无人机导航方法、装置、设备及计算机可读存储介质与流程

1.本技术实施例涉及定位导航技术领域，具体涉及一种无人机导航方法、装置、设备及计算机可读存储介质。


背景技术：

2.为了更好实现对无人机的控制，避免无人机出现丢失或者炸机等问题，需要对无人机进行导航，也就是实时获取无人机的飞行状态信息，例如位置、飞行速度以及姿态等等。比较常用的导航方式有gnss(global navigationsatellite system，全球导航卫星系统)导航、imu(inertial measurement unit，惯性测量单元)导航。其中，gnss导航能够准确的实现无人机的导航，但是容易受到信号干扰，导致导航出现偏差，并且存在一定的延时性。而imu导航在短时间内能够准确实现无人机的导航，但在长时间内会由于误差的累积而导致导航出现偏差。因此，目前比较常见的做法是以imu导航信息为主，并定时的利用gnss导航信息对imu导航信息进行修正，以抑制imu导航信息中误差的累积，从而实时有效地获取到准确的导航信息，以实现对无人机的导航。
3.然而，在gnss信号拒止条件下，例如信号受到外部电磁干扰时，无人机无法获取有效的gnss导航信号，也就无法通过gnss导航信息对误差累积的 imu导航信息进行修正，会导致imu导航信息的精度迅速降低，甚至快速发散，严重影响到无人机的导航效果。


技术实现要素：

4.本技术实施例提供一种无人机导航方法、装置、设备及计算机可读存储介质，旨在解决现有的无人机导航方法在gnss信号受到干扰时，imu导航信息估计精度迅速降低的技术问题。
5.一方面，本技术实施例提供一种无人机导航方法，包括：
6.获取目标无人机的惯性导航信息、卫星导航信号以及真空速；
7.根据所述惯性导航信息以及所述真空速确定风速信息；
8.若所述卫星导航信号的信号强度低于预设的强度阈值，则根据所述风速信息对所述惯性导航信息进行修正，得到第一导航信息。
9.作为本技术的一种可选实施例，所述根据所述风速信息对所述惯性导航信息进行修正，得到第一导航信息，包括：
10.根据所述风速信息以及所述真空速，确定所述目标无人机的观测地速；
11.根据所述观测地速以及所述惯性导航信息中的地速信息，对所述惯性导航信息进行滤波修正，得到第一导航信息。
12.作为本技术的一种可选实施例，所述根据所述惯性导航信息以及所述真空速确定风速信息，包括：
13.根据所述惯性导航信息中的姿态信息确定坐标系旋转矩阵；
14.根据所述坐标系旋转矩阵对所述真空速进行处理，得到导航坐标系下的真空速；
15.根据所述导航坐标系下的真空速以及所述惯性导航信息中的地速信息，确定导航坐标系下的风速信息。
16.作为本技术的一种可选实施例，所述根据所述惯性导航信息以及所述真空速确定风速信息，包括：
17.若所述卫星导航信号的信号强度高于或等于预设的强度阈值，则根据所述卫星导航信号对所述惯性导航信息进行修正，得到第二导航信息；
18.根据所述第二导航信息以及所述真空速确定风速信息。
19.作为本技术的一种可选实施例，所述根据所述卫星导航信号对所述惯性导航信息进行修正，得到第二导航信息，包括：
20.获取所述目标无人机的航向角以及飞行高度；
21.根据所述卫星导航信号、所述航向角以及所述飞行高度的数据统计特征从所述卫星导航信号、所述航向角以及所述飞行高度中确定目标修正信息；
22.根据所述目标修正信息对所述惯性导航信息进行修正，得到第二导航信息。
23.作为本技术的一种可选实施例，所述若所述卫星导航信号的信号强度低于预设的强度阈值，则根据所述风速信息对所述惯性导航信息进行修正，得到第一导航信息，包括：
24.若所述卫星导航信号的信号强度低于预设的强度阈值，则获取所述真空速的数据统计特征；
25.若所述真空速的数据统计特征小于预设的特征阈值，则根据所述风速信息对所述惯性导航信息进行修正，得到第一导航信息；
26.若所述真空速的数据统计特征大于或等于预设的特征阈值，则根据所述目标无人机的线性加速度对所述惯性导航信息中的姿态信息进行修正，得到修正姿态信息，并将所述修正姿态信息设为第一导航信息。
27.作为本技术的一种可选实施例，所述获取目标无人机的惯性导航信息，包括：
28.获取目标无人机的初始位置信息、初始速度信息、初始姿态信息、线性加速度以及角速度；
29.根据所述初始速度信息以及所述加速度，得到所述目标无人机的目标地速信息；
30.根据所述初始位置信息以及所述地速信息，得到所述目标无人机的目标位置信息；
31.根据所述初始姿态信息以及所述角速度，得到所述目标无人机的目标姿态信息；
32.将所述目标地速信息、所述目标位置信息以及所述目标姿态信息设为所述目标无人机的惯性导航信息。
33.另一方面，本技术实施例还提供一种无人机导航装置，包括：
34.获取模块，用于获取目标无人机的惯性导航信息、卫星导航信号以及真空速；
35.风速计算模块，用于根据所述惯性导航信息以及所述真空速确定风速信息；
36.导航修正模块，用于若所述卫星导航信号的信号强度低于预设的强度阈值，则根据所述风速信息对所述惯性导航信息进行修正，得到第一导航信息。
37.另一方面，本技术实施例还提供一种无人机导航设备，所述无人机导航设备包括处理器、存储器以及存储于所述存储器中并可在所述处理器上运行的无人机导航程序，所述处理器执行所述无人机导航程序以实现上述的无人机导航方法中的步骤。
38.另一方面，本技术实施例还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有无人机导航程序，所述无人机导航程序被处理器执行以实现上述的无人机导航方法中的步骤。
