[发明专利]基于标识点视觉导航与SINS的飞行器路径规划方法及系统

说明书

本发明提供一种基于标识点视觉导航与SINS的飞行器路径规划方法及系统，采用基于标识点的视觉导航与捷联惯性导航结合的组合导航系统实现多旋翼飞行器在具有禁飞区等复杂地形环境中获得最短可导航轨迹的路径规划，其通过PC端地面控制系统实现多旋翼飞行器的远程控制，实时图像与飞行姿态获取，定位信息实时回传；采用基于标识点的视觉导航技术与惯性导航技术构成组合导航系统，实现多旋翼飞行器精确定位；通过比较实时获取图像和板载预存参考图像中标识点的相对位置实现飞行器基于标识点的视觉导航，具有成本低、精度高，可远程控制，可用于室内与室外、二维与三维空间环境等优点。经过测试验证，该路径规划系统与方法的精度达到±10cm。

技术领域

本发明涉及控制工程技术、导航技术、定位技术与路径规划技术领域，特别涉及一种基于标识点视觉导航与SINS的飞行器路径规划方法及系统。

背景技术

在移动机器人与飞行器、交通网络、3D路径规划与动态最短路径问题等领域，路径规划都是热门话题，而其技术基础就是精确定位。目前，惯性导航系统(InertialNavigation System，INS)、全球卫星定位系统(Global Positioning System，GPS)与视觉导航是应用最为广泛的导航系统。INS是利用惯性传感器(陀螺仪与加速度计)、基准方位及初始位置信息确定载体方位、位置与速度的自主式导航系统，其通常分为平台惯性导航系统(Platform Inertial Navigation System，PINS)与捷联惯性导航系统(Strap-downInertial Navigation System，SINS)两类。PINS将惯性传感器安装在稳定的平台上，并以其为基准测量载体运动参数；SINS直接将惯性传感器安装在载体上，利用计算机完成载体的跟踪保持。INS是一种不依赖外部信息的自主式导航系统，具有较强的自主性并可提供较为全面的导航信息。但是，由于定位误差随时间积累，其难以独立完成长时间高精度定位。GPS由分布在6个轨道平面的导航卫星、地面监控与用户设置等部分构成，其是一个实时卫星导航系统。它可以在全球范围内任何天气条件下实现高精度的三维定位、测速与测定姿态，且定位误差不随时间累积。但是，GPS接收机工作状态受载体机动性影响较大。此外，GPS卫星并没有完全覆盖地球，并且不能在室内环境中使用。由此可见，INS与GPS具有良好的互补性。视觉导航依靠载体获取的实时视觉图像，利用图像处理与模型识别等技术获取载体的运动信息与空间位置信息。作为一种被动导航系统，视觉导航不容易被其他信号干扰而导致导航中断。

传统路径规划方法如动态规划法、A*算法等需要搜索全部飞行空间，并行处理效果较差；Voronoi图、模拟退火算法、遗传算法与神经网络等算法无法适应优化目标的动态变化，路径规划时间长，常用于离线方式。当前较常用的路径规划方法在鲁棒性、处理速度、实时性与稳定性上存在不同缺陷，很多算法无法扩展到三维路径实时规划。此外，基于视觉的路径规划方法中，若飞行器在飞行过程中目标点丢失，通常将无法实现按预定规划路径飞行。

发明内容

为了解决背景技术中所述问题，本发明提供一种基于标识点视觉导航与SINS的飞行器路径规划方法及系统，采用基于标识点的视觉导航与捷联惯性导航结合的组合导航系统实现多旋翼飞行器在具有禁飞区等复杂地形环境中获得最短可导航轨迹的路径规划，具有成本低、精度高，可远程控制，可用于室内与室外、二维与三维空间环境等优点。经过测试验证，该路径规划系统与方法的精度达到±10cm。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种基于标识点视觉导航与SINS的飞行器路径规划方法，包括如下步骤：