无人机的gps速度及位置观测异常值检测方法

无人机的gps速度及位置观测异常值检测方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及无人机上GI^S应用技术领域，特别设及一种无人机的GI^S速度及位置 观测异常值检测方法。
【背景技术】
[0002] 无人机因其具有费效比低、部署迅速和零伤亡等特点，被广泛应用于军事和民用 领域，可在灾难场景监测、航拍、捜救、基础设施监察等领域发挥重要作用。
[0003] 无人机在室外场景执行任务时，一般要使用GI^S等装置辅助定位，将GI^S观测数据 与无人机自带的IMU传感器数据进行融合可W得到相对准确的速度和位置估计。但复杂的 飞行环境中，无人机很容易受到电磁、复杂气候W及高大建筑物等的干扰和遮挡，无法获得 有效的GI^S观测数据，容易造成定位数据突变、速度和位置融合估计结果偏差较大，引起无 人机的飞行控制算法出现问题导致坠毁等事故。
[0004] 现在的搭载GI^S等定位装置的无人机应用中，传统的方法是提高GI^S速度及位置 观测数据的可信度口槛，在GI^S获取的数据超过足够高的置信度之后，才使用GI^S数据。但 面临着两个问题，一方面，极大限制了无人机的应用场景；另一方面，GI^S数据即使在某一 时刻之后可W使用，也无法保证其数据持续有效，必须要在使用过程中随时判断GI^S观测 数据的可信度。

【发明内容】

[0005] 本发明的目的旨在至少解决上述的技术缺陷之一。
[0006] 为此，本发明的目的在于提出一种无人机的GI^S速度及位置观测异常值检测方 法。该方法可W提升无人机的飞行安全性。
[0007] 为了实现上述目的，本发明公开了一种无人机的GI^S速度及位置观测异常值检测 方法，所述无人机设置有加速度计和GI^S定位装置，所述方法包括W下步骤；获取所述加速 度计的传感器数据与所述GI^S定位装置的观测数据融合之后得到的速度估计值和位置估 计值；预定时间之后，计算所述加速度计观测得到的速度变化量和位置变化量，并记录所述 GI^S定位装置的速度观测结果和位置观测结果；根据所述速度估计值和所述速度观测结果 得到所述GI^S定位装置的速度观测误差，并根据所述位置估计值和所述位置观测结果得到 所述GI^S定位装置的位置观测误差；W及判断所述速度变化量与所述速度观测误差的差值 的绝对值是否小于第一阔值，如果否，则判定所述GI^S定位装置的速度观测结果异常，并判 断所述位置变化量与所述位置观测误差的差值的绝对值是否小于第二阔值，如果否，则判 定所述GI^S定位装置的位置观测结果异常。
[0008] 根据本发明实施例的无人机的GI^S速度及位置观测异常值检测方法，可W快速检 测GI^S速度和位置观测引入的突变值，避免因环境干扰引起的GI^S失效导致无人机坠毁事 故，可W大大提升无人机飞行控制精度，提升无人机的飞行安全性。
[0009] 在本发明的一个实施例中，所述加速度计的传感器数据包括加速度，所述加速度 指无人机体坐标系下的加速度电f，包含xyz=个方向上的分量，表示为：
[0010]
[0011] 在本发明的一个实施例中，所述加速度与北东地坐标系下的加速度之间 的转换关系为
[0012]
[001引其中Kx、Ky、Kz分别为无人机与北东地坐标系下xyzS个轴之间的欧拉角。
[0014]在本发明的一个实施例中，所述预定时间之后，所述加速度计观测得到的速度变 化量指：北东地坐标系下的速度变化量A&,.，其中，所述= <。心，其中，所述At为所 述预定时间。
[0015]在本发明的一个实施例中，所述GI^S定位装置的速度观测误差为：
[0016]
[0017] 其中，所述&为初始时刻加速度计传感器数据与GI^S速度观测融合得到的速度估 计值，巧;为所述预定时间后所述GPS定位装置的速度观测结果。
[0018]在本发明的一个实施例中，如果所述叫么叫，则判定所述6口8定位装 置的速度观测结果正常，否则判定为异常，其中，所述A&为所述第一阔值。
[0019]在本发明的一个实施例中，所述预定时间之后，所述加速度计观测得到的位置变 化量指北东地坐标系下的位置变化量么&,。，其中，
[0020]
[0021] 在本发明的一个实施例中，所述GI^S定位装置的位置观测误差为：
[0022]
[0023] 其中，所述&为初始时刻加速度计传感器数据与GI^S速度观测融合得到的位置估 计值。
[0024]在本发明的一个实施例中，当满足所述|a亮PS- 叫A&I时，判定所述GPS定位 装置的位置观测结果正常，否则判定为异常，其中，所述A&为所述第二阔值。
[0025]本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变 得明显，或通过本发明的实践了解到。
【附图说明】
[0026] 本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变 得明显和容易理解，其中，
[0027] 图1为根据本发明一个实施例的GI^S速度及位置观测异常值检测方法的流程图；
[0028] 图2为根据本发明一个实施例的GI^S速度及位置观测异常值检测方法的GI^S速度 观测误差示意图；W及
[0029] 图3为根据本发明一个实施例的GI^S速度及位置观测异常值检测方法的GI^S位置 观测误差示意图。
【具体实施方式】
