淺談GPS 失效下的無人機組合導航系統論文
近幾年，民用無人機的研究有了很大的進展，應用也越來越廣泛，可用于氣象探測、災害監測、農藥噴灑、地質勘測等諸多領域。目前民用無人機的主要導航方式為GPS 導航，由于各種原因，GPS存在失效的情況，一旦GPS 失效則會導致無人機失去控制，從而丟失或墜落，造成重大經濟損失和地面人員傷害。因此，開展GPS 失效下的民用無人機自主導航研究，提高無人機自主導航可靠性，擴展其應用領域，具有十分可觀的應用前景。
慣性導航系統( inertial navigation system， INS)工作時不需要從外界接受信息，也不會向外輻射信息，可完全自主地進行連續導航，因而自其出現以來備受關注。然而， INS 的導航誤差會隨著時間的增長而不斷增加，難以滿足長時間高精度導航定位的要求。隨著光學攝像技術和圖像處理技術的發展，利用視覺信息估計運動參數實現無人機機器視覺導航，在國內外受到越來越廣泛地關注。盡管機器視覺導航具有諸多優勢，但僅使用視覺導航存在作用范圍小、數據更新率低等問題，并且長距離導航時系統的定位誤差隨距離增加呈非線性增長。
由于單一導航技術不同程度地存在各種缺點，因此，現代導航技術經常采用將兩種以上導航方式相結合的組合導航方法。無人機上一般都裝備有INS 和高清相機。可利用圖像處理技術處理相機實時拍攝的圖像獲得無人機的運動參數，輔助無人機的INS 進行導航。
這種組合方案可以修正INS 的導航參數，抑制系統誤差發散。視覺- 慣性組合導航在無人機自主導航、自主著陸、空中加油和水下機器人等領域得到了廣泛應用。
本文中所研究的電力巡線無人機，采用GPS 與捷聯慣性導航系統( SINS) 組合導航，并且裝備有一臺CCD 高清相機。由于INS 高度方向發散，因此在無人機上加裝氣壓高度計。文中主要研究GPS 失效下系統的導航問題，基于系統的硬件配置，采用單目視覺與SINS 組合進行導航，并對該組合導航系統進行了仿真研究。
1 系統總體設計
假設GPS 完全失效，不考慮GPS 相關信息。GPS 失效下無人機組合導航系統由CCD 高清相機為基礎的單目視覺系統、微小型慣性導航系統、氣壓高度計、飛行控制系統、數傳系統及地面站等組成。以無人機巡邏路線上的電力基桿塔作為定位點，在基桿塔上設置容易辨別的特征圖案并將其特征存儲到機載系統中，事先通過GPS 和北斗系統精確獲得定位點的位置信息。利用機載的SINS 進行導航，經過定位點時，通過安裝在無人機底部的高清相機進行圖像采集，然后對定位點特征進行識別，獲得定位點處的位置信息，利用這些位置信息及氣壓高度信息修正SINS 的相關參數，防止SINS 導航參數發散。
下面定義文中用到的主要坐標系。
1) 導航坐標系n: 用OnXnYnZn表示，它是慣性導航系統在求解導航參數時所采用的參考坐標系，本文中選用北—東—地地理坐標系作為導航坐標系。
2) 機體坐標系b: 用ObXbYbZb表示，原點在無人機的質心上，Xb軸沿無人機縱軸向前，Yb軸沿無人機橫軸向右，Zb軸垂直平面OXbYb且向下。
3) 相機坐標系c: 用OcXcYcZc表示。相機安裝在無人機重心處，鏡頭朝下。坐標系原點為相機光心，Xc軸和Yc軸分別與機體坐標系的Xb軸和Yb軸平行，Zc軸平行于光軸向下。另外還有慣性坐標系( i 系) 、理想平臺坐標系( t 系) 、實際平臺坐標系( p 系) 及坐標系間的相互轉換等，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。陀螺漂移包含3 種分量: 隨機常值漂移、相關漂移和不相關漂移。相關漂移對本文中研究的短航程無人機來講可近似為隨機常數，且與隨機常值漂移相比，這種漂移小1 ～ 2 個數量級，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，加速度計的'漂移也包含上述3 種分量。相關漂移相對較小，同時為了使濾波器的維數降低，加速度計的誤差模型簡化為由隨機常數漂移x、y和白噪聲分量組成的。
3 仿真研究
為驗證GPS 失效下巡線無人機導航系統的有效性，進行仿真實驗。首先利用Matlab 生成無人機運動模型，并設計一條主要包括定高巡航狀態的航跡。
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; 加速度計常值誤差為0. 001 m/s2，噪聲均方根為0. 01 m/s2 ; 氣壓高度計分辨率為0. 1 m，噪聲均方根為1 m。初始平臺失準誤差分別為30″、30″和50″。
其中系統1 為本文中提出的基于單目視覺、氣壓高度計輔助SINS 的組合導航系統利用Kalman 濾波算法的結果，系統2 為基于SINS 單獨導航利用Kalman 濾波算法的結果，仿真時間為1 800 s。由于純慣性導航系統的垂直通道是發散的，因此仿真中沒有給出組合后的高度方向的仿真結果。
在GPS 失效的情況下，如果單純使用SINS 進行導航，會出現東向和北向位置誤差不穩定甚至發散的情況，嚴重影響巡線無人機系統的導航精度。本文中提出的基于單目視覺、氣壓高度計與SINS 組合的巡線無人機導航系統可克服SINS 單一導航的缺點，位置解算結果穩定、收斂，經度方向誤差可在1 m 以內，緯度方向誤差可在2 m 以內，因此該組合導航系統導航結果較好，可提高無人機的位置解算精度和速度解算精度。
4 結論
針對巡線無人機工作過程中出現的GPS 失效情況，提出將單目視覺系統、氣壓高度計、SINS 進行組合，構成組合導航系統，用以代替單一導航系統。分析了系統的工作原理，建立了系統模型，并進行數值仿真。仿真結果表明，文中提出的組合導航系統由于引入了多種外部參考信息，具有較好的容錯性能，可以提高導航系統的導航精度和可靠性。
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