基于多傳感器信息融合的無人機自主精確導(dǎo)航技術(shù)

基于多傳感器信息融合的無人機自主精確導(dǎo)航技術(shù)

2021/5/911.無人機精確導(dǎo)航技術(shù)的基本概念1.無人機導(dǎo)航系統(tǒng)的主要任務(wù)是確定無人機實時位置和速度等相關(guān)參數(shù)或信息。2.傳統(tǒng)的導(dǎo)航技術(shù)：(1)目前無人機多采用程控或遙控方式進行導(dǎo)航，同時為了保證空中安全，還需將其限制在特定的區(qū)域和高度范圍內(nèi)飛行[1]，這種方式對領(lǐng)航設(shè)備或人員的壓力很大，并且容易丟失目標(biāo)；(2)由于環(huán)境的高度復(fù)雜和動態(tài)不確定性，無人機飛行過程導(dǎo)航采用GPS作為保障，但因GPS具有的多種限制，使得很多特殊情況下無法達到理想的效果。3.基于多傳感器信息融合的精確導(dǎo)航技術(shù):它綜合利用了多種類型傳感器的不同特點，可以多方位全面獲取目標(biāo)不同屬性信息，提高了自主導(dǎo)航系統(tǒng)在時間上和空間上的覆蓋范圍，提高了導(dǎo)航傳感器信息的使用效率并增加了信息的可信度2021/5/922、基于多傳感器信息融合的無人機自主精確導(dǎo)航關(guān)鍵技術(shù)

首先根據(jù)無人機不同任務(wù)的特點和各種載荷確定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，然后結(jié)合特定的輔助傳感器信息和平臺慣導(dǎo)信息進行多傳感器信息融合，以獲取無人機精確導(dǎo)航信息，為飛行控制系統(tǒng)提供可靠輸入。多傳感器信息融合涉及誤差分析和精度分配、聯(lián)合濾波器以及圖像傳感器信息融合等。2021/5/932.1自主導(dǎo)航系統(tǒng)結(jié)構(gòu)無人機自主導(dǎo)航系統(tǒng)必須具有以下能力：(1)自適應(yīng)接收和處理所有可用的導(dǎo)航信息數(shù)據(jù)源；(2)對導(dǎo)航信息進行信息融合，提供精確的位置、速度、加速度和姿態(tài)等導(dǎo)航信息；(3)全系統(tǒng)信息余度控制與優(yōu)化，子系統(tǒng)故障診斷與隔離，提供最優(yōu)的多余度高精度導(dǎo)航信息，提供輔助決策能力。在導(dǎo)航方式的選擇上要滿足系統(tǒng)的可靠性、適應(yīng)性、實時性、精確性、抗干擾性、先進性和技術(shù)成熟度等要求。只有自主導(dǎo)航系統(tǒng)結(jié)構(gòu)得到合理確定，知道過程中依靠什么樣的傳感器以什么樣的方式進行組合，才可以進一步分析實現(xiàn)傳感器信息融合以及自主精確導(dǎo)航等具體問題。2021/5/942.2誤差分析與精度分配技術(shù)1.誤差分析：不同結(jié)構(gòu)的自主導(dǎo)航系統(tǒng)有其特定的工作模式，對于以慣性導(dǎo)航為主體的組合導(dǎo)航系統(tǒng)而言，從無人機平臺主慣導(dǎo)設(shè)備到各輔助導(dǎo)航設(shè)備之間存在多個工作環(huán)節(jié)。各個傳感器測量結(jié)果都滿足一定的精度范圍，各測量參數(shù)最終通過自主導(dǎo)航系統(tǒng)結(jié)構(gòu)所決定的參數(shù)傳遞過程進行數(shù)據(jù)融合，繼而得到實現(xiàn)自主導(dǎo)航所需要的位置、速度、姿態(tài)等重要參數(shù)。這個過程中，每個傳感器參數(shù)的測量誤差都可能對最終結(jié)果造成影響，誤差分析的作用是揭示所涉及各傳感器參數(shù)的測量誤差對最終導(dǎo)航參數(shù)計算結(jié)果的影響方式和影響程度。分析傳感器參數(shù)誤差影響時必須結(jié)合自主導(dǎo)航系統(tǒng)工作過程的具體特點2021/5/952.精度分配技術(shù)：精度分配從本質(zhì)上講是以組合導(dǎo)航諸傳感器測量參數(shù)誤差傳遞過程模型為基礎(chǔ)的精度優(yōu)化過程，其目的是通過合理分配相關(guān)傳感器的精度，使各個傳遞環(huán)節(jié)對應(yīng)的測量精度在符合合理代價的前提下，共同達到自主導(dǎo)航所預(yù)定的精度需求。在根據(jù)自主導(dǎo)航系統(tǒng)結(jié)構(gòu)確定了傳感器測量參數(shù)誤差傳遞過程模型之后，便可以采用各種優(yōu)化方法對問題求解。2021/5/962.3聯(lián)合濾波器技術(shù)組合導(dǎo)航是利用多種傳感器提供的互補信息來提高導(dǎo)航系統(tǒng)的精度和冗余度的技術(shù)。無論采用何種配置（慣性導(dǎo)航、衛(wèi)星導(dǎo)航、雷達、攝像機、多普勒測速儀、高度計等傳感器間的優(yōu)化組合）構(gòu)成組合導(dǎo)航系統(tǒng)，組合導(dǎo)航系統(tǒng)都需要選擇一個最優(yōu)的在線信息融合策略將多種傳感器提供的信息進行有效融合——這正是非線性濾波器在組合導(dǎo)航系統(tǒng)中所起的作用，即非線性濾波是組合導(dǎo)航系統(tǒng)中信息融合的基石。2021/5/972.4圖像傳感器信息融合

