本發(fā)明涉及計算機視覺、圖像處理，具體為基于視覺slam的無人機自主定位導(dǎo)航系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

1、在無人機自主定位導(dǎo)航領(lǐng)域，基于視覺slam(simultaneous?localization?andmapping，即同時定位與地圖構(gòu)建)的技術(shù)因其在復(fù)雜環(huán)境下的適應(yīng)性和高效性，已成為研究熱點。然而，現(xiàn)有技術(shù)仍面臨諸多挑戰(zhàn)，尤其是在定位精度與誤差積累以及地圖維護與管理方面，這些問題嚴(yán)重制約了視覺slam技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用。

2、在定位精度與誤差積累方面，初始定位誤差是一個關(guān)鍵問題。無人機在啟動時的位置估計一旦不準(zhǔn)確，或者視覺slam系統(tǒng)的初始化過程存在誤差，這些偏差會在后續(xù)的定位過程中逐漸累積，導(dǎo)致定位結(jié)果越來越偏離真實位置。此外，長期誤差積累也不容忽視。即使初始定位準(zhǔn)確，隨著時間的推移和無人機的持續(xù)飛行，由于傳感器噪聲、計算舍入誤差等因素的影響，定位誤差也會不斷積累，使得地圖的精度逐漸降低，最終可能導(dǎo)致定位失敗或?qū)Ш藉e誤。

3、在地圖維護與管理方面，大規(guī)模地圖存儲與管理也是一個挑戰(zhàn)。在長時間的飛行任務(wù)中，無人機需要構(gòu)建大規(guī)模的環(huán)境地圖，這對地圖的存儲和管理提出了極高的要求。如果地圖數(shù)據(jù)過大，不僅會占用大量的存儲空間，還會影響數(shù)據(jù)的讀寫速度和系統(tǒng)的運行效率。此外，地圖更新不及時也是一個問題。當(dāng)環(huán)境發(fā)生變化時，如新增或移除了障礙物，視覺slam系統(tǒng)需要及時更新地圖。然而，如果地圖更新不及時，就會導(dǎo)致無人機在導(dǎo)航過程中出現(xiàn)碰撞風(fēng)險或無法找到正確的路徑。

4、因此，如何提高定位精度、抑制誤差積累以及優(yōu)化地圖存儲與更新機制，是當(dāng)前基于視覺slam的無人機自主定位導(dǎo)航系統(tǒng)及方法亟待解決的關(guān)鍵問題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、(一)解決的技術(shù)問題

2、針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了基于視覺slam的無人機自主定位導(dǎo)航系統(tǒng)及方法，具備高定位精度、無誤差積累以及地圖更新快的優(yōu)點，解決了現(xiàn)有技術(shù)中定位精度低和誤差積累多以及地圖維護與管理能力差的問題。

3、(二)技術(shù)方案

4、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：基于視覺slam的無人機自主定位導(dǎo)航系統(tǒng)，包括無人機導(dǎo)航數(shù)據(jù)獲取模塊、無人機導(dǎo)航數(shù)據(jù)計算模塊、無人機分析模塊、無人機判斷模塊和無人機執(zhí)行模塊；

5、所述無人機導(dǎo)航數(shù)據(jù)獲取模塊包括初始定位數(shù)據(jù)采集單元、環(huán)境影響定位數(shù)據(jù)采集單元和地圖內(nèi)存登記數(shù)據(jù)采集單元；

6、所述初始定位數(shù)據(jù)采集單元通過視覺傳感器和慣性測量儀器采集初始定位數(shù)據(jù)，所述環(huán)境影響定位數(shù)據(jù)采集單元通過視覺傳感器、噪聲傳感器和激光雷達(dá)采集環(huán)境影響定位數(shù)據(jù)，所述地圖內(nèi)存登記數(shù)據(jù)采集單元通過歷史地圖存儲管理庫和地圖更新軟件采集地圖內(nèi)存登記數(shù)據(jù)，所述初始定位數(shù)據(jù)采集單元、環(huán)境影響定位數(shù)據(jù)采集單元和地圖內(nèi)存登記數(shù)據(jù)采集單元通過網(wǎng)絡(luò)與無人機導(dǎo)航數(shù)據(jù)計算模塊連接；

