[发明专利]一种利用光流传感器和速率陀螺对飞行器状态估计的方法

说明书

(一)技术领域：

本发明属于小型飞行器（Miniature aerial vehicles,MAVs)姿态、飞行速度和高度的测量与估计技术领域，具体涉及一种利用光流传感器和速率陀螺对MAV状态估计的方法。

(二)背景技术：

飞行器主要依靠前视雷达、雷达高度表和升降速度表来测量离地高度和升降速度，而对于小型飞行器来说，激光测距仪(Laser Rangefinders，LRF)和雷达都显得过于笨重。SICKLMS291是一款典型的激光测距仪，一般用于机器人领域，它的质量大约是4.5公斤。用于无人驾驶航空器(Unmanned Aerial Vehicle，UAV)上的最小的合成孔径雷达可能是美国圣地亚实验室(Sandia National Labs)制造的miniSAR，其质量约为4～5公斤，这么重的设备增加了无人机的重量和体积，降低了其续航能力和带载能力。

光流传感器质量小，只有10克左右，完全被动地接收外部光线，无辐射，相对于雷达高度计具有质量小、隐蔽性好的优点，除飞行器的飞行速度、飞行高度、俯仰角速度外，本方法还可以估计出飞行器的攻角、俯仰角、升降速度等其它飞行信息，这些信息有利于帮助MAV完成探测、救灾等特定飞行任务。

（三）发明内容：

1、目的：本发明的目的是提供一种利用光流传感器和速率陀螺对飞行器状态估计的方法，它使用5个光流传感器和1套三轴速率陀螺，体积小、重量轻、功耗小、成本低，便于在小型飞行器上安装布置，不对外辐射电磁信号，提高了飞行器的隐蔽性。

2、技术方案：昆虫在移动时，周围环境的亮度模式在视网膜上形成一系列连续变化的图像，这一系列连续变化的信息不断“流过”视网膜，好像是一种光的“流”，故称这种图像亮度模式的表观运动为光流。国外的某些实验室，已经研制出了光流传感器的物理样机，并利用光流传感器实现了无人驾驶飞行器的自主避障、等高飞行、自动着陆、风速估计、目标检测和空中悬停，这些技术在探测、救灾等方面将有非常重要的应用价值。

根据光流的定义和图1中所示的几何关系，可得出光流的表达式为：

f=vcos2θh+ω---(1)]]>

式中，f为光流(1/s)，v为光流传感器的水平速度(m/s)，h为光流传感器距离地面的高度(m)，θ为光轴与铅垂方向的夹角(rad)，ω为光流传感器的旋转速度(rad/s)。

由式(1)可以看出，光流的测量值与光流传感器的姿态、高度和速度耦合有关，同时光流传感器具有体积小、重量轻、功耗小、成本低、可组网的特点，于是考虑将多个光流传感器固联在飞行器上，结合惯导器件——速率陀螺，利用多传感器的信息融合技术，实现对飞行器姿态信息的估计。光流传感器布置如图2所示。

本发明一种利用光流传感器和速率陀螺对飞行器状态估计的方法，该方法具体步骤如下：

步骤一：针对需要安装光流传感器的飞行器，建立其线化扰动运动学方程；

X·=AX+Bu+w(t)---(2)]]>