本技术涉及无人机，尤其涉及一种无人机导航方法及装置。
背景技术：
1、随着无人机技术的飞速发展，无人机在航拍、环境监测、物流配送、农业植保等众多领域的应用日益广泛。在这些应用中，无人机的自主飞行能力尤为关键，而自主飞行的核心在于实时、精确地获取无人机的位姿信息。传统的无人机定位导航方案主要依赖于全球导航卫星系统（gnss），结合陀螺仪等惯性测量单元（imu）实现高精度定位。然而，gnss信号在复杂环境中易受干扰、遮挡或多次反射，导致定位精度下降甚至失效，这种情况被称为gnss拒止环境。
2、为了克服gnss拒止环境下的定位难题，提出了多种替代方案，其中视觉slam（simultaneous localization and mapping）技术因其不依赖于外部信号、能自主构建环境地图并同时定位的特性而备受关注。视觉slam通过摄像头捕捉的图像信息，结合imu数据，在未知环境中实现无人机的自主定位与导航。尽管视觉slam在解决gnss拒止问题上展现出巨大潜力，但其本身也存在计算资源消耗大、长时间运行累计误差增大等不足，难以单独作为无人机长时间、大范围飞行任务的定位导航方案。然而，简单地将gnss和视觉slam作为独立模块在时间域上进行切换，会带来坐标系不一致和切换时间窗口内定位信息缺失的问题。
3、因此，如何针对无人机在无法接收或信任gnss信号时，通过结合gnss和视觉信息来实现定位与导航，成为待解决的问题。
技术实现思路
1、在本技术实施例中，通过提供一种无人机导航方法，解决了如何针对无人机在无法接收或信任gnss信号时，通过结合gnss和视觉信息来实现定位与导航的问题。
2、第一方面，本技术实施例提供了一种无人机导航方法，包括：获取gnss位姿并确定其置信度区间；当gnss位姿的置信度位于高置信度区间时，无人机采用此时的gnss位姿进行定位飞行，视觉建图模块利用gnss位姿推算图像帧的位姿，并基于所述图像帧的位姿执行视觉地图的构建步骤；当gnss位姿的置信度位于中等置信度区间时，利用所构建的视觉地图判断当前gnss位姿的可信度，若可信则基于gnss位姿更新视觉地图，获得更新后的视觉地图，若不可信则舍弃该gnss位姿，无人机以基于所述视觉地图所获得的当前图像帧的位姿进行定位飞行；当gnss位姿的置信度位于失效区间时，利用所构建的视觉地图或更新后的视觉地图匹配当前图像帧与视觉地图中的特征点，估计无人机当前的位姿。
3、在一种可能的实现方式中，所述视觉建图模块利用gnss位姿推算图像帧的位姿，包括：获取无人机在世界坐标系中的位姿作为无人机位姿，利用无人机位姿和相机外参，通过矩阵乘法推算出图像帧的位姿。
4、在一种可能的实现方式中，所述视觉地图的构建步骤包括：将视觉建图模块获取的第一帧图像作为初始关键帧，迭代执行关键帧添加步骤至视觉地图中；在已有关键帧的集合中，选取一部分关键帧构成关键帧子集，将新的关键帧与关键帧子集中的每个关键帧进行特征点匹配，获得特征点匹配对集合；对于特征点匹配对集合中的每一个匹配对迭代执行迭代步骤，直至关键帧子集中的每个关键帧与新的关键帧完成了特征点匹配，以获得所有新增的地图点和新增了观测点的地图点的集合作为待更新地图点集合；使用多帧三角化算法计算所述待更新地图点集合中所有地图点的坐标，完成本次视觉地图更新。
5、在一种可能的实现方式中，所述关键帧添加步骤包括：计算当前图像帧与最新的关键帧的图像位姿之间的距离度量，将距离度量大于或等于预设阈值的当前图像帧添加为新的关键帧；其中，所述距离度量的计算方式为将光心平移距离和相机转动角度的加权和作为统一距离度量。
6、在一种可能的实现方式中，所述迭代步骤包括：若特征点匹配对集合中的关键帧的特征点在视觉地图中没有找到对应的已观测的地图点，在视觉地图中新增一个地图点，并将该特征点与其匹配的特征点作为该地图点的初始观测点；若特征点匹配对集合中的关键帧的特征点对应于视觉地图中的一个已观测的地图点，给已观测的地图点新增一个观测点；其中，所新增的观测点为新的关键帧的特征点。
7、在一种可能的实现方式中，所述当gnss位姿的置信度位于中等置信度区间时，利用所构建的视觉地图判断当前gnss位姿的可信度，若可信则基于gnss位姿更新视觉地图，获得更新后的视觉地图，若不可信则舍弃该gnss位姿，无人机以基于所述视觉地图所获得的当前图像帧的位姿进行定位飞行，包括：从新的图像帧中提取特征点并匹配至视觉地图中的地图点；利用p3p算法和最小化重投影误差方法估计当前图像帧的位姿；计算匹配对的重投影误差均值来判断gnss位姿的可信度，获得评估结果；若评估结果为可信，将其作为位姿约束更新视觉地图，获得更新后的视觉地图；若评估结果为不可信，舍弃该gnss位姿，无人机以当前图像帧的位姿进行定位飞行。
8、在一种可能的实现方式中，还包括对所构建的视觉地图或更新后的视觉地图进行优化步骤，所述优化步骤具体包括：评估当前图像帧与最新的关键帧的距离度量及gnss位姿的置信度，以确定是否将其添加为新的关键帧；对新的关键帧进行特征点匹配，更新地图点和观测点；计算并最小化重投影误差以调整地图点的坐标和关键帧位姿；当gnss位姿的置信度不足时，执行光束平差法操作，通过优化代价函数来同时优化关键帧的位姿和地图点的坐标。
