一种无人机自主导航系统及导航方法与流程

技术特征：

1.一种无人机自主导航系统，用于进行无GPS信号的情况下的导航，其特征在于，所述系统包括

参数导航模块(1)，用于在GPS信号不稳定或短暂丢失时输出无人机的状态参数；其中，所述参数导航模块(1)包括GPS接收器(11)、角速率陀螺(12)、IMU模块(13)、舵偏电位计(14)、图像采集器(15)和计时器(16)；

雷达导航模块(2)，用于在GPS信号长时间丢失，且参数导航模块失效时，向就近己方船舰请求航向信息，同时将航向信息输出给中央处理模块(3)；

中央处理模块(3)，用于在GPS信号长时间丢失、参数导航模块失效，且无法接收到雷达信号时，规划出一条从当前地点到目标点的航向路径，并将所述航向路径输出给航向控制模块(5)；

信息储存模块(4)，用于储存从起始点到目标点的环境地理信息，并将其输出给中央处理模块(3)；和

航向控制模块(5)，用于接收中央处理模块(3)输出的信息，进行导航；

其中，所述短暂是指不超过10s，所述长时间是指10s以上。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，

所述中央处理模块(3)还用于接收参数导航模块(1)输出的无人机的状态参数，并对其处理，得到无人机的飞行参数，并将其输出给航向控制模块(5)；

所述中央处理模块(3)同时还用于接收雷达导航模块(2)输出的航向信息，并将其输出给航向控制模块(5)。

3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，雷达导航模块(2)、信息储存模块(4)和航向控制模块(5)均通过现场总线与中央处理模块(3)进行通信；

优选地，参数导航模块(1)、雷达导航模块(2)和信息储存模块(4)分别将获取的参数或信息输出给中央处理模块(3)，中央处理模块(3)接收到参数或信息后任选地进行处理，然后输出给航向控制模块(5)，进行导航。

4.根据权利要求1至3之一所述的系统，其特征在于，

所述GPS接收器(11)用于接收GPS信号，并将其输出给中央处理器(3)，所述卫星信号包括飞行器的空间位置，以(x、y、z)表示，以及飞行器在空间各方向上的速度，以(V_x、V_y、V_z)表示；

所述角速率陀螺(12)用于测量无人机的当前时刻的俯仰角速率和偏航角速率，分别以和表示，并输出给IMU模块(13)和中央处理模块(3)；

所述IMU模块(13)对俯仰角速率和偏航角速率进行积分，得到无人机飞行的俯仰角和偏航角；

所述舵偏电位计(14)用于测量并输出无人机的当前时刻的俯仰舵偏角和偏航舵偏角，分别以δ_e(k)和δ_r(k)表示；

所述图像采集器(15)用于拍摄环境信息，并进行信息输出；优选地，所述图像采集器(15)包括两个摄像机和一个三轴云台。

5.根据权利要求1至4之一所述的系统，其特征在于，所述雷达导航模块(2)包括雷达通信装置(21)和雷达校验装置(22)，其中，所述雷达通信装置(21)用于己方船舰与无人机之间的通信；所述雷达校验装置(22)用于校验己方船舰。

6.根据权利要求1至5之一所述的系统，其特征在于，在中央处理模块(3)内集成有运动状态估计子模块(31)、路径规划子模块(32)和双目避障子模块(33)；其中，

所述运动状态估计子模块(31)用于处理参数导航模块(1)输出的无人机的状态参数，以在GPS信号不稳定或短暂丢失时进行无人机的运动状态估算，得到无人机的飞行参数；

所述路径规划子模块(32)用于规划出一条从当前地点到目标点的航向路径，以在GPS信号长时间丢失、参数导航模块失效、且无法接收到雷达信号时提供航向规划；

所述双目避障子模块(33)用于在GPS信号长时间丢失、参数导航模块失效、且无法接收到雷达信号时协助无人机躲避航向路径中的障碍；

优选地，在GPS信号长时间丢失、参数导航模块失效、无法接收到雷达信号时，将路径规划子模块(32)和双目避障子模块(33)联用输出航向信息。

7.根据权利要求1至6之一所述的系统，其特征在于，所述运动状态估计子模块(31)包括当前参数处理模块(311)和未来状态估计模块(312)；优选地，所述未来状态估计模块(312)包括状态空间子模块(3121)、离散空间子模块(3122)、离散数据预处理子模块(3123)和离散数据后处理子模块(3124)。

8.根据权利要求1至7之一所述的系统，其特征在于，所述信息储存模块(4)包括信息储存器(41)和缓存器(42)，其中，信息存储器(41)用于储存从起始点到目标点的全部环境地理信息，并将其中的局部地理信息按照中央处理模块(3)的指令存储到缓存器(42)中。

9.一种无人机自主导航的方法，用于无GPS信号的情况，优选利用权利要求1至8之一所述的无人机自主导航系统进行导航，其中，

在无人机起飞前，将起始点到目标点的全部环境地理信息储存于信息储存器(41)中，中央处理模块(3)输出指令，令信息储存器(41)将局部环境地理信息传送到缓存器(42)中；其中，在长时间无GPS信息时，利用缓存的局部环境地理信息进行无人机的定位，以及利用储存的全部环境地理信息进行航向路径的规划；和/或

在无人机起飞前，将己方船舰的雷达信息存储在雷达导航模块(2)的雷达校验装置(22)中，以进行己方船舰的校验。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，

当GPS信号稳定或未丢失时，GPS接收器接收GPS信号，并将其传送到中央处理模块(3)，中央处理模块(3)将接收到的信号与缓存器(42)中的局部环境地理信息实时同步并实时输出航向信息到航向控制模块(5)，进行导航；

当GPS信号不稳定或短暂丢失时(GPS信号丢失不超过10s)，中央处理模块(3)接收到参数导航模块(1)传输的GPS信号、俯仰舵偏角、偏航舵偏角、俯仰角速率、偏航角速率、俯仰角和偏航角，并利用运动状态估计子模块(31)进行处理，得到无人机的飞行参数，并将飞行参数输出给航向控制模块(5)，进行导航；

当GPS信号长时间丢失并无法利用参数导航模块(GPS信号丢失10s以上)时，采用雷达导航模块(2)输出航向信息：雷达导航模块(2)校验己方船舰，并输出位置请求指令，中央处理模块(3)接收到来自己方船舰的航向信息后输出给航向控制模块(5)，进行导航；

当GPS卫星信号长时间丢失、参数导航模块失效(GPS信号丢失10s以上)，且无法接收到雷达信号时，中央处理模块(3)利用路径规划子模块(32)规划航向路径，同时，利用双目避障子模块(33)协助避开障碍物，在路径规划子模块(32)和双目避障子模块(33)共同作用下输出航向信息，并实时将航向信息输出给航向控制模块(5)，进行导航。