39.本技术实施例提供的无人机导航方法，通过获取无人机的导航信息以及真空速，并利用导航信息和真空速预估出风速信息，从而在gnss信号拒止条件下，也就是卫星导航信号的信号强度低于预设的强度阈值时，能够利用预估出的风速信息对无人机的惯性导航信息进行修正，减小惯性导航信息的误差累积，使得在gnss失效情况下无人机的导航信息依然可靠。
附图说明
40.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
41.图1为本技术实施例提供的一种无人机导航方法的实现场景示意图；
42.图2为本技术实施例提供的一种无人机导航方法的步骤流程示意图；
43.图3为本技术实施例提供的一种根据风速对惯性导航信息进行修正的步骤流程示意图；
44.图4为本技术实施例提供的一种根据惯性导航信息以及真空速确定风速信息的步骤流程示意图；
45.图5为本技术实施例提供的另一种根据惯性导航信息以及真空速确定风速信息的步骤流程示意图；
46.图6为本技术实施例提供的一种对惯性导航信息进行修正的步骤流程示意图；
47.图7为本技术实施例提供的另一种对惯性导航信息进行修正的步骤流程示意图；
48.图8为本技术实施例提供的一种获取惯性导航信息的步骤流程示意图；
49.图9是本技术实施例提供的一种无人机导航装置的结构示意图；
50.图10是本技术实施例提供的一种无人机导航设备的结构示意图。
具体实施方式
51.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明包含的范围。
52.在本技术实施例中，“示例性”一词用来表示“用作例子、例证或说明”。本技术实施例中被描述为“示例性”的任何实施例不一定被解释为比其它实施例更优选或更具优势。为了使本领域任何技术人员能够实现和使用本发明，给出了以下描述。在以下描述中，为了解释的目的而列出了细节。应当明白的是，本领域普通技术人员可以认识到，在不使用这些特定细节的情况下也可以实现本发明。在其他实例中，不会对公知的结构和过程进行详细阐述，以避免不必要的细节使本发明的描述变得晦涩。因此，本发明并非旨在限于所示的实施
例，而是与符合本技术实施例所公开的原理和特征的最广范围相一致。
53.本技术实施例中提供一种无人机导航方法、装置、设备及计算机可读存储介质，以下分别进行详细说明。
54.本技术实施例中无人机导航方法是以程序的形式部署在无人机导航装置上，无人机导航装置是以处理器的形式设置在无人机导航设备中，无人机导航设备通常安装在无人机上，无人机导航设备中的无人机导航装置还与安装在无人机上的数据采集装置，例如各类传感器通讯相连，在从数据采集装置中获取到相应的数据后，运行无人机导航方法对应的程序，以输出无人机的导航信息。
55.如图1所示，图1为本技术实施例提供的一种无人机导航方法的实现场景示意图，也可以理解为一种无人机导航系统的结构示意图。本技术实施例提供的实现场景示意中主要包括数据采集装置100以及无人机导航装置200。其中数据采集装置100主要用于采集得到无人机的各类数据，例如，数据采集装置中的 gnss接收机可以接收到来自于gnss的卫星信号，并解析得到无人机的卫星导航信息，数据采集装置中的惯性测量组件可以通过三轴加速度计、三轴陀螺仪采集得到无人机的线性加速度以及角速度，并结合初始导航信息，捷联递推出无人机的当前导航信息，具体的，导航信息通常包含有位置、速度、姿态等信息。此外，为了更好实现对无人机的控制，数据采集装置中还可以包含有其他传感器，例如空速计、气压计、磁力计等等，用于实时采集得到无人机的飞行空速，飞行高度以及航向角等等。数据采集装置100在采集得到无人机的各类数据后，传输给无人机导航装置200，无人机导航装置200通过对数据采集装置 100传输的数据进行处理后，输出无人机的导航信息。
56.需要说明的是，图1所示的无人机导航的实现场景示意图仅仅是一个示例，本技术实施例描述的无人机导航的实现场景是为了更加清楚的说明本技术实施例的技术方案，并不构成对于本技术实施例提供的技术方案的限定。
57.基于上述无人机导航的实现场景示意图，提出了无人机导航方法的具体实施例。
58.如图2所示，图2为本技术实施例提供的一种无人机导航方法的步骤流程示意图，本技术实施例中无人机导航方法包括步骤201-203：
59.201，获取目标无人机的惯性导航信息、卫星导航信号以及真空速。
60.本技术实施例中，结合前述图1示出的无人机导航方法的实现场景示意图可知，目标无人机的惯性导航信息是通过惯性测量组件采集得到的线性加速度以及角速度对初始的导航信息捷联递推得到。具体的，通过对采集得到的线性加速度进行积分，即可得到无人机的速度变化量，结合初始速度，即可递推得到无人机的实时速度，进一步的，通过对无人机的速度进行积分，即可得到无人机的位移变化量，结合无人机的初始位置，即可递推得到无人机的实时位置，此外，基于角速度的积分，可以得到无人机在各个方向上角度的变化量，其反映出了无人机姿态的变化量，因此结合无人机的初始姿态，即可得到无人机的实时姿态。具体获取得到无人机惯性导航信息的步骤可以参阅后续图8及其解释说明的内容。
61.当然，需要说明的一点是，由于采集过程中数据不可避免地会出现误差，随着误差的累积，目标无人机的惯性导航信息会逐渐偏离真实值，因此，往往需要通过其他导航信息来对惯性导航信息进行修正，以抑制惯性导航信息在捷联计算过程中的误差累积，从而减小导航信息的偏差。具体的，在本技术实施例中，无人机导航装置是通过无人机上安装的gnss接收机，接收到来自卫星导航系统的卫星导航信号，并对卫星导航信息进行解算，从而
