基于单目视觉的四旋翼无人机位姿估计与控制

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1、基于单目视觉的四旋翼无人机位姿估计与控制第1章绪论1.1课题背景及研究的目的和意义不管在军用还是商用方面，四旋翼无人机的自主飞行一直都是研究热点，实际应用的领域也越来越多，如：喷洒农药、航空拍摄、安全巡逻、地震救援等等。通过四旋翼无人机执行危险任务，在保障人身安全的同时，还可以很好的降低成本[1-3]。基于这些需求，各大研究机构和企业都投入大量精力加强对四旋翼无人机的研究[4-6]。四旋翼无人机拥有四个大小相同的螺旋桨，且两个正桨两个反桨，正桨和反桨间隔安装在四个电机上，很好地解决了自旋问题。因为不用像直升机一样，通过尾桨这种复杂的机械结构消除自旋，四旋翼无

2、人机的机械结构大大简化。相同大小的情况下，相比于单旋翼无人机，四旋翼无人机的螺旋桨可以做到更小，但产生的总升力却更大。基于四旋翼无人机完全对称的机械结构，其控制简单、灵活、机动性好，大大降低了硬件及软件的设计难度，通过改变各个电机的转速，可以实现稳定悬停以及各种飞行动作。近几年，四旋翼无人机的位姿估计即定位问题受到越来越多的关注[7]。四旋翼无人机准确的定位是实现避障、路径规划以及抓取等各种复杂任务的基础和前提。目前广泛应用的定位方法有两类：一类是基于四旋翼无人机自身对环境进行同步定位与制图（SLAM），从而获得精确的位置信息；另一类是基于外部设备提供精确的

3、位置信息，如全球卫星定位系统[8]，运动捕捉系统[9-11]。运动捕捉系统拥有高分辨率的摄像头，可以亚毫米纪地追踪一个或多个无人机的位姿[12-14]。近几年，很多研究人员通过运动捕捉系统实现了四旋翼无人机的运动估计，并通过运动捕捉系统实现了多旋翼无人机的暴力操作[15]，倾斜墙面上的停靠[16]，以及物体抓取[17-19]。但是，运动捕捉系统只能应用在实验室、研究室这种特定的场合，这大大局限了四旋翼无人机的应用范围。同样，利用全球卫星定位系统实现定位的方法也有明显缺陷，因为在建筑物密集、室内、隧道等地方GPS定位几乎是完全失效的。这两类方法相比较而言，通过

4、SLAM方法[20-22]提供运动控制所需的准确位置信息有更大的应用价值。目前SLAM的研究主要集中在移动机器人上，机载SLAM系统受到无人机负载能力和机载电脑处理能力的限制，需要解决在线实时姿态估计这一难点。.......1.2无人机定位的研究现状和分析GeorgedeBothezat在1922年制作了号称飞天章鱼的四旋翼无人机[40]。制造这个四旋翼无人机受到了政府部门的大力支持，其初衷是为了实现无人机的垂直升降。这个四旋翼无人机的尺寸大，质量大，所以使用的发动机动力也非常大。制造结束，在进行试飞时，虽然只是在几近地面处短暂飞行很少时间，但是这在四旋翼无

5、人机的发展史上却有举足轻重的意义。随着微机电系统（Micro-Electro-MechanicalSystem,MEMS）技术的成熟，到2005年左右，真正稳定的四旋翼无人机自动控制器被研制出来。四年后，3DRobotics公司在美国加利福尼亚州的伯克利成立，这在无人机的商业领域产生了重大影响。3DRobotics一开始的市场定位是遥控飞机的零部件生产销售，随着技术不断积累才开始了旋翼无人机的研制。2015年推出的Solo无人机极具智能性，玩家设定起点和终点后，无人机就可以进行自主飞行，同时玩家可以调整摄像头视角完成理想的拍摄。而且3DRobotics的开源

6、特性吸引了大批极客爱好者，同时也促进了自身的发展[41]，见图1-1。2010年，法国Parrot公司推出了四旋翼无人机AR.Drone，初期AR.Drone作为高科技玩具进入公众的视野，后来由于其稳定性高、轻便安全、易操控等特性，受到越来越多研究者的青睐。而且AR.Drone可以通过无线信号将传感器数据传送出来，这为很多研究工作提供了良好的数据采集平台。接下来的几年里，AR.Drone一直有升级版本相继发布，比如AR.Drone2.0、AR.Drone3.0。2014年，Parrot推出了新款四旋翼无人机BebopDrone，其摄像头相比于AR.Drone

7、的摄像头性能更强大，而且BebopDrone进行了增稳和防震，使得用户可以观看流畅的第一视角画面[42]。.........第2章四旋翼无人机软硬件系统搭建2.1引言本章主要介绍四旋翼无人机软硬件系统的搭建，包括硬件系统选型和软件系统基本架构。软件系统由单目SLAM、EKF滤波器和PID控制器组成。单目SLAM主要负责视觉位姿估计，EKF滤波器进行视觉位姿和惯导位姿的融合，以及系统延时的消除，PID控制器进行姿态控制。硬件系统主要包括四旋翼无人机和数据处理平台。其中数据处理平台负责几乎全部的数据计算，如传感器数据融合、位姿解算和控制命令发送。........

8、.2.2四旋翼无人机硬件系统搭建本文选取了法国公司P