基于计算机视觉的无人机智能管家飞控系统研究

发布时间：2020-05-31 18:36

【摘要】：近年来随着Alpha Go、无人驾驶汽车等一系列标志性事件的出现,人工智能获得了人们的高度关注,人工智能与其他传统领域相结合,将给这些学科带来新的发展机遇。人工智能管家是人类的一个梦想,代表着人工智能的一个高峰,但是可以进入普通家庭的人形机器人管家还需要一个漫长的研究开发过程。我们拟综合利用人工智能、计算机视觉和无人机等技术,开发一款基于小型无人机的轻型智能管家系统,本文重点负责其中无人机的飞控系统开发,所完成的研究开发工作如下。采用DDC技术开发了无人机的地面指挥系统,利用USB接口电路模块和4路D/A转换+8路GPIO电路模块实现了计算机与普通无人机遥控器的电路接口,在不改变遥控器固件和机载控制电路硬件的前提下,实现了地面台式计算机对无人机的直接数字化控制。研究了基于计算机视觉的无人机室内定位技术,先后探讨了基于PNP原理的无人机定位技术和基于匹配特征点的无人机定位技术,实验发现这两者虽然具有较高定位精度,但是,前者需要预先在场地做标记,而后者实时性较差,为此本论文最后提出了基于4象限匹配特征点的无人机快速反馈定位方法。该方法通过比较当前图像和参考图像中匹配特征点的相对位置的变化,快速判断无人机的相对位置,实现了无人机的快速准确定位。进一步在此基础上,实现了无人机在室内指定点的定位与巡航飞行。研究了基于计算机视觉的无人机室内安全飞行与避障技术,实现了基于Harr特征的人脸检测和基于HOG和SVM的身躯检测以及自动避让。同时还提出了一种基于三维重建的固有物体检测与避障方法。该方法借助SFM获取场景的稀疏点云,并借助这些稀疏点云构建三维特征点库。进一步将当前图像中的特征点与三维特征点库中的特征点进行匹配,通过匹配成功的三维特征点,解算无人机的位置,计算与前方最近物点的距离,实现自动避障。开发了一套基于无人机的智能管家飞行控制软件系统,可以方便地对系统各个模块和功能进行实验调试和参数设置,包括遥控器硬件控制、图像采集、图像处理、无人机控制、定点与巡航飞行控制、活动人员与固有物体检测避让等。实验表明本论文开发的软硬件智能控制系统基本满足基于无人机的智能管家系统的需求。
【图文】：

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２．１总体框架设计逡逑２．１．１硬件框架设计逡逑本文旨在设计一套基于无人机的开放式智能管家系统，其总体硬件架构如图２．１逡逑所示。搭载有运动相机的小型四翼无人机构成智能管家的躯干，利用无人机的飞行逡逑能力实现室内各个区域的巡航监测。而智能管家的大脑，由一台台式计算机构成。逡逑计算机借助传图模块接收运动相机发送的高清视频，通过实时图像分析监测室内环逡逑境，并通过无线遥控模块将飞行指令发送给无人机，实现无人机的定位、飞行、返逡逑航等基本控制功能，进一步借助深度学习等人工智能算法实现景物和人员的智能识逡逑别、物品分类与管理登记、安全防护等各种高级功能。计算机同时还借助语音模块逡逑实现语音识别和语义理解，利用云平台和网络资源，实现人机智能对话、信息咨询、逡逑温湿度监测、智能家居控制以及无人机的语音控制飞行等各种功能。各个硬件模块逡逑的实现详见本章后续各节的讨论。逡逑逦逡逑－逦逦—图传卿逡逑计篝机逦逦１邋Ｊｆ逡逑—Ｉ控泡搬１邋＾逡逑—语音嫩逡逑图２．１无人机智能管家硬件架构逡逑２．１．２软件框架设计逡逑本文所研制的基于无人机的智能管家系统，是一套

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硕士学位论文逡逑ＭＡＳＴＥＲ＇Ｓ邋ＴＨＥＳＩＳ逡逑不断升级逐步完善自身功能，为此整个软件系统采用模块化设计，其主要构架如图逡逑２．邋２所示。整个软件系统分为４层，层与层之间通过封装好的ＡＰＩ函数进行链接。逡逑第一层，即最底层，为硬件管理控制层，负责图像、语音和各种环境监测信息采集逡逑和硬件控制；第二层为数据分析层，负责信号的预处理和特征提取、分析等；第三逡逑层为数据管理层，负责原始信号或处理后的特征信号的存档、保存、查阅、删除等；逡逑第四层，即顶层，为功能应用层，负责各种实用功能的实现，包括基本计算机视觉逡逑的无人机飞行控制功能、温湿度环境监测功能、智能家居设备定时开关机功能，以逡逑及智能人机对话、物品自动识别与管理、信息咨询等各种高级功能。逡逑－￣－邋－邋—＿—逦
【学位授予单位】：华中师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V279;V249.1

【参考文献】