得到无人机的卫星导航信息。然而，当因外界干扰导致无人机无法通过gnss接收机接收到卫星导航信号时，或者接收到质量差的卫星导航信息时，此时无人机导航装置无法解算得到准确的卫星导航信息，也就无法对惯性导航信息进行修正，会使得惯性导航信息因误差累积而快速发散，产生严重的导航偏差。
62.进一步的，为解决前述提到的gnss失效导致惯性导航信息快速发散，从而产生严重导航偏差的问题，本技术实施例还进一步利用到无人机上所安装的其他传感器组件。具体的，在本技术实施例中，无人机导航装置还会通过无人机上所安装的空速计获取得到无人机的真空速，也就是无人机相对于空气的飞行速度，并基于惯性导航信息以及真空速计算得到一个相对精确的风速信息，以便于后续在gnss干扰失效时，通过能够保持相对稳定的风速信息反向推导出无人机的实时速度，从而实现对惯性导航信息的修正。
63.202，根据所述惯性导航信息以及所述真空速确定风速信息。
64.本技术实施例中，结合前述描述可知，惯性导航信息中通常包含有位置信息、速度信息以及姿态信息，其中惯性导航信息中的速度信息通常是指无人机相对于地面的飞行速度，也就是地速。因此，基于惯性导航信息中的速度信息以及真空速，就可以计算得到实时的风速信息。
65.作为本技术的一种可选实施例，考虑到惯性导航信息中的速度信息以及真空速通常情况下是以不同的坐标系作为参考，具体的，例如惯性导航信息中的速度信息通常是以无人机重心为原点的北东地坐标系，也就是导航坐标系作为参考，而真空速则通常是以无人机重心为原点的前右下坐标系，也就是机体坐标系作为参考，因此，在根据惯性导航信息以及真空速确定风速信息的过程中，需要考虑导航坐标系与机体坐标系之间的变换，将地速与真空速映射到同一坐标系中进行计算，具体的计算过程可以参阅后续图4及其解释说明的内容。
66.进一步的，考虑到惯性导航信息中的速度信息会随着时间的累积而存在误差，因而导致计算出的风速不够精确，从而影响到后续利用风速信息对惯性导航信息进行修正的效果，作为本技术的另一可选实施例，是在卫星导航信号的信号强度高于预设的强度阈值时，利用gnss导航信息对惯性导航信息修正后，并基于修正后的导航信息来计算风速信息，实时更新存储，具体的实现方案可以参阅后续图5及其解释说明的内容。
67.203，若所述卫星导航信号的信号强度低于预设的强度阈值，则根据所述风速信息对所述惯性导航信息进行修正，得到第一导航信息。
68.结合前述描述可知，本技术实施例是为了解决在gnss导航信号失效情况下对惯性导航信息的修正。通常情况下，gnss导航信号失效可以是基于卫星导航信号的信号强度来判断，也就是当接收到的卫星导航信号的信号强度低于预设的强度阈值时，可以认为无人机处于gnss失效状态，此时无法通过gnss 导航信息来实现对惯性导航信息，则可以利用前述得到的风速信息以及真空速推测出无人机的速度信息，并利用该速度信息对惯性导航信息进行修正，得到修正后的导航信息，具体根据风速对惯性导航信息进行修正的实现过程可以参阅后续图3及其解释说明的内容。
69.进一步的，当风速信息有效时，可以利用风速信息对惯性导航信息进行修正，然而，当因外界干扰或其他因素导致风速信息失效时，此时，无法实现对导航信息中速度的修正。作为本技术的实施例，会放弃对导航信息中速度以及位置的估计，而仅仅保留对姿态的
有效输出，此时，具体的实现过程请参阅后续图7及其解释说明的内容。
70.本技术实施例中，在得到无人机的速度、位置、姿态等导航信息后，进一步结合目的地的位置信息，就可以实现对无人机的姿态以及速度的控制，避免无人机出现侧翻、丢失等异常。
71.本技术实施例提供的无人机导航方法，通过获取无人机的导航信息以及真空速，并利用导航信息和真空速预估出风速信息，从而在gnss信号拒止条件下，也就是卫星导航信号的信号强度低于预设的强度阈值时，能够利用预估出的风速信息对无人机的惯性导航信息进行修正，减小惯性导航信息的误差累积，使得在gnss失效情况下无人机的导航信息依然可靠。
72.如图3所示，图3为本技术实施例提供的一种根据风速对惯性导航信息进行修正的步骤流程示意图。详述如下。
73.本技术实施例中，提供了一种根据风速对惯性导航信息进行修正的实现过程，包括步骤301～302：
74.301，根据所述风速信息以及所述真空速，确定所述目标无人机的观测地速。
75.本技术实施例中，结合前述描述可知，真空速描述了无人机相对于空气的速度，因此，将实时采集得到的真空速减去风速，即可得到目标无人机的观测地速。此外，需要说明的是，若前述步骤中计算得到的风速信息与真空速并非参考同样的坐标系，则还需要对真空速和风速信息进行坐标系变换，以映射到相同的坐标系下进行计算。具体的，根据风速信息以及真空速，确定观测地速的计算公式如下：
[0076][0077]
其中，是与无人机姿态有关的从机体坐标系到导航坐标系的旋转矩阵，是通过空速计所直接采集得到的机体坐标系下的真空速，是前述估算出来的导航坐标系下的风速，即为待求的目标无人机的观测地速。
[0078]
302，根据所述观测地速以及所述惯性导航信息中的地速信息，对所述惯性导航信息进行滤波修正，得到第一导航信息。
[0079]
本技术实施例中，在得到目标无人机的观测地速后，利用相对较为准确的观测地速作为主观测信息，对惯性导航信息中的地速信息进行卡尔曼滤波处理，即可抑制惯性导航信息中速度、位置误差的累积，实现对惯性导航信息的修正，从而得到修正后的第一导航信息。
