基于視覺的四旋翼無人機室內導航系統(tǒng)研究.pdf

1、微型四旋翼飛行器在成本、敏捷性、機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用價值。目前大多數商業(yè)四旋翼無人機的飛控系統(tǒng)都利用GPS技術進行導航，但是在某些復雜環(huán)境中，特別是室內環(huán)境中，衛(wèi)星導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慣性測量單元結合的四旋翼導航系統(tǒng)，并對室內環(huán)境下的四旋翼飛行器的定位和導航問題進行了研

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導航方法進行了研究和對比，綜合各方面因素考慮后選擇采用外部雙目視覺技術進行室內導航。由于機載攝像機的成像質量容易受飛行過程中抖動等因素的影響，圖像噪聲大且質量不高，相比而言，采用外部視覺的方法通常更可靠，準確度也更高。
　　其次，介紹了四旋翼無人機的飛行原理，并針對實際使用的四旋翼飛行器進行動力學建模，采用了以姿態(tài)控制回路為內環(huán)、以位置控制回路為外環(huán)的雙環(huán)控制

3、結構，將經典的PID控制用于本文的四旋翼的飛行控制中，推導出四旋翼的姿態(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)的理論體系進行了介紹，基于針孔攝像機成像原理，采用Brown畸變模型，利用張正友攝像機標定法對雙目視覺系統(tǒng)的左右攝像機分別進行標定，獲取左右攝像機的內參矩陣，然后對雙目攝像機進行立體標定，獲得兩

4、個攝像機之間的外參數。
　　接著，本文對微型四旋翼飛行器的位姿估計問題進行了研究。得到準確的四旋翼位姿估計是實現對其定位和導航的基礎和關鍵。本文利用雙目攝像機實時識別和跟蹤四旋翼無人機上的視覺標識物，并重建其在世界坐標系下的三維位置信息;根據視覺標識物間的相對位置，采用改進的正交迭代算法，對四旋翼在世界坐標系下的姿態(tài)信息進行重建，減少了算法的運行時間并在一定程度上提高了算法的準確性。更進一步，提出了在視覺特征不能被完全觀測到的情況