7、所述無人機導(dǎo)航數(shù)據(jù)計算模塊包括系統(tǒng)定位精度計算單元、環(huán)境影響計算單元和地圖內(nèi)存登記數(shù)據(jù)計算單元；

8、所述系統(tǒng)定位精度計算單元根據(jù)初始定位數(shù)據(jù)計算系統(tǒng)定位精度vz，所述環(huán)境影響計算單元根據(jù)環(huán)境影響定位數(shù)據(jù)計算環(huán)境校正系數(shù)ru，所述地圖內(nèi)存登記數(shù)據(jù)計算單元根據(jù)地圖內(nèi)存登記數(shù)據(jù)計算地圖內(nèi)存最佳刪減上限sj與最佳刪減下限lj，所述系統(tǒng)定位精度計算單元、環(huán)境影響計算單元和地圖內(nèi)存登記數(shù)據(jù)計算單元通過網(wǎng)絡(luò)與無人機分析模塊和無人機判斷模塊連接。

9、優(yōu)選的，所述初始定位數(shù)據(jù)采集單元根據(jù)初始定位數(shù)據(jù)特征對第i個真實位置坐標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)編號，所述第i個真實位置坐標(biāo)編號為分別代表第i個真實位置坐標(biāo)在三維空間中的x、y和z坐標(biāo)值。

10、優(yōu)選的，所述環(huán)境影響定位數(shù)據(jù)采集單元根據(jù)環(huán)境影響定位數(shù)據(jù)特征對第i個匹配點在初始畫面中的點位和第i個匹配點在受到環(huán)境影響后的點位進(jìn)行數(shù)據(jù)編號，所述第i個匹配點在初始畫面中的點位和第i個匹配點在受到環(huán)境影響后的點位分別編號為hi和gi。

11、優(yōu)選的，所述地圖內(nèi)存登記數(shù)據(jù)采集單元根據(jù)地圖內(nèi)存登記數(shù)據(jù)特征對系統(tǒng)中剩余的可用存儲空間與當(dāng)前地圖數(shù)據(jù)占用的內(nèi)存大小進(jìn)行數(shù)據(jù)編號，所述系統(tǒng)中剩余的可用存儲空間與當(dāng)前地圖數(shù)據(jù)占用的內(nèi)存大小分別編號為k1和k2。

12、優(yōu)選的，所述系統(tǒng)定位精度計算單元根據(jù)初始定位數(shù)據(jù)計算系統(tǒng)定位精度vz，其計算公式為：

13、

14、公式中，vz表示系統(tǒng)定位精度，表示第i個真實位置坐標(biāo)，表示第i個系統(tǒng)預(yù)測位置坐標(biāo)，n表示位置坐標(biāo)總數(shù)。

15、優(yōu)選的，所述環(huán)境影響計算單元根據(jù)環(huán)境影響定位數(shù)據(jù)計算環(huán)境校正系數(shù)ru，其計算公式為：

16、

17、公式中，ru表示環(huán)境校正系數(shù)，hi表示第i個匹配點在初始畫面中的點位，gi表示第i個匹配點在受到環(huán)境影響后的點位，t表示位姿變換矩陣，||·||表示歐幾里得距離，表示位姿變換矩陣，n表示匹配點個數(shù)。

18、優(yōu)選的，所述地圖內(nèi)存登記數(shù)據(jù)計算單元根據(jù)地圖內(nèi)存登記數(shù)據(jù)計算地圖內(nèi)存最佳刪減上限sj，其計算公式為：