[0080]
如图4所示，图4为本技术实施例提供的一种根据惯性导航信息以及真空速确定风速信息的步骤流程示意图。详述如下。
[0081]
本技术实施例中，在确定风速的过程中，需要先对惯性导航信息以及真空速进行坐标变换处理，具体的，包括步骤401～403：
[0082]
401，根据所述惯性导航信息中的姿态信息确定坐标系旋转矩阵。
[0083]
本技术实施例中，结合前述描述可知，真空速通常情况下是以机体坐标系作为参考，而惯性导航信息中的地速信息通常是以导航坐标系作为参考。考虑到机体坐标系和导
航坐标系的差异在于机体坐标系是以机体的前右下作为坐标方向，而导航坐标系是以北东地作为坐标方向，也就是说，从机体坐标系切换至导航坐标系的坐标系旋转矩阵是与无人机的航向角，也就是无人机的姿态信息相关。因此，根据惯性导航信息中的姿态信息可以确定对应的从机体坐标系到导航坐标系的坐标系旋转矩阵。
[0084]
402，根据所述坐标系旋转矩阵对所述真空速进行处理，得到导航坐标系下的真空速。
[0085]
本技术实施例中，根据前述得到的坐标系旋转矩阵对真空速进行处理，就可以将实时采集得到的在机体坐标系下的真空速转换至在导航坐标系下的真空速。
[0086]
403，根据所述导航坐标系下的真空速以及所述惯性导航信息中的地速信息，确定导航坐标系下的风速信息。
[0087]
本技术实施例中，将导航坐标系下的真空速减去惯性导航信息中同样是以导航坐标系作为参考的地速，即可得到导航坐标系下的风速。
[0088]
具体的，为了更加清楚本技术实施例中根据惯性导航信息以及真空速确定风速信息的计算过程，下面具体给出了计算公式：
[0089][0090]
其中，是通过空速计所直接采集得到的以机体坐标系作为参考的真空速，而是与无人机姿态相关的从导航坐标系到机体坐标系的旋转矩阵，是通过惯性测量组件所计算得到的惯性导航信息中的速度信息，也就是无人机在导航坐标系下的地速，而则为本技术实施例中待估计的导航坐标系下的风速信息。
[0091]
本技术实施例，通过进一步利用惯性导航信息中的姿态信息确定与无人机姿态相关的变换矩阵，能够将不同坐标系下的真空速和地速映射到相同坐标系中，从而能够计算出更为准确的风速，便于后续利用风速修正得到更为准确的导航信息。
[0092]
如图5所示，图5为本技术实施例提供的另一种根据惯性导航信息以及真空速确定风速信息的步骤流程示意图。详述如下。
[0093]
本技术实施例中，提供了一种在gnss有效条件下对导航信息进行修正，从而得到更准确的风速信息的实现流程，具体的，包括步骤501～502：
[0094]
501，若所述卫星导航信号的信号强度高于或等于预设的强度阈值，则根据所述卫星导航信号对所述惯性导航信息进行修正，得到第二导航信息。
[0095]
本技术实施例中，在卫星导航信号的信号强度高于或等于预设的强度阈值，则可以认为无人机的gnss处于有效工作状态，此时，通过对gnss接收机接收到的卫星导航信号进行解算，可以得到无人机的gnss导航信息，利用该gnss 导航信息对惯性导航信息进行卡尔曼滤波修正，就可以修正惯性导航信息中的累积误差，从而输出优化后的导航信息。
[0096]
进一步的，作为本技术的可选实施例，除了基于gnss卫星导航信号对惯性导航信息进行修正外，还可以利用无人机上其他部署的传感器的数据对惯性导航信息进行修正，具体的实现方案可以参阅后续图6及其解释说明的内容。
[0097]
502，根据所述第二导航信息以及所述真空速确定风速信息。
[0098]
本技术实施例中，与现有技术相比，在gnss有效时，利用gnss导航信息对惯性导航信息进行修正，输出优化后的导航信息后，无人机导航装置还会进一步根据优化后的导航信息，也就是第二导航信息和采集得到的真空速计算得到实时风速。具体计算风速的过程可以是与前述图4所提供的方案相类似，区别仅仅在于所使用到的导航信息是经过gnss导航信息所修正后的惯性导航信息。具体的，也就是利用第二导航信息中的姿态信息确定相应的坐标系旋转矩阵，基于该坐标系旋转矩阵对真空速进行坐标变换处理，得到在导航坐标系下的真空速，然后利用导航坐标系下的真空速减去第二导航信息中的地速信息，即可得到最终的风速信息。
[0099]
本技术实施例提供的方法，在gnss信号有效时，除了利用gnss导航信息对惯性导航信息进行修正，得到优化后的惯性导航信息外，还会进一步根据优化后的惯性导航信息以及实时采集得到的真空速预估出风速信息，由于高空中的风速在短时间内基本可以保持稳定，因此，当因外界干扰导致gnss 失效后，就可以利用gnss失效前所最新预估得到的风速，结合实时采集得到的真空速反向推断出无人机的观测地速，从而实现对gnss失效时的惯性导航信息的修正，提高了无人机的导航效果。
[0100]
如图6所示，图6为本技术实施例提供的一种对惯性导航信息进行修正的步骤流程示意图。详述如下。
[0101]
本技术实施例中，提供了基于无人机上多种传感器的数据对惯性导航信息进行修正的实现方案，具体的，包括步骤601～603：
[0102]
601，获取所述目标无人机的航向角以及飞行高度。
[0103]
本技术实施例中，在无人机上所安装的磁力计采集得到的磁场强度和方向后，无人机导航装置能够根据实时的磁场强度和方向确定无人机的航向角，同样的，在无人机上所安装的气压计所采集得到气压后，无人机导航装置能够根据实时的气压值计算得到无人机的飞行高度。
[0104]
