CN108572380B - 一种基于卫星导航和视觉导航的导航方法及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于卫星导航和视觉导航的导航方法。该方法采用卫星导航系统对航向物进行粗调和视觉导航系统对航向物进行微调，使航向物沿作物行中心线行走，其中，卫星导航系统对航向的低频大幅度调整，视觉导航系统对航向的高频小幅度调整。本发明提供的基于卫星导航和视觉导航的组合导航方法可以有效解决GNSS导航存在的精度低、不稳定、延时性及视觉导航在复杂光照环境下定位偏差等问题，提高了导航系统的稳定性，可以实现航向物在室外环境下的精确定位及自主导航，更好地应用于农作物生长过程中的农机精准作业。

Description

一种基于卫星导航和视觉导航的导航方法及其应用

技术领域

本发明涉及一种导航方法，特别涉及一种基于卫星导航和视觉导航的导航方法及其应用，属于导航定位技术领域。

背景技术

随着科技的发展，实时导航与定位技术广泛的应用于生产及生活的各个领域(例如：智能交通、精准农业、机械控制等)。现有技术中的定位技术包括传统的全球卫星导航系统GNSS和视觉定位，一方面，全球卫星导航系统GNSS在环境影响较小的条件下可满足用户的基本定位需求，但是在环境复杂的农业和城市中，各种障碍物阻挡了导航信号，导致导航信号衰减，导航精度下降，同时由于障碍物的存在，GNSS接收机可见卫星数量变化较大，需要不断地重新接收可见卫星的星历，从而影响导航的时效性；另一方面，视觉定位利用可见光采集图像信息，在现有技术中采用摄像机采集，消费级摄像机存在于手机和数码相机中，应用方便快捷，具有较高的导航系统性价，但是，受环境(如光照)及车辆状态的不确定性影响，无法实时采集清晰的图像信息。

因此，需要提供一种新的导航系统以满足现有导航系统所要求的精度和可靠性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于卫星导航和视觉导航的导航方法及其应用，以克服现有技术中的不足。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

本发明实施例提供一种基于卫星导航和视觉导航的导航方法，采用卫星导航系统对航向物进行粗调和视觉导航系统对航向物进行微调，使航向物沿作物行中心线行走，

其中，卫星导航系统利用差分技术来获得航向物的位置信息和姿态信息，然后参照先前设定的导航线得到导航横向偏差和航向偏差信息，实现对航向的低频大幅度调整；

视觉导航系统通过对作物识别、定位、拟合直线获得导航线，同时根据摄像机固定安装在航向物的相对位置获得位置信息和姿态信息，从而得到导航横向偏差和航向偏差信息，实现对航向的高频小幅度调整。

进一步的，所述卫星导航系统包括GPS系统、GLONASS系统或GALILEO系统中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。

