仿天鹅的无人机视觉惯性里程计与飞行控制研究

发布时间：2020-05-07 02:02

【摘要】：近些年来无人机自主定位和三维感知是机器人领域内非常重要的研究热点。无人机在无GPS环境下的自主定位和感知更成为其中的关键技术。目前无人机的定位大都是靠GPS来实现,在GPS信号不好或无信号时无法实现定位。针对此问题,国内外很多科研机构提出:在无人机上搭载相机和视觉惯性测量器件(IMU),利用视觉里程计实现无人机的视觉惯性定位。但是该方法中相机与无人机本体相固连,相机运动的自由度受到较大限制,无人机的视野只能随着其本体的运动而改变。当无人机执行各种任务悬停时,其视野保持固定而不能察觉到视野之外的环境,这极大限制了无人机对周围环境的感知能力,使无人机难以应对实际动态场景。针对上述问题,本文模仿天鹅视觉定位感知结构,搭建了一套新型的无人机视觉惯性定位系统。该系统模仿天鹅的视觉定位方式,将无人机下方安装的三自由度机械臂作为“脖子”,将三自由度机械臂末端固定的相机和IMU作为无人机的“视觉惯性感知系统”。本文首先对不同视觉惯性传感器的时间戳进行分析,选择了时间戳同步性能较好的单目广角鱼眼相机和IMU组成视觉惯性传感器,利用该视觉惯性传感器实现了视觉惯性里程计。其次本文设计并搭建了具有高精度位置反馈功能的三自由度机械臂,利用机械臂正运动学将里程计定位信息传递至无人机本体,从而实现无人机视觉惯性定位。最后本文通过控制机械臂自由运动来改变相机视野,从而实现无人机的多自由度灵活定位。为了验证本文方案的可行性,本文搭建了飞行实验平台并进行了飞行实验。将视觉惯性里程计与运动捕捉系统进行对比,说明了本文中采用的视觉惯性定位算法达到了毫米级的定位精度,可以满足无人机的位置反馈要求。将无人机的定位信息与运动捕捉系统进行比较,说明了本文搭建的仿天鹅视觉惯性定位系统具有很高的定位精度。本文所研究的仿天鹅的无人机视觉惯性定位与控制方法大大提高了无人机视觉定位的灵活性,增强了无人机对动态环境的感知能力,具有非常重要的研究意义。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V279;V249.1

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