602，根据所述卫星导航信号、所述航向角以及所述飞行高度的数据统计特征从所述卫星导航信号、所述航向角以及所述飞行高度中确定目标修正信息。
[0105]
本技术实施例中，考虑到无人机在高空中飞行可能会存在传感器失灵等异常，因此，需要对传感器的有效性进行判断。具体的，可以是通过对传感器采集的数据进行数据统计，判断数据是否存在漂移等异常，也就是根据卫星导航信息、航向角以及飞行高度的数据统计特征，从卫星导航信号、航向角以及飞行高度中挑选出数据质量更优的数据来作为目标修正信息。
[0106]
603，根据所述目标修正信息对所述惯性导航信息进行修正，得到第二导航信息。
[0107]
本技术实施例中，若卫星导航信号的数据质量最优，则可以以gnss作为主观测导航源对惯性导航信息进行修正，若磁力计的数据质量最优，则可以以航向角作为航向观测导航源对惯性导航信息进行修正，若气压计的数据质量最优，则可以以飞行高度作为垂向通道观测导航源对惯性导航信息进行修正。具体利用不同的观测通道作为观测导航源对惯性导航信息进行修正的具体实现过程本技术实施例在此不再赘述。
[0108]
如图7所示，图7为本技术实施例提供的另一种对惯性导航信息进行修正的步骤流程示意图。详述如下。
[0109]
本技术实施例中，提出了另一种在gnss失效情况下对惯性导航信息进行修正的实
现方案，具体是在真空速有效，也就是计算得到的风速信息有效的情况下，才根据风速信息对所述惯性导航信息进行修正，若计算得到的风速信息无效，则仅仅保留对导航信息中无人机姿态的修正，具体的，包括步骤701～703：
[0110]
701，获取所述真空速的数据统计特征，并判断所述真空速的数据统计特征是否小于预设的特征阈值。若是，执行步骤702；若否，则执行步骤703。
[0111]
本技术实施例中，真空速的数据统计特征通常是指描述真空速数据波动的方差。具体的，当方差较大时，表明真空速的波动性较大，往往可能是空速计存在异常，即此时通过真空速所计算出来的风速也会存在较大的误差，不便于在gnss失效时对惯性导航信息中速度、位置等信息的修正，反之，当方差较小时，表明真空速的波动性较小，空速计质量良好，可以推算得到相对准确的风速，因而，可以用于在gnss失效时对惯性导航信息中速度、位置等信息的修正。
[0112]
702，根据所述风速信息对所述惯性导航信息进行修正，得到第一导航信息。
[0113]
本技术实施例中，在gnss失效但空速计良好时，也就是风速数据准确时，可以利用风速信息来对惯性导航信息中的位置、速度以及姿态等信息进行修正，得到修正后的第一导航信息。
[0114]
703，根据所述目标无人机的线性加速度对所述惯性导航信息中的姿态信息进行修正，得到修正姿态信息，并将所述修正姿态信息设为第一导航信息。
[0115]
本技术实施例中，在gnss失效且空速计数据较差时，此时无法估算出准确的风速信息，也就无法对惯性导航信息中的速度和位置进行有效的修正。此时，无人机导航装置会放弃对无人机速度以及位置的估计，而仅仅保留姿态的有效输出。具体的，无人机导航装置会根据加速度计的测量数据计算得到无人机机体坐标系相对地球坐标系的旋转，从而推断出无人机的姿态，即仅仅利用目标无人机的线性加速度对惯性导航信息中的姿态信息进行修正，得到修正后的姿态信息，以控制无人机，从而避免无人机出现侧翻等姿态异常问题。
[0116]
如图8所示，图8为本技术实施例提供的一种获取惯性导航信息的步骤流程示意图。详述如下。
[0117]
本技术实施例中，提供了具体获取惯性导航信息的实现方案，包括步骤 801～805：
[0118]
801，获取目标无人机的初始位置信息、初始速度信息、初始姿态信息、线性加速度以及角速度。
[0119]
本技术实施例中，考虑到无人机的惯性导航信息是实时捷联递推得到，因此，目标无人机的初始位置信息可以理解为上一时刻惯性导航信息中的位置信息，初始速度信息可以理解为上一时刻惯性导航信息中的速度信息、初始姿态信息可以理解为上一时刻惯性导航信息中的姿态信息。而线性加速度以及角速度则分别是由惯性测量组件中的三轴加速度计以及三轴陀螺仪仪输出得到。
[0120]
802，根据所述初始速度信息以及所述加速度，得到所述目标无人机的目标地速信息。
[0121]
本技术实施例中，通过对三轴加速度计输出的加速度的积分，即可得到无人机的速度变化量，结合目标无人机在上一时刻的初始速度，即可求得目标无人机在当前时刻的目标速度，该目标速度即为目标无人机的实时地速。同时，当前时刻的目标速度也会被视为
下一时刻目标无人机在上一时刻的初始速度。
[0122]
803，根据所述初始位置信息以及所述地速信息，得到所述目标无人机的目标位置信息。
[0123]
本技术实施例中，与加速度的积分相似，通过对地速信息进行累积，即可得到无人机的位移变化量，同时结合目标无人机在上一时刻的初始位置，即可求得目标无人机在当前时刻的目标位置，该目标位置即为目标无人机的实时位置。同时，当前时刻的目标位置也会被视为下一时刻目标无人机在上一时刻的初始位置信息。
[0124]
804，根据所述初始姿态信息以及所述角速度，得到所述目标无人机的目标姿态信息。
[0125]
本技术实施例中，同样的，通过对三轴陀螺仪测量得到的无人机在各个角度上的角速度进行积分，即可得到无人机在各个角度上的变化量，同时结合目标无人机在上一时刻的姿态信息，即可得到目标无人机在当前时刻的目标姿态，该目标姿态即为目标无人机的实时姿态信息。同时，当前时刻的目标姿态也会被视为下一时刻目标无人机在上一时刻的初始姿态信息。
