基于混合特征匹配的微惯性∕激光雷达组合导航方法

《基于混合特征匹配的微惯性∕激光雷达组合导航方法》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaSep．252014V01．35No．92583—2592ISSN1000．6893CN11．1929／Vhttp：#hkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaa．edu．cn基于混合特征匹配的微惯性／激光雷达组合导航方法杭义军，刘建业*，李荣冰，孙永荣南京航空航天大学导航研究中心，江苏南京210016摘要：微惯性／激光雷达(MEMSIMU／LADAR)组合导航系统在室内应用时，由于室内结构化环境下环境特征(如点和线段)

2、分布稀疏，传统的单一特征匹配算法存在观测盲区，易造成导航定位参数估计误差大的问题。基于此，研究了激光雷达自适应数据分割方法的点和线段的特征提取算法，提出了基于混合特征匹配观测模型的MEMSIMU／LADR扩展卡尔曼滤波(EKF)算法。同时，设计了MEMSIMU／LADR组合导航试验样机，在室内环境下通过试验对滤波算法进行了验证。结果表明：提出的算法在室内结构化环境下相比传统单一点或线特征匹配组合定位算法的定位精度可提高60％，对于小型旋翼无人飞行器在室内结构化环境中的高精度定位具有较高的参考意义。关键词

3、：微惯性测量单元；激光雷达；混合特征匹配算法；扩展卡尔曼滤波；同步定位与建图中图分类号：V249．32+8文献标识码：A文章编号：1000—6893(2014)09—2583—10激光雷达从测绘领域进入导航领域的最初阶段主要应用于同步定位与测图(SimultaneousLocalizationandMapping，SLAM)技术中[1’3]，主要承担道路检测、环境识别、障碍规避以及地图创建等任务。但不久之后，研究者们就意识到激光雷达对环境特征的描述能力有助于提高导航系统性能，从而开始研究基于激光雷达辅助

4、的组合导航技术，其中最主要的组合方式就是与惯性导航系统的信息融合。近年来，基于惯性／激光雷达的信息组合导航技术得到了快速的发展，已成为重要的导航技术研究热点之一[4_6]。随着小型无人飞行器(ig括小型固定翼无人飞行器及小型旋翼无人飞行器)研究的不断深入，微惯性／激光雷达(MEMSIMU／LADAR)组合导航系统作为一种具备小体积、高精度且可同时提供载体位姿和环境特征信息的新型导航方式得到了国内外越来越多研究机构的重视[7_9]。在基于微惯性(MEMSIMU)和小型化激光雷达的MEMSIMU／LADAR

5、组合导航系统中，微惯性系统可辅助解决激光雷达探测信息的运动学推算问题，而在特征丰富区域，激光雷达获得的精确的相对定位信息可抑制微惯性系统导航定位参数的发散，且通过自身定位与环境特征地图的同步估计、匹配将两者信息进一步融合以提升各自性能。MEMSIMU／LADAR组合导航是解决小型旋翼无人飞行器未知环境探测、近地面或室内导航等问题的重要途径[10‘”j。MEMSIMU／LADAR组合导航系统的定位性能不仅取决于MEMSIMU和激光雷达传感器的性能指标，还与激光雷达数据中环境特征提取和匹配算法、信息融合滤波

6、算法以及系统软硬件设计有很大的相关性。在结构化环境中，由于墙收稿日期：2013．11-27；退修日期：2014-01-23；录用日期：2014·03-05；网络出版时问：2014-04—0411：29网络出版地址：wwwcnki．net／kcms／detail／111929．V．20140404．1129．001．html基金项目：国家自然科学基金(61273057，61374115)；江苏省普通高校研究生科研创新项目(CXZZl2—0159)*通讯作者．Tel．：025—84892304E-mail：

7、Ijyac@nuaa．eduCR弓

8、用罄武

9、HangYJ，LiuJY．LiRB．eta1．MEMS

10、Mu／LADARintegratednavigationmethodbasedonmixedfeaturematchEJ，，ActaAero．nauticaetAstronauticaSinica．2014，35(9)：2583-2592．杭义军，触建业．李荣冰，等．基f混合特征匹配的缀惯性／激光雷达组合导航方法[JI．航空学报．2014．35(9)：2583-2592．航空学报Sep，252014V01

11、．35No9壁(线段)、墙角(点)的特征分布稀疏，在一些特殊角度上激光雷达一次扫描所能提供的观测信息较少，观测噪声大；另一方面，由于MEMSIMU精度一般较低，在没有有效观测量修正时，位置、速度发散速度快，传统的基于点或线段匹配的单一特征匹配与信息融合算法，没有充分利用结构化环境中的不同环境特征参数，在一些特殊运动状态及观测角度上存在观测盲区，无法有效抑制低精度MEMSIMU的误差发散，导致组合定位误差增大[13-is]。本文针对室内结构化