[发明专利]一种仿信鸽地貌感知归巢机制的无人机自主导航方法

说明书

本发明公开一种仿信鸽地貌感知归巢机制的无人机自主导航方法，步骤如下：步骤一、初始化环境场，训练神经网络；步骤二、仿信鸽地貌感知行为的目标检测；步骤三、仿信鸽地标导航的无人机位姿估计与建图；步骤四、3D点云分割；步骤五、数据融合；步骤六、仿信鸽动态感知的地标类别判定；步骤七、仿信鸽感知决策的飞行路径更新；步骤八、输出飞行路径。本发明可以实现无人机在应用场景下的自主导航，同时实现了建立高级的、具有地标信息的地图的功能，增加无人机对环境的感知和交互能力；此外，利用目标识别得到的语义信息消除位姿估计模块中运动目标带来的干扰，提高无人机定位与导航的准确性和鲁棒性。

技术领域

本发明是一种仿信鸽地貌感知归巢机制的无人机自主导航方法，属于导航技术领域。

背景技术

近年来，有关无人机(Unmanned Aerial Vehicles，UAV)的研究有了很大的进展，无论是在军事领域还是生活领域，无人机的应用都愈加广泛，无人机的导航技术也成为了无人机发展中的重要一环。以往，无人机主要依靠全球定位系统(Global PositionSystem，GPS)和惯性导航系统(Inertial Navigation System，INS)进行导航，然而，导航过程中惯性器件具有累计误差，对初始值过于敏感，而GPS并不总是可获取的，满足不了无人机导航的需要。

计算机视觉技术和摄像机硬件的发展使视觉导航方式成为了可能。与传统导航方式相比，摄像机善于捕捉运动信息，可以提高导航的精度；摄像机带来的视觉信息可以提高无人机对于复杂环境的认知能力和交互能力，使得导航更加智能，增强了导航的鲁棒性；摄像机属于被动传感器，利用的是可见光或红外光这种自然信息，在军事侦查上隐蔽性更好。视觉导航作为一种有效的导航方案，被越来越多的应用在机器人、无人驾驶汽车、增强现实等诸多领域。

信鸽因其出色的导航能力，吸引了国内外众多学者进行着长期深入的研究。实验表明，信鸽拥有一套属于自身的导航系统，主要导航方式有地磁导航和地标导航两种。在地磁导航模式中，信鸽视网膜中的隐花色素作为色素分子可以接受蓝光，吸收蓝光后隐花色素蛋白会触发一个电子从供体传到受体，形成自旋相关的单线态自由基电子。当自由基处于中间态时就像一个开关，调控单线态和三线态两种产物的平衡，而微弱的地磁场能够打破这种平衡。同样存在于信鸽视网膜中的MagR(磁感应受体蛋白)也是一种磁感受体。这种磁感应受体蛋白在溶液中会与隐花色素蛋白形成一个棒状的复合体，这一复合体在磁场作用下具有明显的磁性表现。地磁场效应不仅取决于磁场的强度，还与其方向有关，这些生理基础构成了磁罗盘，使得信鸽可以通过磁罗盘进行定位和导航。

当信鸽距离目标点较近时，将不再单纯采用地磁导航的方式飞向终点，而是利用视觉地标信息进行导航，即“地貌感知”导航阶段。研究人员通过记录信鸽在飞行过程中的脑电波发现，信鸽在接近标志性建筑物时，脑电波会出现高频段和中频段的激活。其中，高频段对应信鸽大脑的信息处理，中频段对应视觉的感知。用GPS跟踪记录信鸽的归巢，发现那些熟悉放飞地点的信鸽要比那些首次用于实验的信鸽归巢速度快，效率高；被重复放飞的信鸽会遵循固定的飞行路线归巢。这表明信鸽在导航过程中会利用熟悉的地标来定位。这些实验结果为信鸽的视觉地标导航机制提供了佐证。相较于群体飞行，信鸽在进行个体飞行时对地标信息的依赖更加明显。参考地标信息进行导航的方式使得信鸽的归巢轨迹更短，减少了在终点附近的盘旋，提高了导航的准确性。

信鸽具有一定的生物智能，可以通过对周围地标的视觉信息、位置信息进行学习来适应环境，为归巢提供导航信息。经过对地标视觉信息的反复学习和记忆，在鸽房附近形成了“即时归巢区域”。在即时归巢区域中，信鸽主要依赖“地貌感知”进行导航，而不采用地磁的导航方式。信鸽对即时归巢区域内的特殊地标具有视觉识别能力，当信鸽识别到记忆中的地标时，地标的位置信息将会对信鸽的飞行进行指导与修正，使得信鸽顺利归巢。信鸽的“地貌感知”导航机制与无人机的自主导航技术需求相关联。