[0126]
805，将所述目标地速信息、所述目标位置信息以及所述目标姿态信息设为所述目标无人机的惯性导航信息。
[0127]
本技术实施例中，前述捷联递推过程中所得到的目标地速信息、目标位置信息以及目标姿态信息即分别可以理解为惯性导航信息中的速度信息、位置信息以及姿态信息。并且可以理解的是，若捷联递推过程中初始位置信息、初始速度信息、初始姿态信息相对准确，则在短时间内利用惯性测量组件所测量得到的线性加速度以及角速度，可以捷联递推得到一个相对准确的惯性导航信息，但在长时间内随着线性加速度以及角速度的误差累积，惯性导航信息与真实值的误差会越来越大，因此，需要引入其他导航信息来对惯性导航信息进行修正。
[0128]
为了更清楚理解本技术实施例提供的无人机导航方法的具体实现方案，下面将结合图1～图8提供的实施例给出一种无人机导航方法的完整实现步骤。详述如下。
[0129]
1)实时采集无人机上安装的各类传感器的数据，包括：惯性测量组件中三轴加速度计和三轴陀螺的输出数据，gnss接收机接收的gnss信号，气压计输出数据，磁力计输出数据和空速计输出数据；
[0130]
2)对采集得到的各类数据进行相应的处理，得到相应的无人机信息，并根据采集得到的数据的统计特征判断对应的传感器的数据质量；例如，对三轴加速度计和三轴陀螺采集得到的数据进行捷联递推计算，得到无人机的惯性导航信息，对gnss信号进行解算得到无人机的gnss导航信息，对气压计输出数据进行换算，得到无人机的飞行高度，对磁力计输出数据进行换算，得到无人机的航向角，对空速计输出数据进行换算，得到无人机的真空速；
[0131]
3)通过比对gnss信号的信号强度与预设的强度阈值的大小关系，判断 gnss导航信息是否有效；
[0132]
4)若gnss信号的信号强度大于预设的强度阈值，也就是gnss导航信息有效时，则从gnss信号、气压计输出数据，磁力计输出数据中选取最优的传感器数据对无人机的惯性导航信息进行修正，得到修正后的惯性导航信息。具体的，若gnss信号最优，则利用gnss信
号解算得到的gnss导航信息作为主观测导航源，对无人机的惯性导航信息进行卡尔曼滤波修正；若磁力计输出数据质量最优，则利用磁力计输出数据得到的航向角作为航向观测导航源，对无人机的惯性导航信息进行卡尔曼滤波修正；若气压计输出数据质量最优，则利用气压计输出数据得到的飞行高度作为垂向通道观测导航源，对无人机的惯性导航信息进行卡尔曼滤波修正；
[0133]
5)在利用最优的传感器数据对无人机的惯性导航信息进行修正后，输出修正后的惯性导航信息以对无人机进行控制，同时，根据不同参考坐标系中空速、地速以及风速之间的关系，利用空速计输出数据得到的真空速和修正后的惯性导航信息中的速度信息计算得到风速信息，并存储为实时风速，然后返回至步骤1)继续采集无人机上安装的各类传感器的数据；
[0134]
6)若gnss信号的信号强度小于或等于预设的强度阈值，也就是gnss 导航信息失效时。则进一步判断空速计输出数据的有效性。
[0135]
7)若空速计质量良好，也就是空速计输出数据有效时，则提取步骤5) 中存储的实时风速，并根据不同参考坐标系中空速、地速以及风速之间的关系，利用步骤5)中存储的实时风速以及空速计计算得到观测地速，并利用观测地速对无人机的惯性导航信息进行卡尔曼滤波修正，得到修正后的惯性导航信息，并输出，以对无人机进行控制，然后返回至步骤1)继续采集无人机上安装的各类传感器的数据。
[0136]
8)若空速计输出数据也失效，则放弃对导航信息中速度，位置的估计，通过加速度计采集得到的数据计算得到无人机的机体坐标系相对地理坐标系的旋转，从而实现对导航信息中无人机姿态信息的修正，并将无人机的姿态信息作为导航信息输出，以对无人机的姿态进行控制，然后返回至步骤1)继续采集无人机上安装的各类传感器的数据。
[0137]
为了更好实施本技术实施例中的无人机导航方法，在无人机导航方法基础之上，本技术实施例中还提供一种无人机导航装置。如图9所示，图9是本技术实施例提供的一种无人机导航装置的结构示意图。具体的，无人机导航装置包括：
[0138]
获取模块901，用于获取目标无人机的惯性导航信息、卫星导航信号以及真空速；
[0139]
风速计算模块902，用于根据所述惯性导航信息以及所述真空速确定风速信息；
[0140]
导航修正模块903，用于若所述卫星导航信号的信号强度低于预设的强度阈值，则根据所述风速信息对所述惯性导航信息进行修正，得到第一导航信息。
[0141]
在本技术一些实施例中，上述导航修正模块包括：
[0142]
观测地速计算次模块，用于根据所述风速信息以及所述真空速，确定所述目标无人机的观测地速；
[0143]
滤波修正次模块，用于根据所述观测地速以及所述惯性导航信息中的地速信息，对所述惯性导航信息进行滤波修正，得到第一导航信息。
[0144]
在本技术一些实施例中，上述风速计算模块包括：
[0145]
旋转矩阵确定次模块，用于根据所述惯性导航信息中的姿态信息确定坐标系旋转矩阵；
[0146]
真空速变换次模块，用于根据所述坐标系旋转矩阵对所述真空速进行处理，得到导航坐标系下的真空速；
[0147]
风速计算次模块，用于根据所述导航坐标系下的真空速以及所述惯性导航信息中
的地速信息，确定导航坐标系下的风速信息。
[0148]
在本技术一些实施例中，上述风速计算模块包括：
[0149]
卫星导航修正次模块，用于若所述卫星导航信号的信号强度高于或等于预设的强度阈值，则根据所述卫星导航信号对所述惯性导航信息进行修正，得到第二导航信息；
