基于視覺的四旋翼無人機(jī)室內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)研究.pdf

1、微型四旋翼飛行器在成本、敏捷性、機(jī)動性等方面具有明顯的優(yōu)勢，并且由于其體積小、重量輕，它能在狹窄的戶外和室內(nèi)環(huán)境中飛行，且比普通的四旋翼更安全，因而具有重要的研究意義和較高的應(yīng)用價值。目前大多數(shù)商業(yè)四旋翼無人機(jī)的飛控系統(tǒng)都利用GPS技術(shù)進(jìn)行導(dǎo)航，但是在某些復(fù)雜環(huán)境中，特別是室內(nèi)環(huán)境中，衛(wèi)星導(dǎo)航信息并不可靠甚至無法獲取。本文描述了將立體視覺傳感器與IMU慣性測量單元結(jié)合的四旋翼導(dǎo)航系統(tǒng)，并對室內(nèi)環(huán)境下的四旋翼飛行器的定位和導(dǎo)航問題進(jìn)行了研

2、究。本文的主要工作和創(chuàng)新如下所述。
　　首先，本文對常用的幾種室內(nèi)導(dǎo)航方法進(jìn)行了研究和對比，綜合各方面因素考慮后選擇采用外部雙目視覺技術(shù)進(jìn)行室內(nèi)導(dǎo)航。由于機(jī)載攝像機(jī)的成像質(zhì)量容易受飛行過程中抖動等因素的影響，圖像噪聲大且質(zhì)量不高，相比而言，采用外部視覺的方法通常更可靠，準(zhǔn)確度也更高。
　　其次，介紹了四旋翼無人機(jī)的飛行原理，并針對實際使用的四旋翼飛行器進(jìn)行動力學(xué)建模，采用了以姿態(tài)控制回路為內(nèi)環(huán)、以位置控制回路為外環(huán)的雙環(huán)控制

3、結(jié)構(gòu)，將經(jīng)典的PID控制用于本文的四旋翼的飛行控制中，推導(dǎo)出四旋翼的姿態(tài)控制律和位置控制律，并在Matlab/Simulink環(huán)境中分別進(jìn)行四旋翼飛行器定點控制和軌跡跟蹤控制的仿真實驗，以驗證所提出的算法的有效性。
　　然后，對雙目視覺系統(tǒng)的理論體系進(jìn)行了介紹，基于針孔攝像機(jī)成像原理，采用Brown畸變模型，利用張正友攝像機(jī)標(biāo)定法對雙目視覺系統(tǒng)的左右攝像機(jī)分別進(jìn)行標(biāo)定，獲取左右攝像機(jī)的內(nèi)參矩陣，然后對雙目攝像機(jī)進(jìn)行立體標(biāo)定，獲得兩

4、個攝像機(jī)之間的外參數(shù)。
　　接著，本文對微型四旋翼飛行器的位姿估計問題進(jìn)行了研究。得到準(zhǔn)確的四旋翼位姿估計是實現(xiàn)對其定位和導(dǎo)航的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。本文利用雙目攝像機(jī)實時識別和跟蹤四旋翼無人機(jī)上的視覺標(biāo)識物，并重建其在世界坐標(biāo)系下的三維位置信息;根據(jù)視覺標(biāo)識物間的相對位置，采用改進(jìn)的正交迭代算法，對四旋翼在世界坐標(biāo)系下的姿態(tài)信息進(jìn)行重建，減少了算法的運行時間并在一定程度上提高了算法的準(zhǔn)確性。更進(jìn)一步，提出了在視覺特征不能被完全觀測到的情況