进一步的，所述视觉导航系统包括单目视觉导航系统和双目视觉导航系统中的任意一种或两种的组合，但不限于此。

在一些具体实施方案中，所述基于卫星导航和视觉导航的导航方法包括以下步骤：

令航向物中心点与卫星导航线的距离，即卫星导航横向偏差为d₁，航向物中心线与卫星导航线的夹角，即卫星导航航向偏差为θ₁；

令航向物中心点与视觉导航线的距离，即视觉导航线横向偏差为d₂，航向物中心线与视觉导航线的夹角，即视觉导航航向偏差为θ₂；

令d_c为卫星导航横向偏差预设粗调限定，θ_c为卫星导航航向偏差预设粗调限定；

令d₀为视觉导航横向偏差相对卫星导航横向偏差预设误差限定，θ₀为视觉导航航向偏差相对卫星导航航向偏差预设误差限定；

令E₁＝f₁(d₁,θ₁)，式中E₁为卫星导航信息处理后的车辆转向调整信息；

令E₂＝f₂(d₂,θ₂)，式中E₂为视觉导航信息处理后的车辆转向调整信息，具体操作步骤如下：

S110、检测卫星导航信息是否更新，即卫星导航系统是否最新获得航向物相对于卫星导航线的横向偏差和航向偏差，若卫星导航信息更新则执行S120，否则执行S210；

S120、当|d₁|＞d_c或|θ₁|＞θ_c，即卫星导航信息在粗调范围内，则执行S130，否则执行S210；

S210、检测视觉导航信息是否更新，即视觉导航系统是否获得对最新航向物相对于视觉导航线横向偏差和航向偏差，若视觉导航信息更新则执行S220，否则执行S110；

S220、当|d₂-d₁|＜d₀或|θ₂-θ₁|＜θ₀时，即视觉导航信息在误差范围内，则执行S230，否则执行S110；

S130、根据E₁＝f₁(d₁,θ₁)获得航向物基于卫星导航信息的转向调整信息；

S140、根据转向调整信息E₁对卫星导航信息(d₁,θ₁)进行修正；

S230、根据E₂＝f₂(d₂,θ₂)获得航向物基于视觉导航信息的转向调整信息；

S310、基于卫星导航信息的低频大增益航向物转向调整和基于视觉导航信息的高频小增益航向物转向调整，从而实现航向物自主行走。

进一步的，E₁＝f₁(d₁,θ₁)式中E₁与(d₁,θ₁)正相关。

进一步的，E₂＝f₂(d₂,θ₂)式中E₂与(d₂,θ₂)正相关。

发明实施例还提供一种车辆，其采用上述的基于卫星导航和视觉导航的导航方法实现自动导航。

与现有技术相比，本发明的优点包括：本发明提供的基于卫星导航和视觉导航的导航方法可对航向体进行全局导航，当检测航向物(如车辆)出现较大偏差时，对航向体进行粗调，确保航向体车辆始终沿着导航线的方向行走，使航向物不至于偏差过大，同时视觉导航系统对航向体进行局部导航微调，确保航向物精确地沿着作物行中心线行走，实现在一定范围内的自适应导航；该导航方法可以有效解决GNSS导航存在的精度低、不稳定、延时性及视觉导航在复杂光照环境下定位偏差的问题，提高了导航系统的稳定性；可以实现航向物在室外环境下的精确定位及自主导航，更好地应用于农作物生长过程中的农机精准作业。

附图说明

图1是本发明实施例1中基于卫星导航和视觉导航的导航方法的卫星导航和视觉导航组合导航的结构图。

图2是本发明实施例1中基于卫星导航和视觉导航的导航方法的卫星导航偏差信息和视觉导航偏差信息示意图。

图3是本发明实施例1中基于卫星导航和视觉导航的导航方法的流程图。

具体实施方式

鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。

本发明实施例提供一种基于卫星导航和视觉导航的导航方法，采用卫星导航系统对航向物进行粗调和视觉导航系统对航向物进行微调，使航向物沿作物行中心线行走，

其中，卫星导航系统利用差分技术来获得航向物的位置信息和姿态信息，然后参照先前设定的导航线得到导航横向偏差和航向偏差信息，实现对航向的低频大幅度调整；

视觉导航系统通过对作物识别、定位、拟合直线获得导航线，同时根据摄像机固定安装在航向物的相对位置获得位置信息和姿态信息，从而得到导航横向偏差和航向偏差信息，实现对航向的高频小幅度调整。

进一步的，所述卫星导航系统包括GPS系统、GLONASS系统或GALILEO系统中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。

进一步的，所述视觉导航系统包括单目视觉导航系统和双目视觉导航系统中的任意一种或两种的组合，但不限于此。

进一步的，所述卫星导航系统主要包括双天线、基准站和控制器。

进一步的，视觉导航系统主要括摄像机和图像处理器。

在一些具体实施方案中，所述基于卫星导航和视觉导航的导航方法包括以下步骤：

令航向物中心点与卫星导航线的距离，即卫星导航横向偏差为d₁，航向物中心点与卫星导航线的夹角，即卫星导航航向偏差为θ₁；

令航向物中心点与视觉导航线的距离，即视觉导航线横向偏差为d₂，航向物中心点与视觉导航线的夹角，即视觉导航航向偏差为θ₂；

令d_c为卫星导航横向偏差预设粗调限定，θ_c为卫星导航航向偏差预设粗调限定；

令d₀为视觉导航横向偏差相对卫星导航横向偏差预设误差限定，θ₀为视觉导航航向偏差相对卫星导航航向偏差预设误差限定；

令E₁＝f₁(d₁,θ₁)，式中E₁为卫星导航信息处理后的车辆转向调整信息；

令E₂＝f₂(d₂,θ₂)，式中E₂为视觉导航信息处理后的车辆转向调整信息，具体操作步骤如下：

S110、检测卫星导航信息是否更新，即卫星导航系统是否最新获得航向物相对于卫星导航线的横向偏差或航向偏差中的任意一种，若卫星导航信息更新则执行S120，否则执行S210；