[0150]
风速确定次模块，用于根据所述第二导航信息以及所述真空速确定风速信息。
[0151]
在本技术一些实施例中，上述卫星导航修正次模块包括：
[0152]
参数获取单元，用于获取所述目标无人机的航向角以及飞行高度；
[0153]
参数筛选单元，用于根据所述卫星导航信号、所述航向角以及所述飞行高度的数据统计特征从所述卫星导航信号、所述航向角以及所述飞行高度中确定目标修正信息；
[0154]
导航修正单元，用于根据所述目标修正信息对所述惯性导航信息进行修正，得到第二导航信息。
[0155]
在本技术一些实施例中，上述导航修正模块包括：
[0156]
数据统计特征获取次模块，用于若所述卫星导航信号的信号强度低于预设的强度阈值，则获取所述真空速的数据统计特征；
[0157]
第一修正次模块，用于若所述真空速的数据统计特征小于预设的特征阈值，则执行所述根据所述风速信息对所述惯性导航信息进行修正，得到第一导航信息的步骤；
[0158]
第二修正次模块，用于若所述真空速的数据统计特征大于或等于预设的特征阈值，则根据所述目标无人机的线性加速度对所述惯性导航信息中的姿态信息进行修正，得到修正姿态信息，并将所述修正姿态信息设为第一导航信息。
[0159]
在本技术一些实施例中，上述获取模块包括：
[0160]
初始导航信息获取次模块，用于获取目标无人机的初始位置信息、初始速度信息、初始姿态信息、线性加速度以及角速度；
[0161]
地速计算次模块，用于根据所述初始速度信息以及所述加速度，得到所述目标无人机的目标地速信息；
[0162]
位置计算次模块，用于根据所述初始位置信息以及所述地速信息，得到所述目标无人机的目标位置信息；
[0163]
姿态确定次模块，用于根据所述初始姿态信息以及所述角速度，得到所述目标无人机的目标姿态信息；
[0164]
惯性导航信息更新次模块，用于将所述目标地速信息、所述目标位置信息以及所述目标姿态信息设为所述目标无人机的惯性导航信息。
[0165]
本技术实施例还提供一种无人机导航设备，如图10所示，图10是本技术实施例提供的一种无人机导航设备的结构示意图。
[0166]
无人机导航设备包括存储器、处理器以及存储于存储器中，并可在处理器上运行的无人机导航程序，处理器执行无人机导航程序时实现本技术任一实施例提供的无人机导航方法中的步骤。
[0167]
具体来讲：无人机导航设备可以包括一个或者一个以上处理核心的处理器 1001、一个或一个以上存储介质的存储器1002、电源1003和输入单元1004等部件。本领域技术人员可以理解，图10中示出的无人机导航设备结构并不构成对无人机导航设备的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件布置。其中：
[0168]
处理器1001是该无人机导航设备的控制中心，利用各种接口和线路连接整个无人机导航设备的各个部分，通过运行或执行存储在存储器1002内的软件程序和/或模块，以及调用存储在存储器1002内的数据，执行无人机导航设备的各种功能和处理数据，从而对无人机导航设备进行整体监控。可选的，处理器 1001可包括一个或多个处理核心；优选的，处理器1001可集成应用处理器和调制解调处理器，其中，应用处理器主要处理操作系统、用户界面和应用程序等，调制解调处理器主要处理无线通信。可以理解的是，上述调制解调处理器也可以不集成到处理器1001中。
[0169]
存储器1002可用于存储软件程序以及模块，处理器1001通过运行存储在存储器1002的软件程序以及模块，从而执行各种功能应用以及数据处理。存储器 1002可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序(比如声音播放功能、图像播放功能等)等；存储数据区可存储根据无人机导航设备的使用所创建的数据等。此外，存储器 1002可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他易失性固态存储器件。相应地，存储器1002 还可以包括存储器控制器，以提供处理器1001对存储器1002的访问。
[0170]
无人机导航设备还包括给各个部件供电的电源1003，优选的，电源1003 可以通过电源管理系统与处理器1001逻辑相连，从而通过电源管理系统实现管理充电、放电、以及功耗管理等功能。电源1003还可以包括一个或一个以上的直流或交流电源、再充电系统、电源故障检测电路、电源转换器或者逆变器、电源状态指示器等任意组件。
[0171]
该无人机导航设备还可包括输入单元1004，该输入单元1004可用于接收输入的数字或字符信息，以及产生与用户设置以及功能控制有关的键盘、鼠标、操作杆、光学或者轨迹球信号输入。
[0172]
尽管未示出，无人机导航设备还可以包括显示单元等，在此不再赘述。具体在本实施例中，无人机导航设备中的处理器1001会按照如下的指令，将一个或一个以上的应用程序的进程对应的可执行文件加载到存储器1002中，并由处理器1001来运行存储在存储器1002中的应用程序，从而实现本技术任一实施例所提供的无人机导航方法中的步骤。
[0173]
为此，本技术实施例提供一种计算机可读存储介质，该计算机存储介质可以包括：只读存储器(rom，read only memory)、随机存取记忆体(ram， random access memory)、磁盘或光盘等。计算机可读存储介质上存储有无人机导航程序，无人机导航程序被处理器执行时实现本技术任一实施例所提供的无人机导航方法中的步骤。
