无人技术应用 6

《智能无人机技术及应用》

无人机自主导航技术

A导航技术概述自主导航技术分类基于学习的融合导航技术实验室平台简介BCDE目

录多源融合导航技术一、导航技术概述什么是导航技术？——运动物体的通用技术3‌导航技术‌：是指利用电、磁、光、力学等科学原理与方法，通过测量运动物体的位置参数，实现对运动体的定位，并正确地从出发点沿着预定的路线安全、准确、经济地引导到目的地的一种技术。一、导航技术概述导航技术的内含我从哪来？我在哪？我要往哪去？运动物体存在的本我表征：——导航四维空间：时间维度空间维度现在是什么时候？一、导航技术概述导航四维空间姿态：俯仰角位置：经度相对位置关系：线速度角速度时间：年-月-日-时-分-秒-毫秒-微秒-纳秒-皮秒横滚角航向角纬度高度线加速度角加速度一、导航技术概述全球卫星导航技术(GNSS)全球卫星导航技术（GNSS）:是指采用导航卫星对地面、海洋、空中和空间用户进行导航定位的一门信息服务技术GPS——1963北斗——1994伽利略格洛纳斯SpaceX星链——2014千帆星座——吉利GNSS组成:卫星：发射电磁波——信息源头终端：接收电磁波——信息接收端，如：手机、汽车、飞机、轮船、导弹等地面站：向卫星与终端转发电磁波——中间端一、导航技术概述全球卫星导航技术(GNSS)全球卫星导航技术（GNSS）定位原理卫星导航是一种依赖外部信号源的导航方式一、导航技术概述8信号屏蔽信号干扰信号欺骗信号摧毁无线信号是可以改变、可以控制的卫星干扰器反卫星武器石墨炸弹无人机干扰枪如果GNSS信号没了（据止）/错了（欺骗）一、导航技术概述美无人机诱捕无人机干扰事故航母迷航打击目标欺骗2021年里根号航母信号在中国南航GPS信号信标屏蔽2011年伊朗通过欺骗捕获美国RQ-170无人机2022~2024俄乌战争电子战致盲半数以上无人机2024年12月25日，一架从阿塞拜疆巴库飞往俄罗斯格罗兹尼的客机，在哈萨克斯坦阿克套市不幸坠毁，造成了38人遇难的惨痛后果。2024年12月8日，泉州无人机烟花表演600架坠海一、导航技术概述Micro-PNT计划2010年美国国防高级研究计划局（DARPA）全面启动“微型定位、导航、授时”计划（Micro-PNT）为应对特殊条件下GPS卫星导航失效这一潜在风险。2014年清华牵头制定了国家MPNT计划2023年XX制定新的国家MPNT计划需求：全空域：深空、临近空间、近地、水下全时域：复杂环境任何时刻全信息：位置、速度、姿态、角速度等等全动态：各种动态运动条件下全用户：体积、功耗、成本（SWaP+c）一、导航技术概述自主导航——应对手段自主导航：在没有外部导航辅助设备或信号的情况下，利用自身携带的传感器和算法，确定航行体的位置、速度和姿态，实现自主定位、导航和避障等功能的技术。不依赖外部信号源——电磁波信号源自身解算导航信息——姿态、位置、速度等导航信息源：光学——视觉、太阳光、月光、星光，不受人类意志控制力学——地球自转、地球公转、地球重力热学——温度、色温声学——声呐磁场——地磁二、自主导航技术分类(一)惯性导航技术基本原理：利用陀螺仪、加速度计感受运动体在运动过程中的角速度与角加速度，通过积分得到载体的姿态、速度和位置等1817年约翰-博内伯格，撰写“陀螺仪”1905年第一家陀螺仪导航仪器公司二、自主导航技术分类(一)惯性导航技术基本原理：利用陀螺仪、加速度计感受运动体在运动过程中的角速度与角加速度，通过积分得到载体的姿态、速度和位置等第一代

