[发明专利]局部地图匹配与端到端测距多无人机协同定位系统和方法

说明书

本发明涉及多无人机编队飞行与避碰领域，为实现在保证高精度的自身位置估计同时计算同伴位置。同时，具有良好的鲁棒性和抗干扰能力，可以在测距产生离群值或者地图匹配暂时失效时仍能做到对同伴的位置估计，本发明，局部地图匹配与端到端测距多无人机协同定位系统和方法，包括：四旋翼结构无人机，进行高频图像采集的工业级灰度相机作为机载环境特征感知设备；IMU惯性测量单元用于高频测量无人机的加速度和角速度信息；机载计算机内置wifi模块用于支持无人机间通讯；机载UWB模块进行测距组网；机载飞行控制器作为无人机的姿态控制器实现无人机的完整闭环飞行。本发明主要应用于多无人机编队飞行与避碰场合。

技术领域

本发明涉及多无人机编队飞行与避碰避障领域，尤其涉及一种无人机编队成员协同定位与状态估计领域。具体讲，涉及基于局部地图匹配与端到端测距的多无人机协同定位方法。

背景技术

小型四旋翼无人机由于机动性高，具有俯瞰视角等优点，已被逐渐应用于军事甚至是民用领域。随着使用场景日益丰富，为提升作战效率和任务成功率，多无人机系统开始进入人们的视线。多无人机系统拥有极高的互相协作能力，能够在更多的环境和场景下提供更大的覆盖面积、更优的感知能力，在进行复杂且危险的任务时，能够更好的降低风险。直至目前多无人机协作任务多局限于可通过全球导航卫星系统(GNSS)为无人机提供绝对位置的环境，而导航定位拒止环境下的多无人机感知和避碰避障仍存在极大的挑战性，特别是在城市峡谷、室内或森林中作业时，导航定位拒止环境会严重影响无人机的任务执行效率。

多无人机在执行协作任务时，为了达到编队飞行、内部避碰避障等目标，需要在明确自身位置的基础上，进一步感知和估计同伴位置。在导航定位拒止环境下可为多无人机系统提供所需位置信息的方法有室内定位系统，其通过在室内布置多个动作捕捉相机跟踪目标运动，然后定位系统将目标位置反馈到地面站，由地面站广播各无人机位置，这种方法的定位精度能够达到厘米级，但缺点是造价昂贵和有限的覆盖范围。超宽带(Ultra-Wideband，UWB)是近年来一种新颖的电波测距技术，它通过测量电波的飞行时间、到达时间差或到达角计算出两个模块之间的距离。由于发射电波的波段在3.1GHz-4.8GHz之间，能够有效克服其他电波信号的干扰。此外其较高的带宽能够轻易克服多径效应、减弱非视距测量的影响。超宽带技术可替代昂贵的室内定位系统来支持多无人机定位，基本原理是在环境四周部署已知全局位置的UWB锚点，每个飞机上固连一个UWB标签，标签与锚点间周期性测距，再通过三边测量或卡尔曼滤波算法定位，系统中的个体通过共享位置信息即可感知同伴。目前，新加坡南洋理工大学谢立华团队、新加坡国立大学陈本美团队已经使用这种方法完成了多无人机编队飞行，但是这种部署锚点的方法同样限制了覆盖范围，不能使多无人机系统即刻应用于未知环境。

相对于部署锚点等外部设施，无人机搭载相机和IMU等机载传感器就能够在未知场景中完成自主定位，然后通过相互协作和交换信息感知同伴(协同定位)，基本原理是无人机通过提取和跟踪环境特征完成自身位置估计和特征深度恢复，然后无人机间通过共享的环境特征与存储的稀疏地图匹配，可获得同伴相对于自身惯性参考系的位置。香港科技大学Aerial Robotics Group、苏黎世联邦理工学院Vision for Robotics Lab已经使用这种方法进行了多无人机编队飞行实验，但是这种方法也存在着明显的不足，首先是要求无人机飞行轨迹具有部分重叠且相机的拍摄视角基本相同以满足地图匹配的要求，其次是地图可能会误匹配导致错误的位姿对齐结果，另外视觉定位方法由于边缘化等原因具有长时间位姿估计漂移问题，导致整个多无人机系统随着时间增长协同定位精度下降。

综上所述，国内外学者针对多无人机系统位置感知问题进行了卓有成效的研究，并取得了丰硕的研究成果。然而，无论是基于UWB锚点还是基于局部地图匹配的方法，均不能使无人机在未知环境下长时间、高精度地完成对自身和同伴的位置估计。

发明内容