一种无人设备运动轨迹连续测量方法与流程

本发明涉及坐标测量领域，尤其涉及一种无人设备运动轨迹连续测量方法。

背景技术：

1、运动轨迹连续测量对无人设备的发展有着重要意义，是其实现连续位姿调整的信息来源，是其完成安全平稳回收的数据基础。基于运动轨迹的连续位姿调整，是保证无人设备实现连续平稳运动的基础，是保证无人设备高效独立作业的前提；基于运动轨迹的安全平稳回收，是降低民用无人设备应用成本的手段，是保证军用无人设备信息安全的途径。

2、现有运动轨迹测量方法根据观测量密度的不同，分为基于离散坐标的运动轨迹测量方法与基于密集坐标的运动轨迹测量方法两类。在基于离散关键点坐标的运动轨迹测量方法中，连接运动轨迹中任意相邻两个关键点，形成由任意相邻关键点为端点的运动轨迹线段集合，实现无人设备运动轨迹的测量。在基于密集关键点坐标的运动轨迹测量方法中，提高运动轨迹中关键点坐标的密度，使关键点间的运动轨迹段无线逼近于无人设备真实运动轨迹。在物理空间中，无人设备具有惯性特征，运动状态下的运动轨迹呈现连续平滑特点，运动轨迹是一个与初始位置、初始速度、加速度和时间有关的连续解析方程。基于上述方法得到的运动轨迹是以轨迹中关键点坐标为端点形成的折线段集合，在关键点处呈现出连续不可导的可去间断点特性，与物理空间中无人设备在惯性作用下具备连续平滑特点的运动轨迹相矛盾。

3、针对现有方法得到的运动轨迹与实际状态下连续平滑的运动轨迹间相矛盾的问题，需要分析轨迹中关键点间无人设备的运动状态，构建与连续运动高度一致的轨迹解析方程，从而建立与初始位置、初始速度、加速度和时间相关的运动轨迹连续测量方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有运动轨迹测量方法的不足，提供一种可实现运动轨迹测量结果与真实运动状态的高度一致的无人设备运动轨迹连续测量方法。

2、本发明为实现上述目的采取的技术方案是：

3、一种无人设备运动轨迹连续测量方法，包括如下步骤：

4、步骤1：在无人设备上安装坐标测量系统，在无人设备运动过程中，实现运动轨迹中关键点的坐标测量，运动轨迹中关键点坐标通过集合形式表示为pp{p1,p2,…,pi,…,pn-1,pn}；

5、步骤2：根据不同运动轨迹测量背景，对运动轨迹测量过程进行分类；主要分为两类：基于运动方向已知的运动轨迹连续测量与基于运动方向未知的运动轨迹连续测量。其中，被测对象所受合外力大小恒定方向不变时，表现为运动方向已知的运动；被测对象所受合外力大小与方向随时间变化时，表现为运动方向未知的运动。

6、步骤3：针对步骤2分类的两种运动轨迹连续测量，均根据已知的关键点坐标采集频率先验信息，分析关键点间的运动状态，建立无人设备运动速度解析方程，利用已知关键点坐标对速度方程中的未知量进行替换，速度方程对运动时间进行积分，得到任意两关键点间的运动轨迹连续测量方程；

7、步骤4：根据步骤3得到任意两关键点间的运动轨迹方程，对无人设备整体运动过程进行拓展。

8、而且，步骤1中，其中坐标测量系统可分为两类：第一类是以惯性测量、卫星定位为测量单元的自主测量系统，第二类是测量站与测量靶标相互配合进行坐标定位的测量系统。

9、而且，所述步骤3，针对运动方向已知的运动轨迹连续测量，得到任意两关键点间的运动轨迹连续测量方程的具体步骤如下：

10、步骤3.1a：ti-1～ti+2时刻运动轨迹上关键点坐标为pi-1～pi+2，ti时刻pi位置处无人设备的运动速度veli(t)方向与运动轨迹平行，则点pi～pi+1间的连续运动轨迹方程li(t)为：

