基于光流传感器的四旋翼飞行器悬停校正.pdf

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1、2014年月装甲兵工程学院学报第卷第期文章编号：基于光流传感器的四旋翼飞行器悬停校正吕强，倪佩佩，王国胜，刘峰装甲兵工程学院控制工程系北京摘要一：由于低成本的惯性测量单元存在较大漂移四旋翼飞行器难以稳定地悬停在固定区域基于此出了，，提种基于光流传感器的四旋翼飞行器悬停校正方法。将光流传感器安装在四旋翼飞行器底部，利用光流信息检测四旋翼飞行器相对地面的水平移动速度对姿态估计进行补偿：该方，实现悬停校正。试验结果表明法能够有效地提高四旋翼飞行器的悬停稳定性从而保证飞行器能够执行战场侦察、校正射击、干扰敌人等多种军事任务。关键词：四旋翼飞行器；光流传感器；悬停校正；

2、姿态估计中图分类号文献标志码：：：，；；；一个复杂的多输人多输出四旋翼飞行器是、欠个方向安装摄像头仅利用检测到的光流方向而不驱动、强稱合的非线性系统，其姿态控制以及导航定是光流值来校正惯性传感器的漂移，但过多的传感位问题都是国内外研究的焦点。笔者所在课题器占用了大量的板载计算机的处理进程。组以航模为试验平台，其，以等设计了八旋翼飞行器中内圈个水平螺为核心对其飞行控制系统硬件进行设计基于旋桨用于控制姿态角，外圈个垂直螺旋桨用于控信息的位置控制和基于惯性传感器的姿态控制，实制水平移动这种动力学设计能够解耦系统并避免现了室外的定点悬停试验。由于惯性传感器漂移、四旋翼

3、水平姿态角变化过大导致的光流传感器计算精度差、使用环境受限制等因素会导致四旋翼不准确的情况，但增加了飞行器负载和能耗机械结难以悬停在固定区域，因此四旋翼的悬停控制成为构也更加复杂。国内外众多学者研究的热点。为优化控制算法’减少重量和能耗精简机械结等提出光流技术是一种广泛用于视觉构，本文采用光流传感器，利用该传感器处理而不需要精确地跟踪特征点就能实现运动检测的高感光度、高像素、高数据更新速度并且能够通的仿生技术。等分别在前、后、左、右、下过地面站软件实时获取数据等优收稿日期丨作者简介：吕强（男，教授，博士。第期吕强：基，等于光流传感器的四旋翼飞行器悬停校正点提出

4、一种基于该传感器检测四旋翼飞行器相对像素级像素偏移量。地面的水平移动速度并用高精度惯性测量旋转补偿。为减去由于摄像头自身旋转产单元对所测四旋翼飞行器的姿态角进行补偿，最终生的光流将的板载陀螺仪所测量的摄实现四旋翼飞行器的空中悬停校正。像头角度旋转速率和透镜的焦距代入式（、中，对移动场的旋转部件进行旋转补偿，分别光流传感器检测算法得画像平面方向的光流分量光流传感器具有原生像素分辨率，计算光流的过程中采用了倍分级和剪裁算法，白天室外环境⑴。°‘‘下计算速度能达到。主要包括板中；；为平移变换矩阵为高度载图像传感器、三轴陀螺、超声波传感器和式；分别为文、方向的像素偏移

5、量。处理器部分。为主动发送数尺度缩放。超声波传感器提供高度信息据模式数据格式遵守国际通用的小型无人机将代人式，根据投影变换计算出摄像头相地面水平移动速度光流检测步骤对通常采用的光流算法有光流法、‘光流法、金字塔算法、块匹配算法。采用的是最小绝对误差和（块匹配算法光流检测步骤如下。基于光流传感器的悬停控制设计°并根据式細块匹配算法（选择幽翼飞行控制系统可以分解为姿态控制和高■度控制。姿态控制系统动力学模型变换可得到如下状态方程：“，，「■「、式中分别为参考帧中的预测块与当前帧中的当前块在水平、、垂直方向的偏移、分别为当前块。（内某像素的水平、垂直坐标为当前块某像

6、素的亮七度或色度值为预测块对应像素的亮度或色度值；、为单方向最大搜索距离」」。值即为当前块与参忒仏一个像素点差值的绝对值之和…考块之间每。块之式中：识，，，为状态向间的值越小说明块的相似程度越大反之，沒量其中，、、，为俯仰角’为横滚角’为偏航角则块的相似程度越小差异越大。选择搜索区域为对应的角速度；仏（，，为输入向量。内值最大的匹配块作为最佳匹配块。式的四旋翼飞行器姿态控制系统可以由上双线性插值法亚像素细化。假设非整像素到下分解为俯仰通道、横滚通道和偏航通道。四旋点在邻近的个像素点（翼飞行器在飞行时的姿态控制就是对和少的、（，亚像素点（上灰度值的双控制。线性插

7、值为悬停控制对偏航角的控制要求并不高，一定的误差获取的和与实际角度存在，因此式中。一）；。会产生向某方向的缓慢漂移。光流传感器可以检；测出水平移动速度，可对测得的姿态角进行，、分别为点到（，补偿。图为控制结构示意图。（、点距离的水平、垂直分量。计算出最佳匹配块的亚光流传感器测得四旋翼水平位移速度分量分别70装甲兵工程学院学报第卷！丨丨炉，沒，控制器控制器电机—动力输出，控制器；图控制结构示意图为、、。正比于俯仰角误差正比于横滚角式中为四旋翼满足起飞条件时电机的预备占误差且、、〉期，望的水平移空比。动速度为。将平移速度、、作为控制输人，采用控制器作为外环姿态角补

8、偿控制器。控制输出为角度误差一、和验证