[0174]
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见上文针对其他实施例的详细描述，此处不再赘述。
[0175]
具体实施时，以上各个单元或结构可以作为独立的实体来实现，也可以进行任意组合，作为同一或若干个实体来实现，以上各个单元或结构的具体实施可参见前面的方法实施例，在此不再赘述。
[0176]
以上各个操作的具体实施可参见前面的实施例，在此不再赘述。
[0177]
以上对本技术实施例所提供的一种无人机导航方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

技术特征：
1.一种无人机导航方法，其特征在于，包括：获取目标无人机的惯性导航信息、卫星导航信号以及真空速；根据所述惯性导航信息以及所述真空速确定风速信息；若所述卫星导航信号的信号强度低于预设的强度阈值，则根据所述风速信息对所述惯性导航信息进行修正，得到第一导航信息。2.根据权利要求1所述的无人机导航方法，其特征在于，所述根据所述风速信息对所述惯性导航信息进行修正，得到第一导航信息，包括：根据所述风速信息以及所述真空速，确定所述目标无人机的观测地速；根据所述观测地速以及所述惯性导航信息中的地速信息，对所述惯性导航信息进行滤波修正，得到第一导航信息。3.根据权利要求1所述的无人机导航方法，其特征在于，所述根据所述惯性导航信息以及所述真空速确定风速信息，包括：根据所述惯性导航信息中的姿态信息确定坐标系旋转矩阵；根据所述坐标系旋转矩阵对所述真空速进行处理，得到导航坐标系下的真空速；根据所述导航坐标系下的真空速以及所述惯性导航信息中的地速信息，确定导航坐标系下的风速信息。4.根据权利要求1所述的无人机导航方法，其特征在于，所述根据所述惯性导航信息以及所述真空速确定风速信息，包括：若所述卫星导航信号的信号强度高于或等于预设的强度阈值，则根据所述卫星导航信号对所述惯性导航信息进行修正，得到第二导航信息；根据所述第二导航信息以及所述真空速确定风速信息。5.根据权利要求4所述的无人机导航方法，其特征在于，所述根据所述卫星导航信号对所述惯性导航信息进行修正，得到第二导航信息，包括：获取所述目标无人机的航向角以及飞行高度；根据所述卫星导航信号、所述航向角以及所述飞行高度的数据统计特征从所述卫星导航信号、所述航向角以及所述飞行高度中确定目标修正信息；根据所述目标修正信息对所述惯性导航信息进行修正，得到第二导航信息。6.根据权利要求1所述的无人机导航方法，其特征在于，所述若所述卫星导航信号的信号强度低于预设的强度阈值，则根据所述风速信息对所述惯性导航信息进行修正，得到第一导航信息，包括：若所述卫星导航信号的信号强度低于预设的强度阈值，则获取所述真空速的数据统计特征；若所述真空速的数据统计特征小于预设的特征阈值，则根据所述风速信息对所述惯性导航信息进行修正，得到第一导航信息；若所述真空速的数据统计特征大于或等于预设的特征阈值，则根据所述目标无人机的线性加速度对所述惯性导航信息中的姿态信息进行修正，得到修正姿态信息，并将所述修正姿态信息设为第一导航信息。7.根据权利要求1～6任一所述的无人机导航方法，其特征在于，所述获取目标无人机的惯性导航信息，包括：
获取目标无人机的初始位置信息、初始速度信息、初始姿态信息、线性加速度以及角速度；根据所述初始速度信息以及所述加速度，得到所述目标无人机的目标地速信息；根据所述初始位置信息以及所述地速信息，得到所述目标无人机的目标位置信息；根据所述初始姿态信息以及所述角速度，得到所述目标无人机的目标姿态信息；将所述目标地速信息、所述目标位置信息以及所述目标姿态信息设为所述目标无人机的惯性导航信息。8.一种无人机导航装置，其特征在于，包括：获取模块，用于获取目标无人机的惯性导航信息、卫星导航信号以及真空速；风速计算模块，用于根据所述惯性导航信息以及所述真空速确定风速信息；导航修正模块，用于若所述卫星导航信号的信号强度低于预设的强度阈值，则根据所述风速信息对所述惯性导航信息进行修正，得到第一导航信息。9.一种无人机导航设备，其特征在于，所述无人机导航设备包括处理器、存储器以及存储于所述存储器中并可在所述处理器上运行的无人机导航程序，所述处理器执行所述无人机导航程序以实现权利要求1至7任一项所述的无人机导航方法中的步骤。10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有无人机导航程序，所述无人机导航程序被处理器执行以实现权利要求1至7任一项所述的无人机导航方法中的步骤。

技术总结
本申请实施例提供一种无人机导航方法、装置、设备及计算机可读存储介质，方法包括：获取目标无人机的惯性导航信息、卫星导航信号以及真空速；根据所述惯性导航信息以及所述真空速确定风速信息；若所述卫星导航信号的信号强度低于预设的强度阈值，则根据所述风速信息对所述惯性导航信息进行修正，得到第一导航信息。本申请实施例提供的无人机导航方法，通过获取无人机的导航信息以及真空速，并利用导航信息和真空速预估出风速信息，能够在GNSS信号失效时，利用预估出的风速信息对无人机的惯性导航信息进行修正，减小惯性导航信息的误差累积，使得在GNSS失效情况下无人机的导航信息依然可靠。可靠。可靠。


技术研发人员：匡杉
受保护的技术使用者：丰翼科技（深圳）有限公司
技术研发日：2022.02.17
技术公布日：2023/8/31