[0030] 下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同 或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描 述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[003。 在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中屯、V纵向V横向V上V吓V前"、 "后"、"左"、"右"、"竖直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"等指示的方位或位置关系为基于 附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所 指的装置或元件必须具有特定的方位、W特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发 明的限制。此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要 性。
[0032] 在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语"安装"、'哺 连"、"连接"应做广义理解，例如，可W是固定连接，也可W是可拆卸连接，或一体地连接；可 W是机械连接，也可W是电连接；可W是直接相连，也可W通过中间媒介间接相连，可W是 两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可W具体情况理解上述术语在本 发明中的具体含义。
[0033] W下结合附图描述根据本发明实施例的无人机的GI^S速度及位置观测异常值检 测方法。
[0034] 图1为根据本发明一个实施例的无人机的GI^S速度及位置观测异常值检测方法的 流程图。如图1所示，该方法包括W下步骤：
[0035] 步骤S101 ;获取加速度计的传感器数据与GI^S定位装置的观测数据融合之后得到 的速度估计值和位置估计值。在无人机能够正常使用GPS的观测数据时，记录加速度计与 GI^S定位装置的GI^S速度观测融合之后得到的速度估计值与加速度计与GI^S位置观测融 合之后得到的位置估计值& 〇
[0036] 步骤S102 ;预定时间之后，计算加速度计观测得到的速度变化量和位置变化量， 并记录GI^S定位装置的速度观测结果和位置观测结果。
[0037] 预定时间（即单位时间间隔）之后，计算加速度计观测得到的速度变化和位置变 化。在该里的一个假设是，认为很短的单位时间At内，无人机上的加速度计不会发生观测 数据的突变和大量漂移，进而W加速度计为基准，计算无人机的速度变化和位置变化。
[0038] 首先需要获得北东地坐标系下无人机的加速度3wed与无人机机体坐标系下的加 速度是。。的转换关系，即；加速 度屯K与北东地坐标系下的加速度Smcd之间的转换关系为：
[0039]
[0040] 其中Ky、Ky、K,分别为无人机与北东地坐标系下xyzS个轴之间的欧拉角。
[0041] 无人机的加速度计所获得的加速度或。。，包含xyz=个方向上的分量，即；加速度 计的传感器数据包括加速度，加速度指无人机体坐标系下的加速度或"，包含xyz=个方向 上的分量，表示为：
[0042]
[0043] 由此，可计算在单位时间At内，无人机的速度变化为兩ecAf。即；预定 时间之后，加速度计观测得到的速度变化量指北东地坐标系下的速度变化量^^^，其中， A^lt.=兩EDAf，其中，At为上述的预定时间。
[0044] 步骤S103;根据速度估计值和速度观测结果得到GPS定位装置的速度观测误差， 并根据位置估计值和位置观测结果得到GI^S定位装置的位置观测误差。
[004引 GPS定位装置的GPS观测数据在可W使用的情况下，单位时间At时，GPS的速度 观测结果为&PS，即；GI^S定位装置的速度观测误差为：
[0046]
[0047] 其中，&为初始时刻加速度计传感器数据与GI^S速度观测融合得到的速度估计 值，为所述预定时间后GPS定位装置的速度观测结果。
[0048] 步骤S104;判断速度变化量与速度观测误差的差值的绝对值是否小于第一阔值， 如果否，则判定GI^S定位装置的速度观测结果异常，并判断位置变化量与位置观测误差的 差值的绝对值是否小于第二阔值，如果否，则判定GI^S定位装置的位置观测结果异常。
[0049] 如果叫么叫，则判定GPS定位装置的速度观测结果正常，否则判定 为异常，其中为第一阔值。具体来说，GPS的速度观测误差与加速度计观测到的 无人机速度变化馬足叫A巧。如图2所示，设定速度观测误差的阔值为 ，假设GPS得到两个速度观测误差A：fcps2，其中=|么巧|叫么叫， 则判断第一个速度观测结果&PS1没有突变，即不是异常值可W使用。而第二个观测 A戸。PS2 -AfL'l= |a句> |a巧?!，贝1J判断第二个速度观巧U巧脱2发生突变，即产生了异常值需要 舍弃。
[0050] 在GI^S的位置观测异常值检测过程中，也遵循着类似的步骤。具体地，预定时间之 后，加速度计观测得到的位置变化量指北东地坐标系下的位置变化量A&,。，其中，
[0051]
[0052] GI^S定位装置的位置观测误差为：
[0053]
[0054] 其中，&为初始时刻加速度计传感器数据与GI^S速度观测融合得到的位置估计 值。
