ICS 49.020 V 35
HB 8760-2023
民用轻小型多旋翼无人机系统视觉惯性
里程计通用要求
General requirements for the visual inertial odometry of civil light and small
multi-rotor unmanned aircraft system
2023-12-29 发布 2024-07-01 实施
中华人民共和国工业和信息化部发布
前言
本文件按照 GB/T 1.1-2020《标准化工作导则第 1 部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。
请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。
本文件由中国航空工业集团有限公司提出。
本文件由中国航空综合技术研究所归口。
本文件起草单位：深圳市大疆创新科技有限公司、中国航空综合技术研究所、南京航空航天大学、中国航空工业集团公司西安飞行自动控制研究所、北京理工大学。
本文件主要起草人：苏坤岳、舒振杰、方文涛、唐瑭、郑萧桢、赖镇洲、赖际舟、胡应东、吕品、张泽京、王久元、向欣、张福彪。
民用轻小型多旋翼无人机系统视觉惯性里程计通用要求
1 范围
本文件规定了民用轻小型多旋翼无人机系统(以下简称多旋翼无人机)视觉惯性里程计的组成和技术要求。
本文件适用于民用轻小型多旋翼无人机系统视觉惯性里程计的设计。
2 规范性引用文件
下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件;不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修订版)适用于本文件。
GB/T 38152 无人驾驶航空器系统术语
3 术语和定义
GB/T 38152 界定的及下列术语和定义适用于本文件。
3.1
轻小型多旋翼无人机系统 civil light and small multirotor unmanned aircraft system
空机重量小于等于 116kg、起飞全重不大于 150kg、校正空速不超过 100km/h 的多旋翼无人机系统。
3.2
视觉惯性里程计 visual-inertial odometry
利用视觉传感器和惯性测量单元的信息，通过数据融合算法输出载体的相对位置、姿态、速度(指地速，以下相同)等参数的系统。
3.3
视觉传感器 visual sensor
利用光学或热学元件和成像装置获取外部环境图像信息的设备。
3.4
惯性测量单元 inertial measurement unit
测量物体三轴姿态角(或角速率)以及加速度的装置，一般由角速度计与加速度计组成。
4 系统组成
4.1 组成
视觉惯性里程计一般由传感器(包含视觉传感器和惯性测量单元)、数据处理模块组成， 部分情况下可增加数据记录模块。
4.2 传感器
传感器应包含至少一个惯性测量单元与至少一个视觉传感器，可配置多个惯性测量单元与视觉传感器满足不同工作场景、稳定性和输出精度要求， 为达到良好的定位效果，应实现各传感器之间的时间同步并标定其空间关系。
4.3 数据处理模块
数据处理模块应能通过接收和处理惯性测量单元、视觉传感器的数据信息，解算出载体的相对位置、姿态、速度等信息。
4.4 数据记录模块
数据记录模块应能存储数据处理模块的解算结果, 同步应支持存储传感器的观测数据。
5 技术要求
5.1 功能
视觉惯性里程计可以输出载体的相对位置、姿态、速度等信息给到定位、导航、感知等模块， 一般具有以下基本功能：
a) 应提供载体的相对水平位置和相对高度信息;
b) 应提供载体的速度信息;
c) 应提供载体的相对航向信息和水平姿态信息;
d) 应具有数据记录与处理功能;
e) 应具备各传感器的时间同步功能;
f) 应保证数据输出连续性与实时性;
g) 宜输出失效状态信息等。
5.2 性能
视觉惯性里程计在满足工作场景要求的情况，一般满足以下性能指标：
a) 在载体悬停时，速度矢量误差宜不大于 0.5m/s;
b) 在载体悬停时，相对航向误差宜不大于 5˚ ,水平姿态误差宜不大于 2˚ ;
c) 在载体悬停 30s 内，位置矢量误差宜不大于 0.4m;
d) 在载体进行航线飞行时，位置矢量误差与飞行距离之比宜不大于 10%;
e) 在载体进行航线飞行时，速度矢量误差宜不大于 1m/s;
f) 在载体进行航线飞行时，相对航向误差每 100m 飞行距离宜不大于 5˚ , 水平姿态误差宜不大于 2˚ ;
g) 从上电到首次输出相关信息所需时间宜不超过 60s;
h) 当因环境或运动等原因失效后，重新满足工作场景要求的条件下，恢复正常工作所需的时间宜不超过 60s;
i) 数据输出频率满足载体的飞行需求。
5.3 接口与数据输出
视觉惯性里程计的接口与数据输出需满足以下要求：
a) 应支持向外部设备传输数据;
b) 应支持异步或同步串行接口，如 RS232、SPI、I2C 等;
c) 输出和记录的数据应包括时间戳、相对位置、速度、姿态、是否有效的标志位等信息。
5.4 结构与安装
视觉惯性里程计的结构与安装应满足下列要求：
a) 结构件安装牢靠，紧固件无松动，传感器与载体间宜使用减震材料安装固定;
b) 传感器安装位置应避开热源、振动源等;
c) 电气部分应做防潮、防霉处理，宜做防水防尘处理;
d) 视觉传感器镜头应做紧固防潮处理;
e) 视觉传感器应避免视场被遮挡，避开尾气、水汽等区域;
f) 惯性测量单元与视觉传感器宜保持刚性连接。
5.5 工作场景
视觉惯性里程计应在满足且不限于以下要求的场景中，能够正常工作：
a) 环境光照强度，在 100 lx～40000 lx 之间;
b) 飞行高度，距离下方物体表面在 0.3m～10m 之间;
c) 环境温度，在-10℃~40℃之间;
d) 室内或者室外纹理清晰的场景。
