無(wú)人機(jī)改進(jìn)導(dǎo)航定位方法設(shè)計(jì)

唐婭娟++王晶++所玉君

文章編號(hào)：2095-6835（2017）04-0023-03

摘 要：針對(duì)無(wú)人機(jī)航位推算過(guò)程中由于傳感器精度限制及運(yùn)動(dòng)模型不準(zhǔn)確導(dǎo)致其位置估計(jì)誤差累積問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種利用對(duì)地面路標(biāo)的觀測(cè)來(lái)修正自身位置的同步定位與構(gòu)圖方法，同時(shí)將模型不準(zhǔn)確建模為時(shí)變的過(guò)程噪聲，通過(guò)對(duì)過(guò)程噪聲統(tǒng)計(jì)特性的預(yù)測(cè)及修正來(lái)提高模型的準(zhǔn)確度。建立了特征模型、無(wú)人機(jī)運(yùn)動(dòng)模型及傳感器測(cè)量模型，利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)所提方法進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，結(jié)果表明所提方法降低了模型不準(zhǔn)確對(duì)無(wú)人機(jī)導(dǎo)航定位精度的影響，在傳感器精度不高的情況下，降低了誤差累積程度，提高了無(wú)人機(jī)導(dǎo)航定位的精確性和魯棒性。

關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī)；航位推算；時(shí)變?cè)肼暎煌蕉ㄎ慌c構(gòu)圖

中圖分類號(hào)：TP242.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.04.023

近年來(lái)，無(wú)人機(jī)在軍事民事領(lǐng)域得到了越來(lái)越多的應(yīng)用，無(wú)人機(jī)的導(dǎo)航問(wèn)題是限制其發(fā)展的決定性因素，慣性導(dǎo)航、衛(wèi)星導(dǎo)航、地磁導(dǎo)航、航位推算及組合導(dǎo)航是目前常用的導(dǎo)航方法。慣性導(dǎo)航短時(shí)間內(nèi)精度較高，但是初始對(duì)準(zhǔn)困難；常用的衛(wèi)星導(dǎo)航為GPS導(dǎo)航，精度高，但是容易受到干擾；地磁導(dǎo)航全天時(shí)、全天候，但是需要存儲(chǔ)大量的地磁數(shù)據(jù)，對(duì)計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)能力及數(shù)據(jù)處理能力要求高；航位推算造價(jià)低廉，是最為常用的方法，但是位置估計(jì)誤差隨時(shí)間迅速累積增長(zhǎng)；組合導(dǎo)航即將上述方法中的2種或多種加以組合使用。

同步定位與構(gòu)圖（Simultaneous Localization and Mapping，SLAM）是一種新興的無(wú)人機(jī)導(dǎo)航定位技術(shù)，國(guó)外學(xué)者對(duì)該方法已經(jīng)進(jìn)行了一系列研究，但是國(guó)內(nèi)對(duì)SLAM的研究相對(duì)于國(guó)外差距還很大，多數(shù)研究限制在移動(dòng)機(jī)器人領(lǐng)域。下面描述無(wú)人機(jī)SLAM方法的執(zhí)行過(guò)程。

飛行的無(wú)人機(jī)由于航位推算引入噪聲，或者由于建立運(yùn)動(dòng)模型的不準(zhǔn)確，位置估計(jì)誤差逐漸積累，導(dǎo)致無(wú)人機(jī)的航位推算誤差越來(lái)越大，如圖1（a）所示，橢圓越來(lái)越大，即無(wú)人機(jī)自身和地圖位置的不確定性越來(lái)越大。通過(guò)SLAM方法進(jìn)行導(dǎo)航定位的無(wú)人機(jī)通過(guò)對(duì)地圖中元素的反復(fù)測(cè)量，能夠修正自身的位置。當(dāng)無(wú)人機(jī)測(cè)量到一個(gè)新特征時(shí)，首先需要通過(guò)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)來(lái)判斷這個(gè)新觀測(cè)特征是否對(duì)應(yīng)著地圖中的已有特征，見(jiàn)圖1（b）。如果對(duì)應(yīng)著，則利用這次新測(cè)量來(lái)校正無(wú)人機(jī)自身及特征的位置，見(jiàn)圖1（c）；否則，將這個(gè)特征構(gòu)建到地圖中。

（a）不確定性增長(zhǎng)

（b）新的測(cè)量 （c）位置校正

4 結(jié)論

建立了無(wú)人機(jī)的運(yùn)動(dòng)模型和觀測(cè)模型，設(shè)計(jì)了改進(jìn)的無(wú)人機(jī)同步定位與構(gòu)圖方法，將所建立運(yùn)動(dòng)模型的不準(zhǔn)確性建模為時(shí)變?cè)肼暎ㄟ^(guò)對(duì)其統(tǒng)計(jì)特性進(jìn)行估計(jì)校正來(lái)彌補(bǔ)模型構(gòu)建的不足，并利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)所提方法進(jìn)行仿真驗(yàn)證。結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)方法在低傳感器精度的情況下相對(duì)于航位推算，定位精

度有大幅度提高，算法的可行性及有效性得到了驗(yàn)證，對(duì)于無(wú)人機(jī)執(zhí)行長(zhǎng)航時(shí)隱蔽作業(yè)具有一定的實(shí)際應(yīng)用意義。

參考文獻(xiàn)

[1]Durrant-Whyte H F，Bailey T.Simultaneous localization and mapping（SLAM）：Part I，The essential algorithms.IEEE Robotics and Automation Magazine，2006，13（2）：99-108.

[2]Bailey T，Durrant-Whyte H F.Simultaneous localization and mapping（SLAM）：Part II，State of the art.IEEE Robotics and Automation Magazine，2006，13（3）：108-117.

[3]Bailey T，Nebot E M，Rosenblatt J K，et al.Data association for mobile robot navigation：A graph theoretic approach[C]//Proceedings of the IEEE International Conference on Robotics and Automation San Francisco.USA：2000：2512-2517.

[4]Hahnel D，Thrun S，Wegbreit B，et al.Towards lazy data association in SLAM[C]//Proceedings of the International Symposium on Robotics Research.Sienna，Italy：2003：421-431.

[5]黃慶成，洪炳熔，厲茂海，等.基于主動(dòng)環(huán)形閉合約束的移動(dòng)機(jī)器人分層同時(shí)定位和地圖創(chuàng)建[J].計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展，2007，44（4）：636-642.

[6]張亮，蔣榮欣，陳耀武.移動(dòng)機(jī)器人在未知環(huán)境下的同步定位與地圖重建方法[J].控制與決策，2010，25（4）：515-520.

[7]Smith R，Self M. Cheeseman P.Estimation uncertain spatial relationships in robotics [C]//Autonomous Robot Vehicles.New York：Springer-Verlag，1990：167-193.

〔編輯：劉曉芳〕