19、

20、公式中，sj表示地圖內(nèi)存最佳刪減上限，k1表示系統(tǒng)中剩余的可用存儲空間，k2表示當(dāng)前地圖數(shù)據(jù)占用的內(nèi)存大小，γ表示系統(tǒng)預(yù)設(shè)的刪減上限比例。

21、優(yōu)選的，所述地圖內(nèi)存登記數(shù)據(jù)計算單元根據(jù)地圖內(nèi)存登記數(shù)據(jù)計算地圖內(nèi)存最佳刪減下限lj，其計算公式為：

22、lj＝max(k2-k1,k2*β)

23、公式中，lj表示地圖內(nèi)存最佳刪減下限，k1表示系統(tǒng)中剩余的可用存儲空間，k2表示當(dāng)前地圖數(shù)據(jù)占用的內(nèi)存大小，β表示系統(tǒng)預(yù)設(shè)的刪減下限比例。

24、優(yōu)選的，所述無人機分析模塊根據(jù)導(dǎo)航數(shù)據(jù)計算模塊的結(jié)果，分析定位精度是否滿足要求；

25、所述無人機判斷模塊根據(jù)導(dǎo)航數(shù)據(jù)計算模塊的結(jié)果判斷誤差積累是否在接受范圍內(nèi)，地圖是否需要更新；

26、所述無人機執(zhí)行模塊根據(jù)無人機分析模塊和無人機判斷模塊的評定結(jié)果，執(zhí)行相應(yīng)指令。

27、優(yōu)選的，基于視覺slam的無人機自主定位導(dǎo)航方法，包括以下步驟：

28、步驟一、建立無人機導(dǎo)航數(shù)據(jù)獲取模塊、無人機導(dǎo)航數(shù)據(jù)計算模塊、無人機分析模塊、無人機判斷模塊和無人機執(zhí)行模塊；

29、步驟二、無人機導(dǎo)航數(shù)據(jù)獲取模塊采集數(shù)據(jù)；

30、步驟三、無人機導(dǎo)航數(shù)據(jù)計算模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)計算；

31、步驟四、無人機分析模塊根據(jù)導(dǎo)航數(shù)據(jù)計算模塊的結(jié)果，分析定位精度是否滿足要求；

32、步驟五、無人機判斷模塊根據(jù)導(dǎo)航數(shù)據(jù)計算模塊的結(jié)果判斷誤差積累是否在接受范圍內(nèi)，地圖是否需要更新；

33、步驟六、無人機執(zhí)行模塊根據(jù)無人機分析模塊和無人機判斷模塊的評定結(jié)果，執(zhí)行相應(yīng)指令。

34、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供了基于視覺slam的無人機自主定位導(dǎo)航系統(tǒng)及方法，具備以下有益效果：

35、1、本發(fā)明通過計算系統(tǒng)定位精度vz，評估系統(tǒng)使用的可靠性，為無人機提供準(zhǔn)確的定位導(dǎo)向，有助于提高無人機導(dǎo)航的準(zhǔn)確性，能夠及時發(fā)現(xiàn)定位過程中的問題，為后續(xù)系統(tǒng)的調(diào)整提供及時的反饋。

36、2、本發(fā)明通過計算環(huán)境校正系數(shù)ru能夠有效補償環(huán)境誤差，提高定位精度，根據(jù)實時環(huán)境變化調(diào)整環(huán)境校正系數(shù)ru，使系統(tǒng)能夠適應(yīng)不同的工作環(huán)境。

37、3、本發(fā)明通過地圖內(nèi)存登記數(shù)據(jù)計算單元計算地圖內(nèi)存最佳刪減上限sj與最佳刪減下限lj，能確保地圖數(shù)據(jù)在滿足導(dǎo)航需求的前提下，合理占用系統(tǒng)內(nèi)存，防止內(nèi)存溢出，通過設(shè)定最小保留量，保證地圖的基本功能不受影響，維持系統(tǒng)的正常運行和導(dǎo)航功能。