9、在一种可能的实现方式中，所述评估当前图像帧与最新的关键帧的距离度量及gnss位姿的置信度，以确定是否将其添加为新的关键帧，包括：若gnss位姿的置信度位于高置信度区间且距离度量大于或等于第一距离度量阈值时，将当前图像帧添加为新的关键帧；若gnss位姿的置信度位于中等置信度区间或失效区间且距离度量大于或等于第二距离度量阈值时，将当前图像帧添加为新的关键帧。
10、在一种可能的实现方式中，确定gnss位姿置信度区间的方式包括：当gnss位姿的置信度大于第一阈值时，判断gnss位姿的置信度位于高置信度区间；当gnss位姿的置信度位于第一阈值和第二阈值之间第一预设时间时，判断gnss位姿的置信度位于中等置信度区间；当gnss位姿的置信度小于或等于第二阈值时，判断gnss位姿的置信度位于失效区间；当gnss位姿的置信度升高至大于第一阈值并保持第二预设时间时，判断gnss位姿的置信度再次位于高置信度区间。
11、第二方面，本技术实施例提供了一种无人机导航装置，该装置包括：获取模块，用于获取gnss位姿并确定其置信度区间；执行构建步骤模块，用于当gnss位姿的置信度位于高置信度区间时，无人机采用此时的gnss位姿进行定位飞行，视觉建图模块利用gnss位姿推算图像帧的位姿，并基于所述图像帧的位姿执行视觉地图的构建步骤；获得更新后的视觉地图模块，用于当gnss位姿的置信度位于中等置信度区间时，利用所构建的视觉地图判断当前gnss位姿的可信度，若可信则基于gnss位姿更新视觉地图，获得更新后的视觉地图，若不可信则舍弃该gnss位姿，无人机以基于所述视觉地图所获得的当前图像帧的位姿进行定位飞行；匹配模块，用于当gnss位姿的置信度位于失效区间时，利用所构建的视觉地图或更新后的视觉地图匹配当前图像帧与视觉地图中的特征点，估计无人机当前的位姿。
12、本技术实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果：
13、本技术实施例提供了一种无人机导航方法，当gnss位姿的置信度位于高置信度区间时，无人机能够直接采用gnss数据进行高精度定位飞行。这不仅确保了无人机在开阔、无遮挡区域的稳定飞行，还通过视觉建图模块利用这些精确的gnss位姿推算图像帧的位姿，进一步提升了视觉地图构建的准确性。在gnss信号质量下降，置信度进入中等置信度区间时，通过已构建的视觉地图估计无人机当前位姿，并评估当前gnss位姿的可信度，当gnss位姿被评估为可信时，这些位姿被用于更新视觉地图，使得视觉地图能够动态反映环境的变化，保持其时效性和准确性。并且能够识别并剔除潜在的错误gnss数据，从而避免定位误差的累积。当gnss信号完全失效，置信度落入失效区间时，完全依赖视觉地图进行定位。通过匹配当前图像帧与视觉地图中的特征点，系统能够实时估计无人机的位姿，实现无gnss条件下的自主导航。这种能力极大地增强了无人机在复杂环境中的生存能力和任务执行能力。此外，通过持续更新视觉地图，减少了重复计算的需求，进一步提高了计算效率。本技术不仅解决了gnss拒止环境下的定位难题，还通过视觉地图的构建与更新，增强了无人机对环境的感知与理解能力。这使得无人机能够更加智能地应对复杂多变的飞行环境，提高了其自主飞行能力与任务执行能力。从而解决了如何针对无人机在无法接收或信任gnss信号时，通过结合gnss和视觉信息来实现定位与导航的问题。
1.一种无人机导航方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的无人机导航方法，其特征在于，所述视觉建图模块利用gnss位姿推算图像帧的位姿，包括：
3.根据权利要求1所述的无人机导航方法，其特征在于，所述视觉地图的构建步骤包括：
4.根据权利要求3所述的无人机导航方法，其特征在于，所述关键帧添加步骤包括：
5.根据权利要求3所述的无人机导航方法，其特征在于，所述迭代步骤包括：
6.根据权利要求1所述的无人机导航方法，其特征在于，所述当gnss位姿的置信度位于中等置信度区间时，利用所构建的视觉地图判断当前gnss位姿的可信度，若可信则基于gnss位姿更新视觉地图，获得更新后的视觉地图，若不可信则舍弃该gnss位姿，无人机以基于所述视觉地图所获得的当前图像帧的位姿进行定位飞行，包括：
7.根据权利要求1所述的无人机导航方法，其特征在于，还包括对所构建的视觉地图或更新后的视觉地图进行优化步骤，所述优化步骤具体包括：
8.根据权利要求7所述的无人机导航方法，其特征在于，所述评估当前图像帧与最新的关键帧的距离度量及gnss位姿的置信度，以确定是否将其添加为新的关键帧，包括：
9.根据权利要求1所述的无人机导航方法，其特征在于，确定gnss位姿置信度区间的方式包括：
10.一种无人机导航装置，其特征在于，包括：