S120、当|d₁|＞d_c或|θ₁|＞θ_c，即卫星导航信息在粗调范围内，则执行S130，否则执行S210；

S210、检测视觉导航信息是否更新，即视觉导航系统是否获得对最新航向物相对于视觉导航线横向偏差d₂和航向偏差θ₂中的任意一种，若视觉导航信息更新则执行S220，否则执行S110；

S220、当|d₂-d₁|＜d₀或|θ₂-θ₁|＜θ₀时，即视觉导航信息在误差范围内，则执行S230，否则执行S110；

S130、根据E₁＝f₁(d₁,θ₁)获得航向物基于卫星导航信息的转向调整信息；

S140、根据转向调整信息E₁对卫星导航信息(d₁,θ₁)进行修正；

S230、根据E₂＝f₂(d₂,θ₂)获得航向物基于视觉导航信息的转向调整信息；

S310、基于卫星导航信息的低频大增益航向物调整和基于视觉导航信息的高频小增益航向物转向调整，从而实现航向物自主行走。

进一步的，E₁＝f₁(d₁,θ₁)式中E₁与(d₁,θ₁)正相关，假设增益系数为K₁；E₂＝f₂(d₂,θ₂)式中E₂与(d₂,θ₂)正相关，假设增益系数为K₂，其中K₁＞K₂。

本发明实施例还提供一种车辆，其采用上述的基于卫星导航和视觉导航的导航方法实现自动导航。

本发明提供的基于卫星导航和视觉导航的导航方法根据卫星采点仪，设定沿着作物行中心线的卫星导航线，卫星系统通过双天线获得车辆的位置信息和姿态信息，从而获得航向物(车辆)相对卫星导航线的横向偏差和航向偏差，即卫星导航信息，卫星导航系统根据卫星导航信息对车辆转向进行调整；同时视觉系统实时采集作物图像，并通过图像处理进行作物识别、定位拟合直线获得导航线，再根据摄像机固定安装在车辆上的相对位置获得车辆的位置和姿态信息，从而获得导航横向偏差和航向偏差信息，即视觉导航信息，视觉导航系统根据视觉导航信息对车辆转向进行调整，通过卫星导航控制和视觉导航控制，实现车辆精确沿作物行中心线行走。当检测车辆出现较大偏差时，采用卫星导航系统对车辆进行粗调，确保车辆始终沿着导航线的方向行走，不至于偏差过大；同时更进一步地，视觉导航系统对车辆进行局部导航微调，确保车辆精确地沿着作物行中心线行走，实现在一定范围内的自适应导航。

本发明提供的基于卫星导航和视觉导航的导航方法中卫星导航系统信息采集周期较长，输出频率较低，调整幅度较大；视觉导航系统信息采集周期短，输出频率较高，调整幅度较小。

本发明提供的基于卫星导航和视觉导航的导航方法对视觉导航信息与卫星导航信息之差进行范围限定，以此剔除视觉系统检测的导航信息异常点，同时为保证卫星导航信息相对实时准确性，当卫星导航系统对车辆转向进行调整后，卫星导航信息作相应的修正。

