基于视觉引导的旋翼无人机移动平台自主着陆技术研究

发布时间：2020-06-18 13:37

【摘要】：无人机自主着陆是无人机领域研究的热点之一,目前着陆引导多采用惯性、GPS等传统导航方法,使用环境受限,且易受干扰,而视觉可以提供更多环境信息,有利于提高无人机着陆安全性。本文针对视觉引导旋翼无人机在移动平台上自主着陆问题展开研究。主要工作如下:首先,搭建了旋翼无人机自主着陆系统。选用四旋翼架构,采用STM32F427和FreeRTOS设计了飞行控制单元,搭载Jetson TX1嵌入式处理器和高清摄像头作为机载视觉模块。此外,针对视觉引导无人机着陆过程中单个摄像头视野范围有限的问题,设计了一种使用前视与下视摄像头配合的检测跟踪方法,并在此基础上设计了视觉引导策略。其次,设计并实现了一种干扰环境下无人机着陆典型标志的检测与跟踪方法。分别对前视摄像头和下视摄像头设计不同的检测跟踪算法。对于前视摄像头,采用TinyYOLOv3对移动平台和引导标志同时进行检测,利用其相对位置关系提高系统抗干扰能力,根据检测结果使用跟踪算法fDSST(fast Discriminative Scale Space Tracking)进行位置滤波器初始化。对于下视摄像头,采用基于颜色和形状特征的方法对视觉引导标志进行检测,并对着陆目标点的空间位置进行解算。构建并标注了航拍引导标志视频数据集对Tiny-YOLOv3模型进行训练,并在室外干扰条件下进行了测试。然后,设计了一种移动平台自主着陆策略,根据该策略生成无人机飞行轨迹。考虑到前视摄像头与下视摄像头检测范围的不同将着陆分为两个阶段,首先通过前视摄像头引导无人机接近移动平台;然后当无人机距离移动平台较近时采用下视摄像头引导着陆;根据视觉引导提供的相对位置信息,并基于摄像头视野范围约束下实时预测无人机的飞行轨迹,通过飞控制单元保证无人机轨迹跟踪的精度,从而实现无人机在移动平台上的自动着陆。最后,在机载Jetson TX1上进行目标检测和跟踪算法实现,并通过实验验证了干扰条件下目标检测和跟踪算法的有效性。针对移动平台自主陆策略进行实验,结果表明,旋翼无人机能够在移动平台上实现自主着陆。
【学位授予单位】：西南科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V279;V249

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