小型飞行器光流/惯导组合导航技术研究

Global Positioning System (GPS) signals become unstable in valleys, forests, streets and other littery environments. And they are easily interfered by deliberate disruptions. To shake off the dependence on GPS, and consider that large navigation devices can't be mounted on a small aerial vehicle due to its low payload, optical flow sensors are introduced into small aerial vehicles navigation systems to form a self-contained, small size, and accurate integrated navigation system.. Optic flow is the apparent visual motion seen by an observer when moving relative to a textured surface. It contains the information about the velocity, the flight height above the ground, Euler angles and angular rates of the aerial vehicle. Therefore, this scheme exploits the idea of integrating the outputs of several optical flow sensors (OFSs) and a micro-electro-mechanical systems (MEMS) inertial measurement unit (IMU). Several optical flow sensors are fixed on a small aerial vehicle. Their locations and orientations are different so as to detect the optical flow from different directions. By fusing the optical flow information and inertial navigation system (INS) measurements, the INS errors can be estimated and compensated. Due to the OFSs' characteristics of small size, light weight, no radiation and low cost, the integration of optical flow sensors and MEMS-based IMU will benefit: no radiation and good concealment; independent of satellite supports; small size and low cost; higher precision than MEMS-IMU.

GPS 信号在山谷、丛林、街道等复杂地域变得不稳定，同时也容易受到敌方干扰，为摆脱精确导航对GPS 等卫星信号的依赖，同时针对小型飞行器有效载荷小、无法安装大型导航设备的问题，本项目将光流技术引入到飞行器导航中来，形成全自主式微小型高精度组合导航系统。. 飞行器相对环境运动时，站在飞行器的角度上观察，可以感受到周围环境的运动场，这种运动场就是光流。光流与飞行器的速度、高度、姿态、姿态变化率都有关系，本项目考虑将多个光流传感器以不同的安装角度布置在飞行器的不同位置，测量不同方向的光流信息，并与微机械惯性器件的惯导信息组合，达到提高导航精度，降低导航成本的目的。由于光流传感器体积小、重量轻、无辐射、成本低，这种光流/惯导组合方式，将具备如下特点：不对外辐射信号，隐蔽性好；不依赖卫星信号，自主性强；体积小、重量轻、成本低；导航精度高于微机械惯导。

现今的微小型飞行器大多采用GPS/惯导组合导航方法进行导航，该方法可同时提供飞行器的位置和姿态信息。然而在山谷、丛林、街道等复杂地域，GPS 信号会变得不稳定，同时也容易受到敌方人为干扰。因此，在小型飞行器有效载荷小而无法安装大型导航设备的限制下，开发一种不依赖GPS信号的组合导航方案成为一项急需解决又十分具有挑战性的课题。.飞行器相对环境运动时，站在飞行器的角度上观察，可以感受到周围环境的运动场，这种运动场称为光流。光流与飞行器的速度、高度、姿态、姿态变化率有关，本项目将光流技术引入到飞行器导航中来，形成全自主式微小型高精度组合导航系统。.本项目提出的光流/惯导组合导航方法将多个光流传感器以不同的安装角度布置在飞行器的不同位置，用以测量不同方向的光流信息，并将光流信息与微机械惯性器件的惯导信息组合，达到提高导航精度的目的。同时，该光流/惯导组合导航方法具备故障检测与隔离的功能，当飞行器做大角度机动导致个别光流传感器失效时，组合导航方法依然有效。.结果表明，为保证得到稳定而准确的状态估计，至少需要在飞行器上安装2个光流传感器。兼顾状态估计的精度和计算的实时性，可在飞行器上安装3~5个光流传感器。本项目所提出的光流/惯导组合导航方法可以准确快速地估计出飞行器的飞行状态数据，真值与估计值之间的误差会在4秒内被消除。该光流/惯导组合导航方法的位置导航精度比纯惯导的位置导航精度要高6倍左右。.本项目提出的光流/惯导组合导航方法具备如下优点：不对外辐射信号，隐蔽性好；不依赖卫星信号，自主性强；体积小、重量轻、成本低；导航精度高于微机械惯导。