以下结合具体实施例及附图对本发明的技术方案作进一步的解释说明。

实施例1

如图1所示为运用本导航方法的一实施例的导航系统结构图，导航系统包括卫星导航系统和视觉导航系统。卫星导航系统选用北斗卫星定位系统，视觉导航系统为单目视觉导航系统。卫星导航系统主要包括双天线、基准站和控制器，利用差分技术来获得车辆的位置信息和姿态信息，然后参照先前设定的导航线得出导航横向偏差和航向偏差信息。视觉导航系统主要括摄像机和图像处理器，通过对作物识别、定位、拟合直线获得导航线，同时根据摄像机固定安装在车辆上的相对位置获得车辆的位置和姿态信息，从而获得导航横向偏差和航向偏差信息。卫星导航系统根据卫星导航横向偏差和航向偏差对车辆转向进行低频大幅度调整，使车辆保持在先前设定的卫星导航线左右一定偏差范围内；同时视觉导航系统根据视觉导航横向偏差和航向偏差对车辆转向进行高频小幅度调整，使车辆更精确地沿差作物行中心线行走。

如图2为运用本导航方法的导航偏差信息示意图，其中AB为通过对同一作物行的作物进行采点定位，然后拟合直线形成的卫星导航线，CD为视觉导航系统对作物进行识别、定位、拟合直线形成的视觉导航线。车辆中心点到与卫星导航线AB的距离即为卫星导航横向偏差d₁，车辆纵向中心线与卫星导航线的夹角即为卫星导航航向偏差θ₁；车辆中心点到与视觉导航线CD的距离即为视觉导航横向偏差d₂，车辆纵向中心线与视觉导航线的夹角即为视觉导航航向偏差θ₂。

图3为运用本导航方法的控制流程图，具体解释如下：

令航向物中心点与卫星导航线的距离，即卫星导航横向偏差为d₁，航向物中心线与卫星导航线的夹角，即卫星导航航向偏差为θ₁；

令航向物中心点与视觉导航线的距离，即视觉导航线横向偏差为d₂，航向物中心线与视觉导航线的夹角，即视觉导航航向偏差为θ₂；

令d_c为卫星导航横向偏差预设粗调限定，θ_c为卫星导航航向偏差预设粗调限定；

令d₀为视觉导航横向偏差相对卫星导航横向偏差预设误差限定，θ₀为视觉导航航向偏差相对卫星导航航向偏差预设误差限定；

令E₁＝f₁(d₁,θ₁)，式中E₁为卫星导航信息处理后的车辆转向调整信息；

令E₂＝f₂(d₂,θ₂)，式中E₂为视觉导航信息处理后的车辆转向调整信息，具体操作步骤如下：

S110、检测卫星导航信息是否更新，即卫星导航系统是否最新获得航向物相对于卫星导航线的横向偏差和航向偏差，若卫星导航信息更新则执行S120，否则执行S210；

S120、当|d₁|＞d_c或|θ₁|＞θ_c，即卫星导航信息在粗调范围内，则执行S130，否则执行S210；

S210、检测视觉导航信息是否更新，即视觉导航系统是否获得对最新航向物相对于视觉导航线横向偏差d₂和航向偏差θ₂，若视觉导航信息更新则执行S220，否则执行S110；

S220、当|d₂-d₁|＜d₀或θ₂-θ₁|＜θ₀时，即视觉导航信息在误差范围内，则执行S230，否则执行S110；

S130、根据E₁＝f₁(d₁,θ₁)获得航向物基于卫星导航信息的转向调整信息；

S140、根据转向调整信息E₁对卫星导航信息(d₁,θ₁)进行修正；

S230、根据E₂＝f₂(d₂,θ₂)获得航向物基于视觉导航信息的转向调整信息；

S310、基于卫星导航信息的低频大增益航向物调整和基于视觉导航信息的高频小增益航向物转向调整，从而实现航向物自主行走。

卫星系统进行全局导航，根据横向偏差为d₁，航向偏差为θ₁对车辆转向进行粗调，实现车辆在以卫星导航线左右一定偏差范围内的导航行走；视觉系统进行局部导航，根据横向偏差为d₂，航向偏差为θ₂对车辆转向进行微调，实现车辆在作物行中心线左右微小范围内的自适应导航。

当|d₁|＞d_c或|θ₁|＞θ_c时，即卫星导航信息在粗调范围内，则卫星导航系统按E₁＝f₁(d₁,θ₁)对车辆进行转向调整(式中E₁为卫星导航信息处理后的车辆转向调整信息，且E₁∝(d₁,θ₁)即E₁正相关于(d₁,θ₁)，假设增益系数为K₁)。