[0055] 当满足|么4>5-么是"|:^|么玄^|时，判定61^5定位装置的位置观测结果正常，否则判 定为异常，其中，为第二阔值。具体来说，GPS的位置观测误差aSw、与加速度计观测到 的无人机位置变化满足Ia4>s-A&ffI=I。如图3所示，设定位置观测误差的阔值为 A馬，假设GPS得到两个位置观测误差A馬PS1和A皂PS2，其中I聲PS1 -A&a.| =|a?i|夺电I， 则判断第一个位置观测结果没有突变，即不是异常值可W使用。而第二个观测 己f| = |A^;|>|A晏I，则判断第二个位置观测禹P,。发生突变，即产生了异常值需要 舍弃。
[0056] 根据本发明实施例的无人机的GI^S速度及位置观测异常值检测方法，可W快速检 测GI^S速度和位置观测引入的突变值，避免因环境干扰引起的GI^S失效导致无人机坠毁事 故，可W大大提升无人机飞行控制精度，提升无人机的飞行安全性。
[0057] 尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可W理解的是，上述实施例是示例 性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨 的情况下在本发明的范围内可W对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
【主权项】
1. 一种无人机的GPS速度及位置观测异常值检测方法，其特征在于，所述无人机设置 有加速度计和GPS定位装置，所述方法包括以下步骤： 获取所述加速度计的传感器数据与所述GPS定位装置的观测数据融合之后得到的速 度估计值和位置估计值； 预定时间之后，计算所述加速度计观测得到的速度变化量和位置变化量，并记录所述 GPS定位装置的速度观测结果和位置观测结果； 根据所述速度估计值和所述速度观测结果得到所述GPS定位装置的速度观测误差，并 根据所述位置估计值和所述位置观测结果得到所述GPS定位装置的位置观测误差；以及 判断所述速度变化量与所述速度观测误差的差值的绝对值是否小于第一阈值，如果 否，则判定所述GPS定位装置的速度观测结果异常，并判断所述位置变化量与所述位置观 测误差的差值的绝对值是否小于第二阈值，如果否，则判定所述GPS定位装置的位置观测 结果异常。2. 根据权利要求1所述的无人机的GPS速度及位置观测异常值检测方法，其特征在于， 所述加速度计的传感器数据包括加速度，所述加速度指无人机体坐标系下的加速度3_， 包含xyz三个方向上的分量，表示为：3. 根据权利要求2所述的无人机的GPS速度及位置观测异常值检测方法，其特征在于， 所述加速度与北东地坐标系下的加速度5NED:之间的转换关系为：其中Kx、Ky、Kz分别为无人机与北东地坐标系下xyz三个轴之间的欧拉角。4. 根据权利要求3所述的无人机的GPS速度及位置观测异常值检测方法，其特征在于， 所述预定时间之后，所述加速度计观测得到的速度变化量指：北东地坐标系下的速度变化 量八匕 ￡其中，所述AfL=AmAi其中，所述At为所述预定时间。 9 f5. 根据权利要求4所述的无人机的GPS速度及位置观测异常值检测方法，其特征在于， 所述GPS定位装置的速度观测误差为： a^GPS =^GPS ， 其中，所述^为初始时刻加速度计传感器数据与GPS速度观测融合得到的速度估计 值，为所述预定时间后所述GPS定位装置的速度观测结果。6. 根据权利要求5所述的无人机的GPS速度及位置观测异常值检测方法，其特征在于， 如果所述|a^ps -|Δ&|，则判定所述GPS定位装置的速度观测结果正常，否则判定 为异常，其中，所述Δ&为所述第一阈值。7. 根据权利要求6所述的无人机的GPS速度及位置观测异常值检测方法，其特征在于， 所述预定时间之后，所述加速度计观测得到的位置变化量指北东地坐标系下的位置变化量 其中，8. 根据权利要求7所述的无人机的GPS速度及位置观测异常值检测方法，其特征在于， 所述GPS定位装置的位置观测误差为：其中，所述:?为初始时刻加速度计传感器数据与GPS速度观测融合得到的位置估计 值。9. 根据权利要求8所述的无人机的GPS速度及位置观测异常值检测方法，其特征在于， 当满足所述Mcps -Δ^| 毛I时，判定所述GPS定位装置的位置观测结果正常，否则判定 为异常，其中，所述Δ&为所述第二阈值。
【专利摘要】本发明提供一种无人机的GPS速度及位置观测异常值检测方法，包括：获取加速度计的传感器数据与GPS定位装置的观测数据融合之后得到的速度估计值和位置估计值；预定时间之后，计算加速度计观测得到的速度变化量和位置变化量，并记录GPS定位装置的速度观测结果和位置观测结果；得到GPS定位装置的速度观测误差和位置观测误差；设定第一阈值和第二阈值，判断GPS定位装置的速度观测结果和位置观测结果是否异常。根据本发明实施例的无人机的GPS速度及位置观测异常值检测方法，可以快速检测GPS速度和位置观测引入的突变值，避免因环境干扰引起的GPS失效导致无人机坠毁事故，提升无人机的飞行安全性。
【IPC分类】G01S19/42, G01S19/52
【公开号】CN104880722
【申请号】CN201510133960
【发明人】戴琼海, 李一鹏, 方鑫
【申请人】清华大学
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2015年3月25日