基于各種圖像傳感器信息的圖像匹配輔助或視覺信息輔助組合導(dǎo)航是實現(xiàn)無人機智能化、高精度自主導(dǎo)航的主要途徑。從廣義的角度來講，面向無人機自主導(dǎo)航的圖像傳感器信息融合包括多源圖像融合技術(shù)、圖像匹配技術(shù)。2021/5/982.4.1多源圖像融合技術(shù)無人機機載圖像傳感器主要有光電傳感器、紅外傳感器、多光譜傳感器、超光譜傳感器、合成孔徑雷達、激光雷達等。通過不同的傳感器可實現(xiàn)全天時、全天候成像，并能穿透云層、穿透植被和地表。采用圖像融合的方法，將不同傳感器獲得的同一景物的圖像或同一傳感器在不同時刻獲得的同一景物的圖像，經(jīng)過去噪、時間配準(zhǔn)、空間配準(zhǔn)和重采樣后再運用某種融合技術(shù)得到一幅合成圖像。需要重點研究的問題包括機載多傳感器圖像融合預(yù)處理技術(shù)；機載SAR、可見光、紅外圖像融合技術(shù)；圖像融合效果評價；多源異質(zhì)圖像融合新理論和新方法等。2021/5/992.4.2圖像匹配技術(shù)1.圖像匹配是將不同探測器、不同時相、不同角度所獲得的兩幅或多幅圖像進行包括空間意義或時間意義上的最佳對應(yīng)。2.圖像匹配可以看作四種要素的選擇問題：特征空間，搜索空間，搜索策略，相似性度量標(biāo)準(zhǔn)。特征空間指從圖像中提取出來的用來匹配的信息；搜索空間則是指用來校準(zhǔn)圖像的圖像轉(zhuǎn)換集；搜索策略決定如何在搜索空間中選擇下一個轉(zhuǎn)換，如何測試并搜索出最優(yōu)的轉(zhuǎn)換；相似度測量則決定了每一個配準(zhǔn)測試中的相關(guān)特性和相對價值。