[发明专利]一种基于导航信息双向融合的行人与智能移动载体的协同导航系统及其导航方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于人体与智能移动载体构建的人机一体化智能导航系统及其导航方法，属于惯性与组合导航的技术领域。

背景技术

人机一体化智能系统（简称人机智能系统）是一类人与智能机器共同感知、共同认知、共同决策，实现人与智能机器在决策层面上进行融合，产生更高行动效率的智能系统，该系统在军事行动、工程作业、残疾人行动辅助等领域具有很高的应用价值。人机智能系统中各类信息的交互融合是建立人机耦合协同作业机制的重要前提。利用行人导航系统与智能移动载体可构建人机一体化智能导航系统，该系统由安装于人体的行人导航系统与智能移动载体上安装的惯性导航系统组成，可实现复杂电磁环境中的导航定位任务。

一体化智能导航系统所涉及的行人导航技术是导航定位技术中的一个重要分支，近年来随着应用环境的不断拓展，行人导航定位技术的性能与环境适应性被提出了新的要求。目前，较为成熟的行人导航定位方案多数是基于卫星导航系统实现定位功能，例如，美国、英国、法国为等多个军事发达国家所实施“陆地勇士”、“FIST”、“FELIN”等多种高技术士兵装备计划中，均以卫星导航系统为作战士兵提供定位信息。美国Draper实验室在本世纪初提出并设计了基于微机电惯性测量组件的个人导航定位方案，并研究了行进中的零速修正与静止状态下的零姿态修正方法，实时修正惯性导航系统与微惯性传感器的误差；瑞士Vectronix公司的研究部门研制的个人导航系统将磁传感器与MEMS陀螺仪相结合，以克服环境中的磁场干扰对航向信息的影响，并采用高精度计步器探测人体的运动状态与加速度，通过优化后的多传感器信息融合算法来实现个人导航。在国内，南京航空航天大学导航研究中心与香港理工大学等研究机构研究了以视觉障碍者紧急避障、个人定位、语音导航等服务为应用背景、结合MEMS惯性技术的行人导航方法。

一体化智能导航系统所涉及的智能移动载体则是一类安装了具有特定功能载荷的移动载体，可通过实时控制或自主的形式实现按一定要求运动，并对环境进行信息与态势感知的智能化系统，例如智能移动机器人、智能车辆等。智能移动载体的有关研究是机器人领域里的一个重要方向，由于其应用的广泛性与功能的重要性，近年来受到该领域国内外学者的深入探讨与研究。针对智能移动载体的导航技术的研究，也成为了智能移动载体研究的热点之一：1）微小型无人飞行器正在被国内外研究机构广泛研究，微小型飞行器的使用场合多在室内等信号遮蔽的环境下，因此视觉导航是广泛应用于这类特定环境下的导航手段。目前，英国牛津大学，美国斯坦福大学，西班牙马德里理工大学等知名高校都在着力研究基于视觉信息的无人飞行器导航定位、定姿技术；2）基于移动机器人的导航技术近些年也被广泛重视，移动机器人大致分为两类，一类按照固定轨迹或者路标点运动，这一类机器人使用路标点实现实时的导航和控制，典型的如清华大学的THMR-III等。另一类不受固定轨迹约束，根据自身对环境的感知进行路径规划并实施任务，例如，卡内基梅隆大学的机器人Xavier，采用视觉组合测距传感器，利用扩展卡尔曼滤波方式进行导航决策；3）随着现代交通事业的发展，智能车辆的概念逐渐进入人们的视野，国外对于智能汽车的研究起步较早且目前已初见成效，德国联邦国防大学与奔驰公司共同开发的智能汽车VaMoRs，该汽车使用四台CCD相机实时捕捉道路情况并使用卡尔曼滤波器拟合，一般路况条件下的智能汽车可以达到完全自主的状态，国内清华大学等高校与研究机构采用差分GPS、磁罗盘等传感器形成组合定位导航系统，此外还配置有激光测距仪，视觉传感器等设备感知周围环境。

发明内容

为了提高一体化智能导航系统的综合定位性能与可靠性，本发明提供了一种人机一体化智能导航系统，包括行人导航系统和智能移动载体（涵盖上述各类载体）导航系统。其中智能移动载体导航系统采用中高精度捷联惯性导航系统，在进入存在信号屏蔽或电磁干扰的未知环境时，如果单独采用惯性系统将无法满足人机智能系统的导航定位性能需求。针对该问题，本发明又提出了一种基于行人导航系统与智能移动载体惯性导航系统的信息双向融合协同导航方法。该方法利用两种导航系统不同的误差特性，构建信息双向融合滤波器，同步修正两者的导航信息误差，即利用智能移动载体的中高精度捷联惯导系统中较高的传感器精度完成对行人导航系统磁航向误差的实时修正，同时利用行人导航系统较高的单步位移精度修正机器人捷联惯导系统的误差，从而实现同步提高两类载体导航系统的定位与航向精度。

本发明的导航系统采用的技术方案如下：