11、

12、其中，veli(t)表示被测对象在测量时间ti～ti+1内、关键点pi～pi+1之间随时间变化而变化的速度方程；

13、步骤3.2a：令pi-1～pi间的平均速度作为pi～pi+1间初速度求解的已知条件，令pi+1～pi+2间的平均速度作为pi～pi+1间末速度求解的已知条件，当图像采集短时间内速度大小均匀变化时，veli(t)为：

14、

15、其中，表示pi-1～pi之间的向量，fre表示测量信息采集频率，表示pi+1～pi+2之间的向量，t为时间段ti～ti+1内连续变化的时间变量；

16、步骤3.3a：根据步骤1中得到的运动轨迹中关键点坐标集合pp{p1,p2,…,pi,…,pn-1,pn}，可表示为：

17、

18、步骤3.4a：将步骤3.2a中的veli(t)带入步骤3.1a中的li(t)后，得到关键点pi～pi+1间的运动轨迹连续方程li(t)为：

19、

20、步骤3.5a：无人设备在ti～ti+1时间内的连续运动轨迹ti(t)为：

21、ti(t)＝{pi,li(t)|t∈[ti,ti+1)}；

22、所述步骤3，针对运动方向未知的运动轨迹连续测量，得到任意两关键点间的运动轨迹连续测量方程的具体步骤如下：

23、步骤3.1b：ti-1～ti+2时刻运动轨迹上关键点坐标为pi-1～pi+2，ti时刻pi位置处无人设备的运动速度veli(t)方向与运动轨迹平行，则点pi～pi+1间的连续运动轨迹方程lix(t)为：

24、

25、其中，veli(t)表示被测对象在测量时间ti～ti+1内、关键点pi～pi+1之间随时间变化而变化的速度方程；

26、步骤3.2b：对运动速度在ti时刻pi位置处的方向进行分析与求解：ti时刻pi位置处运动轨迹的切线方向，即运动速度方向位于向量与向量之间，向量与向量的长度代表被测对象在pi～pi+1位置间速度大小的变化趋势；无人设备在pi与pi+1处的速度veli和veli+1近似为：

27、

28、其中，表示由pi-1和pi决定与方向相同的向量，表示由pi和pi+1决定与方向相同的向量，表示由pi+1和pi+2决定与方向相同的向量，fre表示图像采集频率，t为时间变量；

29、步骤3.3b：根据步骤1得到的运动轨迹中关键点坐标集合pp{p1,p2,…,pi,…,pn-1,pn}，可表示为：

30、

31、步骤3.4b：当pi～pi+1间无人设备速度在图像采集短时间内均匀变化时，则pi～pi+1间随时间变化而变化的速度方程veli(t)为：

32、veli(t)＝veli+(veli+1-veli)×fre×(t-ti)t∈[ti,ti+1)

33、将步骤3.2b中的速度信息带入，得到：

34、

35、步骤3.5b：将步骤3.4b中的veli(t)带入步骤3.1b的中，得到pi～pi+1间的运动轨迹连续方程为：

36、

37、步骤3.6b：无人设备在ti～ti+1时间内的连续运动轨迹tix(t)为：

38、

39、而且，步骤4中，则运动方向已知的运动轨迹连续测量方程为：

40、t(t)＝{ti(t)|i∈[1,n-1]}＝{pi|i∈[1,n-1]}∪{li(t)|t∈[ti,ti+1),i∈[1,n-1]}

41、运动方向未知的运动轨迹连续测量方程为：

42、

43、本发明具有的优点与有益效果为：

44、本发明公开提供了一种无人设备运动轨迹连续测量方法，本方法分析了被测对象运动轨迹关键点间连续运动状态，构建了与连续运动高度一致的轨迹解析方程，完善了运动状态下测量模型在测量时间上的连续性，克服了传统测量方法得到的运动轨迹与实际运动状态不符的问题，实现了运动轨迹的解析表达。