动力调谐陀螺第二代

激光/光纤陀螺第三代MEMS陀螺第四代

量子/原子陀螺钱学森冯培德陆元九高伯龙房建成二、自主导航技术分类(一)惯性导航技术国内高校与科研院所：北航、北理工、清华、哈工大、哈工程、南理工、南航、西工大等（机械工程学院、航空学院、仪器学院等）；航天1院、航天5院、航天4院、航空618、航空228等各大研究所激光/光纤陀螺原理激光/光纤陀螺：精度通常达到0.001度/h，价格50W+，广泛应用导弹、战机、卫星MEMS谐振陀螺:精度通常达到0.1度/h，价格0.5~100，广泛应用于手机、玩具二、自主导航技术分类(一)惯性导航技术MEMS谐振陀螺原理国内高校与科研院所：北航、北理工、清华、哈工大、哈工程、南理工、南航、西工大等（机械工程学院、航空学院、仪器学院等）；航天1院、航天5院、航天4院、航空618、航空228等各大研究所激光/光纤陀螺：精度通常达到0.001度/h，价格50W+，广泛应用导弹、战机、卫星MEMS谐振陀螺:精度通常达到0.1度/h，价格0.5~100，广泛应用于手机、玩具二、自主导航技术分类(一)惯性导航技术MEMS加速度计原理国内高校与科研院所：北航、北理工、清华、哈工大、哈工程、南理工、南航、西工大等（机械工程学院、航空学院、仪器学院等）；航天1院、航天5院、航天4院、航空618、航空228等各大研究所激光/光纤陀螺：精度通常达到0.001度/h，价格50W+，广泛应用导弹、战机、卫星MEMS谐振陀螺:精度通常达到0.1度/h，价格0.5~100，广泛应用于手机、玩具二、自主导航技术分类(一)惯性导航技术MEMS传感器测量无人机惯性导航芯片组成：陀螺仪：三轴角速度加速度计：三轴线加速度二、自主导航技术分类(一)惯性导航技术无人机惯性导航芯片组成：陀螺仪：三轴角速度加速度计：三轴线加速度陀螺仪加速度计二、自主导航技术分类(一)惯性导航技术无人车惯性导航测量示例二、自主导航技术分类(一)惯性导航技术惯性导航定位——=利用运动体的姿态、速度信息，进行时间积分得到飞行轨迹和位置。20航位推算二、自主导航技术分类(一)惯性导航技术惯性导航缺陷陀螺漂移——度／小时，如1゜/h,0.01゜/h理想情况下，若陀螺仪不受外力矩作用时，陀螺仪主轴的指向相对惯性空间应是不变的。但是，由于结构和工艺等方面的限制，实际的陀螺仪中总是不可避免地存在干扰力矩。加速度计和陀螺仪都有误差，但是陀螺仪主导了整体漂移.时间累计造成轨迹误差逐渐放大，累计误差！！零偏——静态与动态零点漂移，初始姿态角零位偏移。——过载、碰撞等惯性导航系统并不能完全解决导航问题！二、自主导航技术分类(二)视觉导航技术基本原理：利用传感器感知周围环境信息作为航空器飞行依据的导航技术。视觉传感器：相机单目双目激光雷达单线多线毫米波雷达大疆AIR3S无人机二、自主导航技术分类(二)视觉导航技术双目三维特征计算基于双目视觉：相邻帧图像数据特征点，估计运动姿态与位移1.图像处理——2.特征提取——3.运动估计——4.建图特征点Harris角点FAST角点GFTT角点特征提取‌SIFTSURFORB连续时刻k-1和k，相对位姿：R为姿态矩阵,

tk.k-1位移矩阵二、自主导航技术分类(二)视觉导航技术基于双目视觉：相邻帧图像数据特征点，估计运动姿态与位移1.图像处理——2.特征提取——3.运动估计——4.建图二、自主导航技术分类(二)视觉导航技术基于双目视觉：相邻帧图像数据特征点，估计运动姿态与位移1.图像处理——2.特征提取——3.运动估计——4.建图二、自主导航技术分类(二)视觉导航技术激光雷达：基于光的发射、传播、反射和接收，通过测量光脉冲从发射到接收的时间来确定距离‌。激光雷达系统通常包括:激光发射器接收器处理器二、自主导航技术分类(二)视觉导航技术激光雷达：基于光的发射、传播、反射和接收，通过测量光脉冲从发射到接收的时间来确定距离‌。27基于光的发射AT1440二、自主导航技术分类(二)视觉导航技术激光雷达点云数据:点云处理——特征提取——点云配准——运动估计运动估计连续时刻k-1和k，相对位姿：R为姿态矩阵,

tk.k-1位移矩阵二、自主导航技术分类(三)地磁导航技术点云处理——特征提取——点云配准——运动估计运动估计连续时刻k-1和k，相对位姿：R为姿态矩阵,

tk.k-1位移矩阵二、自主导航技术分类(四)天文导航技术基本原理：以已知准确空间位置的自然天体为基准，通过天体测量仪器被动探测天体位置，经解算确定载体的导航信息星敏感器甚高精度星敏感器高动态星敏感器二、自主导航技术分类(四)天文导航技术1.星图探测：利用镜头与探测器对视场内恒星进行离焦成像2.质心定位：基于连通域标记基于高斯拟合3.星图识别：基于角距验证基于深度学习匹配4.导航解算：定姿：加权最小二乘法：定位：二、自主导航技术分类(五)仿生导航技术基本原理：基于生物感知机理，通过对环境中的光场信息进行感知探测，进而完成对光场信息的反演，进而确定载体的导航信息。二、自主导航技术分类(五)仿生导航技术基本原理：基于生物感知机理，通过对环境中的光场信息进行感知探测，进而完成对光场信息的反演，进而确定载体的导航信息。螳螂虾感知通道二、自主导航技术分类(五)仿生导航技术基本原理：基于生物感知机理，通过对环境中的光场信息进行感知探测，进而完成对光