基于視覺的室內(nèi)自主偵查飛行器設(shè)計與研究.pdf

1、近年來，無人機受到了廣泛關(guān)注，其中四旋翼飛行器具有結(jié)構(gòu)簡單、機動性能強、可垂直起降和懸停等特點，在執(zhí)行室內(nèi)環(huán)境監(jiān)視、偵查和救援任務(wù)中具有明顯優(yōu)勢，成為無人機領(lǐng)域的研究熱點。但目前廣泛應(yīng)用的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）不適用于室內(nèi)、隧道等環(huán)境，而運動捕捉系統(tǒng)只能用于實驗室等特定場合，無法滿足室內(nèi)受限環(huán)境應(yīng)用需求。因此本文針對發(fā)生化學(xué)或生物污染等不適宜人員進入的室內(nèi)受限環(huán)境偵查需要，設(shè)計一個

2、融合視覺、光流、慣性傳感器等多種傳感器信息的，具有室內(nèi)自主偵查能力的四旋翼飛行器。
　　首先分析了系統(tǒng)組成，將整個系統(tǒng)分為四旋翼飛行器機體、飛行控制系統(tǒng)、視覺導(dǎo)航系統(tǒng)、地面站系統(tǒng)和手持遙控器五部分。詳細(xì)介紹了各部分的硬件組成，設(shè)計了基于機器人操作系統(tǒng)（Robot Operating System，ROS）的視覺導(dǎo)航系統(tǒng)和基于NuttX系統(tǒng)的飛行控制系統(tǒng)軟件方案。
　　接著設(shè)計了飛行器控制系統(tǒng)的位姿控制器和姿態(tài)估計器。根據(jù)牛頓

3、-歐拉方程建立四旋翼飛行器的非線性模型，設(shè)計和仿真了四旋翼飛行器的串級PID位姿控制器，設(shè)計了基于互補濾波的姿態(tài)估計器。
　　其次分析了視覺同時定位與地圖構(gòu)建(Simultaneous Localization and Mapping，SLAM)算法。介紹了攝像機模型和特征提取與匹配方法，并結(jié)合對極幾何原理分析了相鄰兩幀圖像恢復(fù)相機位姿的方法。在此基礎(chǔ)上設(shè)計了基于特征點和關(guān)鍵幀構(gòu)成地圖并采用光束平差法優(yōu)化的視覺里程計，分析了閉環(huán)檢

4、測方法以此實現(xiàn)完整的視覺 SLAM功能。
　　然后融合四旋翼飛行器機載的多種傳感器數(shù)據(jù)設(shè)計導(dǎo)航算法。針對單目視覺尺度問題采用超聲波傳感器和最大似然估計計算單目尺度。針對串級PID位置控制對位置和速度信息的要求采用擴展卡爾曼算法融合視覺、慣性測量單元、氣壓計等多傳感器信息。針對環(huán)境紋理缺少的情況同時運行視覺SLAM和光流算法保證飛行器正常飛行。針對導(dǎo)航地圖需求實現(xiàn)半稠密地圖和OctoMap創(chuàng)建。以及針對未知環(huán)境自主偵查需要設(shè)計步進式