[发明专利]基于UWB在线锚点的视觉惯性紧耦合里程计及计量方法

说明书

本发明属于四旋翼无人机导航与控制领域，为解决在GNSS拒止环境下四旋翼无人机的定位导航问题。在线得到较为准确地得到锚点在世界坐标系下的位置，本发明，基于UWB在线锚点的视觉惯性紧耦合里程计及计量方法，超宽带技术制成的电波测距模块UWB，根据TW‑ToF测量原理获得两个模块之间的距离，通过离群值检测单元以滤除部分噪声后，作为输入送入紧耦合优化单元；IMU惯性测量结果也作为输入送入紧耦合优化单元；嵌入式机载处理器利用所述的紧耦合优化单元，处理UWB模块之间的距离测量值、IMU测量值和双目摄像头测量值，用紧耦合优化的方式解析出无人机的位置与姿态信息。本发明主要应用于四旋翼无人机导航与控制场合。

技术领域

本发明属于四旋翼无人机导航与控制领域，涉及嵌入式系统、传感器网络，尤其涉及GNSS(全球导航卫星系统)拒止环境下四旋翼无人机定位系统及其相关算法。具体涉及基于UWB在线锚点标定的视觉惯性紧耦合里程计。

背景技术

近年来，四旋翼无人机具有体积小、重量轻、隐蔽性好、适合多平台、多空间使用等特点，具备在地面、军舰上灵活垂直起降，不需要弹射器、发射架发射等优点，已经在军事和民用领域展现出巨大的应用价值。在民用领域，街景拍摄、电力巡检、交通监视、快递递送、灾后救援等方面均可由四旋翼无人机完成；在军用方面，情报侦察、军事打击、信息对抗、空中预警、通信中继等任务中四旋翼无人机发挥了重要的作用。然而在隧道、丛林和室内等场景下，由于GNSS的非视距测量，导致定位误差极大。因此在GNSS拒止环境下，无人机的定位与导航问题仍是一种挑战。

超宽带(ultra-wideband，UWB)是近年来一种新颖的电波测距技术，超宽带技术通过测量电波的到达时间、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。Time domain公司生产的P440 UWB模块采用双向飞行时间法(TW-ToF)测量距离和通信，由于其良好的性能和低廉的价格，可利用该模块搭建一套定位系统，为无人机在GNSS拒止环境下提供定位信息。

使用UWB定位的步骤一般是先通过机载UWB标签依次测量与地面锚点之间的距离，再通过特定的算法估计无人机位置。UWB定位方法的优点是传感器的成本低，不受光照和天气的影响，但UWB定位方法也有显著的缺陷，比如容易受到外界电波干扰，定位精度不甚理想，这也无疑限制了无人机在GNSS拒止环境下的应用。

针对GNSS拒止环境下基于UWB增强的四旋翼无人机自主定位问题，国内外学者都进行了大量的研究。2017年，新加坡南洋理工大学Chen Wang等人提出了一套UWB增强的快速定位和建图系统。他们意识到视觉SLAM系统虽然在短期内拥有较高的精确度，却在长时间运行时存在累计误差，他们使UWB距离测量来修正累计误差，提升了系统的鲁棒性。2018年，新加坡国立大学Jiaxin Li等人采用EKF(Extended Kalman filter)算法融合了IMU(Inertialmeasurementunit)和UWB测量数据，改善UWB传感器单独定位有滞后，估计精度较低等问题。2020年蒙特利尔工业大学Yanjun Cao等人提出了VIR-SLAM，他们使用UWB距离测量修正单目视觉惯性里程计的累计误差。由此可见，利用基于UWB增强的多传感器融合定位是一种富有前景的方案。然而，上述基于UWB增强的方法需要提前人工测量计算得到无人机初始时刻与锚点之间的相对位姿，因此每一次实验都需要标定一次，室内实验运行条件较为苛刻，室外实验更加受限于此，除此之外，上述方法并未将IMU信息与UWB测距信息进行融合，因此在精度方面本方法也有改进之处。

发明内容