当|d₂-d₁|＜d₀或|θ₂-θ₁|＜θ₀，即视觉导航信息在误差范围内，则视觉导航系统按E₂＝f₂(d₂,θ₂)对车辆进行转向调整(式中E₂为视觉导航信息处理后的车辆转向调整信息，且E₂∝(d₂,θ₂)即E₁正相关于(d₂,θ₂)，假设增益系数为K₂)。

卫星导航系统对车辆转向调整的增益大于视觉导航系统对车辆转向调整的增益，即K₁＞K₂。在信息处理周期上，卫星导航系统对车辆转向调整的周期大于视觉导航系统对车辆转向调整的周期。

应当理解，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于卫星导航和视觉导航的导航方法，其特征在于采用卫星导航系统对航向物进行粗调和视觉导航系统对航向物进行微调，使航向物沿作物行中心线行走，

其中，卫星导航系统利用差分技术来获得航向物的位置信息和姿态信息，然后参照先前设定的导航线得到导航横向偏差和航向偏差信息，实现对航向的低频大幅度调整；

视觉导航系统通过对作物识别、定位、拟合直线获得导航线，同时根据摄像机固定安装在航向物的相对位置获得位置信息和姿态信息，从而得到导航横向偏差和航向偏差信息，实现对航向的高频小幅度调整；

令航向物中心点与卫星导航线的距离，即卫星导航横向偏差为d1，航向物中心线与卫星导航线的夹角，即卫星导航航向偏差为θ1；

令航向物中心点与视觉导航线的距离，即视觉导航横向偏差为d2，航向物中心线与视觉导航线的夹角，即视觉导航航向偏差为θ2；

令dc为卫星导航横向偏差预设粗调限定，θc为卫星导航航向偏差预设粗调限定；

令d0为视觉导航横向偏差相对卫星导航横向偏差预设误差限定，θ0为视觉导航航向偏差相对卫星导航航向偏差预设误差限定；

令E1＝f1(d1,θ1)，式中E1为卫星导航信息处理后的车辆转向调整信息；

令E2＝f2(d2,θ2)，式中E2为视觉导航信息处理后的车辆转向调整信息，具体操作步骤如下：

S110、检测卫星导航信息是否更新，即卫星导航系统是否最新获得航向物相对于卫星导航线的横向偏差和航向偏差，若卫星导航信息更新则执行S120，否则执行S210；

S120、当|d1|＞dc或|θ1|＞θc，即卫星导航信息在粗调范围内，则执行S130，否则执行S210；

S210、检测视觉导航信息是否更新，即视觉导航系统是否获得对最新航向物相对于视觉导航线横向偏差和航向偏差，若视觉导航信息更新则执行S220，否则执行S110；

S220、当|d2-d1|＜d0或|θ2-θ1|＜θ0时，即视觉导航信息在误差范围内，则执行S230，否则执行S110；

S130、根据E1＝f1(d1,θ1)获得航向物基于卫星导航信息的转向调整信息；

S140、根据转向调整信息E1对卫星导航信息(d1,θ1)进行修正；

S230、根据E2＝f2(d2,θ2)获得航向物基于视觉导航信息的转向调整信息；

S310、基于卫星导航信息的低频大增益航向物转向调整和基于视觉导航信息的高频小增益航向物转向调整，从而实现航向物自主行走。

2.根据权利要求1所述的导航方法，其特征在于：所述卫星导航系统包括GPS系统、GLONASS系统或GALILEO系统中的任意一种或两种以上的组合。

3.根据权利要求1所述的导航方法，其特征在于：所述视觉导航系统包括单目视觉导航系统和双目视觉导航系统中的任意一种或两种的组合。

4.根据权利要求1所述的导航方法，其特征在于：E1＝f1(d1,θ1)式中E1与(d1,θ1)正相关；E2＝f2(d2,θ2)式中E2与(d2,θ2)正相关。

5.一种车辆，其特征在于采用权利要求1-4中任一项所述的基于卫星导航和视觉导航的导航方法实现自动导航。

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