是慣性導(dǎo)航系統(tǒng)在求解導(dǎo)航參數(shù)時(shí)所采用的參考坐標(biāo)系，本文中選用北—東—地地理坐標(biāo)系作為導(dǎo)航坐標(biāo)系。
2) 機(jī)體坐標(biāo)系b: 用ObXbYbZb表示，原點(diǎn)在無人機(jī)的質(zhì)心上，Xb軸沿?zé)o人機(jī)縱軸向前，Yb軸沿?zé)o人機(jī)橫軸向右，Zb軸垂直平面OXbYb且向下。
3) 相機(jī)坐標(biāo)系c: 用OcXcYcZc表示。相機(jī)安裝在無人機(jī)重心處，鏡頭朝下。坐標(biāo)系原點(diǎn)為相機(jī)光心，Xc軸和Yc軸分別與機(jī)體坐標(biāo)系的Xb軸和Yb軸平行，Zc軸平行于光軸向下。另外還有慣性坐標(biāo)系( i 系) 、理想平臺(tái)坐標(biāo)系( t 系) 、實(shí)際平臺(tái)坐標(biāo)系( p 系) 及坐標(biāo)系間的相互轉(zhuǎn)換等，在此不一一給出。
2 元件誤差模型
慣性器件誤差模型慣性器件包括陀螺儀和加速度計(jì)。陀螺漂移包含3 種分量: 隨機(jī)常值漂移、相關(guān)漂移和不相關(guān)漂移。相關(guān)漂移對(duì)本文中研究的短航程無人機(jī)來講可近似為隨機(jī)常數(shù)，且與隨機(jī)常值漂移相比，這種漂移小1 ～ 2 個(gè)數(shù)量級(jí)，所以陀螺漂移模型簡化為由常值漂移εx、εy、εz和白噪聲分量ωx、ωy、ωz組成的。與陀螺儀漂移模型類似，加速度計(jì)的'漂移也包含上述3 種分量。相關(guān)漂移相對(duì)較小，同時(shí)為了使濾波器的維數(shù)降低，加速度計(jì)的誤差模型簡化為由隨機(jī)常數(shù)漂移x、y和白噪聲分量組成的。
3 仿真研究
為驗(yàn)證GPS 失效下巡線無人機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)的有效性，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。首先利用Matlab 生成無人機(jī)運(yùn)動(dòng)模型，并設(shè)計(jì)一條主要包括定高巡航狀態(tài)的航跡。
仿真中陀螺儀常值誤差為0. 001 rad /s，噪聲均方根為0. 01 rad /s; 加速度計(jì)常值誤差為0. 001 m/s2，噪聲均方根為0. 01 m/s2 ; 氣壓高度計(jì)分辨率為0. 1 m，噪聲均方根為1 m。初始平臺(tái)失準(zhǔn)誤差分別為30″、30″和50″。
其中系統(tǒng)1 為本文中提出的基于單目視覺、氣壓高度計(jì)輔助SINS 的組合導(dǎo)航系統(tǒng)利用Kalman 濾波算法的結(jié)果，系統(tǒng)2 為基于SINS 單獨(dú)導(dǎo)航利用Kalman 濾波算法的結(jié)果，仿真時(shí)間為1 800 s。由于純慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的垂直通道是發(fā)散的，因此仿真中沒有給出組合后的高度方向的仿真結(jié)果。
在GPS 失效的情況下，如果單純使用SINS 進(jìn)行導(dǎo)航，會(huì)出現(xiàn)東向和北向位置誤差不穩(wěn)定甚至發(fā)散的情況，嚴(yán)重影響巡線無人機(jī)系統(tǒng)的導(dǎo)航精度。本文中提出的基于單目視覺、氣壓高度計(jì)與SINS 組合的巡線無人機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)可克服SINS 單一導(dǎo)航的缺點(diǎn)，位置解算結(jié)果穩(wěn)定、收斂，經(jīng)度方向誤差可在1 m 以內(nèi)，緯度方向誤差可在2 m 以內(nèi)，因此該組合導(dǎo)航系統(tǒng)導(dǎo)航結(jié)果較好，可提高無人機(jī)的位置解算精度和速度解算精度。
4 結(jié)論
針對(duì)巡線無人機(jī)工作過程中出現(xiàn)的GPS 失效情況，提出將單目視覺系統(tǒng)、氣壓高度計(jì)、SINS 進(jìn)行組合，構(gòu)成組合導(dǎo)航系統(tǒng)，用以代替單一導(dǎo)航系統(tǒng)。分析了系統(tǒng)的工作原理，建立了系統(tǒng)模型，并進(jìn)行數(shù)值仿真。仿真結(jié)果表明，文中提出的組合導(dǎo)航系統(tǒng)由于引入了多種外部參考信息，具有較好的容錯(cuò)性能，可以提高導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航精度和可靠性。
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