航空航天工程学杂志
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抽象的

适用于小型无人机应用的低成本视觉导航系统

罗伯托·萨巴蒂尼 R*,理查森 M,巴特尔 C,沙伊德 T,拉马萨米 S

提出了一种基于视觉导航（VBN）和其他航空电子传感器的低成本导航系统，专为小型无人机（UAV）应用而设计。我们研究的主要目标是设计一种紧凑、轻便且相对便宜的系统，能够在小型无人机飞行的所有阶段提供所需的导航性能，特别关注精确进近和着陆，其中基于视觉的导航（VBN） ）技术可以在多感官集成架构中得到充分利用。对现有的各种VBN技术进行了比较，并选择基于外观的导航（ABN）方法进行实现。采用特征提取和光流技术来估计飞行参数，例如滚转角、俯仰角、跑道偏差和机身速率。此外，我们还讨论了 VBN、全球导航卫星系统 (GNSS) 和 MEMS-IMU（微机电系统惯性测量单元）传感器之间可能的协同作用，以及使用飞机动力学模型 (ADM) 来提供适合补偿的附加信息VBN和MEMS-IMU传感器在高动态姿态确定任务中的缺点。开发了扩展卡尔曼滤波器（EKF）来融合不同传感器提供的信息，并实时提供无人机平台的位置、速度和姿态估计。实施了两种不同的组合导航系统架构。第一个使用 20 Hz 的 VBN 和 1 Hz 的 GPS 来增强以 100 Hz 运行的 MEMS-IMU。第二种模式还包括 ADM（以 100 Hz 执行计算）以提供姿态通道的增强。这两种模式的模拟是在 AEROSONDE 无人机操作飞行包线的很大一部分中进行的，并执行各种代表性的机动（即直线爬升、水平转弯、转弯下降和爬升、直线下降等）。对首个组合导航系统架构（VBN/IMU/GPS）的仿真表明，该组合系统能够达到符合CAT-II精密进场要求的位置、速度和姿态精度。第二个系统架构（VBN/IMU/GPS/ADM）的仿真也显示出有希望的结果，因为使用 ADM/VBS/IMU 获得的姿态精度比仅使用 VBS/IMU 更高。然而，由于ADM虚拟传感器的快速发散，