[发明专利]基于位置敏感探测器的无人机激光导航系统

说明书

本发明公开了一种基于位置敏感探测器的无人机激光导航系统，包括无人机本体、电源、GPS/IMU定位模块、PSD激光定位模块、主控模块和飞行稳定控制器模块，其中所述GPS/IMU定位模块包括GPS天线、卫星接收机、IMU传感器模块。PSD激光定位模块包括广角光学镜组、PSD传感器、I/V转换电路、放大滤波电路和高速AD采样模块。GPS天线与卫星接收机相连接，PSD激光定位系统以垂直向地方向置于无人机底部，广角光学镜组置于PSD传感器前，PSD传感器与I/V转换电路连接，I/V转换电路与高速AD采样模块连接，卫星接收机、IMU传感器模块、高速AD采样模块分别单独与导航定位主控模块连接。本发明将GPS/IMU粗定位与PSD激光细定相结合，以提高导航定位系统精度与鲁棒性，实现无人机精确导航操作。

技术领域

本发明属于无人机导航技术领域，特别是一种基于位置敏感探测器(positionsensitive detector，PSD)的无人机激光导航系统。

背景技术

导航定位系统是无人机导航技术的核心组成，是无人机完成预设航线飞行与定点起降、悬停动作的关键。目前多数无人机导航系统都采用全球定位系统(GlobalPositioning System，GPS)导航与微机电(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)惯性导航相结合的方式，即在工作时接收卫星定位信号的同时，利用惯性导航组合得出无人机实时位置和姿态信息，以得到与目标的相对位置关系。但是商用GPS定位精度在10m数量级，而惯性导航会因为积分而导致累计误差，因此在某些需要精准定位的场合，这种组合方式无法完全胜任导航工作。同时在某些特殊情况下，飞行环境会使GPS信号丢失，或者使惯性测量单元(Inertial measurement unit，IMU)失效，最终导致导航定位系统将失效。随着无人机不断小型化、轻量化方向发展，其应用场合要求也越发苛刻，对机载导航定位系统的精度、自主性、小型化、低功耗、抗干扰性等要求也不断提高。

文献一(LI J Y,XIU J S,LIN S,et al.Automatic Positioning System ofUAVBased on Artificial Marker[J].Microcontrollers&Embedded Systems,2017,9:29-32)提出了一种基于颜色识别跟踪的无人机视觉导航系统，系统通过图像传感器识别地面定点位置的单一颜色块作为标识物，根据识别到的标识物中心点位置判断无人机与标识物的相对位置，控制无人机不断飞到标识物上空，从而达到精准定位的目的。但该方案具有以下缺点：一是需要预先在目标位置处放置人工标志物，无法做到远距离非接触导航；二是同时图像颜色识别极易受光线、距离、摄像头拍摄效果、背景等影响，从而较大地影响定位探测系统的精确性与鲁棒性。

文献二(LIU K,ZHANG J T,YAN Z G.A method for improving landing errorofUAV automatic return[J].Modern Electronics Technique,2018,41(6):61-64,69)提出了一种改善无人机自动返航降落误差的方法，先通过GPS进行粗定位，使无人机水平飞行到GPS记录的降落点上空，然后打开人工预先布置在停机坪中间的天向摄像头获取无人机图像，利用目标检测算法确定悬停中无人机的位置信息进行细定位，根据位置信息确定无人机所在平面的运动方向，当无人机进行平移时不断计算图像中无人机中心与图像中心的距离，若小于距离误差，则垂直下降，最终使无人机降落在停机坪上，此方法大大提高了无人机在机场的降落定位精度。但是该方案仍有不足：一是受场地与摄像头布置情况、摄像头广角范围限制，且仅能在已布置摄像头区域的有效拍摄区域进行“细”定位；二是该方案采用的目标检测算法同样是基于摄像头拍摄图像，仍极易受光线、距离、摄像头曝光效果等影响。