[发明专利]一种基于地形匹配的小型无人机自主导航

说明书

发明提供一种基于地形匹配的小型无人机自主导航技术，通过摄像机、激光测距仪，地形匹配模块，实现小型无人机在无全球导航卫星系统信号情况下的自主导航。其中，摄像机实时采集地面影像，与已有的地面正射影像数据库做图像匹配，计算无人机的当前经度和纬度信息；激光测距仪，测量无人机实时相对高度，结合数字高程模型数据计算无人机的海拔高度。使用计算出的经度、纬度、海拔高度，替代全球导航卫星系统中的经度、纬度、海拔高度，实现无人机在无全球卫星导航系统信号情况下的自主导航，并能够搭载不同的无人机平台，适用范围广。

技术领域

本发明涉及无人机导航技术领域，具体为一种通过对拍摄的光学图像与卫星图像及数字高程图像匹配实现无人机自主导航的技术。

背景技术

无人机要实现自主飞行，必须获取传感器的定位信息，才能保证起飞、降落、按规划路线飞行等功能的实现。其中惯性导航系统和全球导航卫星系统是无人机中常用的导航定位系统。而小型无人机鉴于载荷重量及成本限制，使用的惯性导航系统体积较小，成本较低，一般仅支持1-3分钟左右的定位，超过1-3分钟定位的累积误差逐渐变大，需要其他定位方式校准定位信息。

GNSS被广泛应用于无人机作为主定位系统或者与惯性导航结合组成综合导航定位系统。但是GNSS并不是绝对安全可靠的，GNSS信号可被人为干扰或者切断。

在GNSS失效的情况下，小型无人机会设置特殊飞行状态应对突发状况。其中，小型旋翼无人机做如下操作：1、原地悬停，等待GNSS信号恢复；2、电量低的条件下，无人机原地降落。小型固定翼无人机进入盘旋飞行状态，等待GNSS信号恢复，如无人机电量低于阈值则迫降。在GNSS较长时间段失效的条件下，现有小型无人机都无法正常执行飞行任务。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明目的是提供一种基于地形匹配的小型无人机自主导航，以解决上述背景技术中提出的问题,本发明能够实现无人机在GNSS失效时进行自主导航，能够搭载不同的无人机平台，适用范围更广。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：一种基于地形匹配的小型无人机自主导航，包括无人机自主导航系统，所述无人机自主导航系统在无人机航电系统中增加地形匹配模块、摄像机、激光测距仪，并以飞行控制计算机为核心，协调导航模块、执行机构以及其他传感器，通过数据传输模块与地面控制中心通讯。

作为本发明的一种优选实施方式，所述摄像机和激光测距仪搭载在云台上，探测方向始终保持竖直向下，不受无人机当前运行姿态的影响。

作为本发明的一种优选实施方式，所述摄像机对地面影像进行采集，并与已有的地面正射影像数据库做图像地形匹配。

作为本发明的一种优选实施方式，所述激光测距仪对无人机相对地面的高度进行测量，结合数字高程模型计算出无人机的海拔高度。

作为本发明的一种优选实施方式，所述执行机构包括电调电机、舵机等控制无人机运动的部件。其中导航模块按照特定频率将无人机任意时刻的经度、纬度、海拔高度发送给飞行控制计算机。

作为本发明的一种优选实施方式，所述地面正射影像数据库为卫星或者飞机拍摄得到的地面光学影像，该数据库为已标定数据，所述地形匹配通过传统的特征点匹配算法或深度学习算法实现。

作为本发明的一种优选实施方式，所述飞行控制计算机通过结合其他传感器获取实时的无人机姿态、大气数据以及地面控制中心的任务信息等。

作为本发明的一种优选实施方式，所述数字高程模型为DEM数据，已知数据中每个像素的经度L_D、纬度B_D及高度H_D信息。

作为本发明的一种优选实施方式，所述导航模块与地形匹配模块进行数据交互，使用地形匹配模块计算得到的无人机当前位置替换GNSS的位置信息，并发送给无人机的飞行控制计算机。