光流改进算法研究及其在四旋翼无人机中的应用

发布时间：2020-08-08 06:28

【摘要】：近年来,随着四旋翼无人机的快速发展,无人机及相关技术被广泛地应用在街景拍摄、监控巡察、救援救灾等领域。无人机在依靠GPS进行定位时,往往由于GPS信号缺失或较差,导致定位的准确性受到很大影响。而使用光流技术进行无GPS定位可以很好的改善定位性能。本文对传统光流算法进行了改进,并在四旋翼无人机飞行控制中实现了成功的应用。主要工作如下:首先,对常见的几种光流算法进行分析,包括Lukas-Kanade光流法、Horn-Schunck光流法和块匹配法。针对无人机使用块匹配法进行光流定位时,在频闪光、弱光下表现较差这一问题,做了如下改进:(1)使用中值滤波进行图像预处理,降低了环境噪声对行光流计算产生的影响;(2)使用比例渐进的方式,降低频闪光高亮度、低亮度交替变化特征对光流计算产生的影响;(3)提出一种改进自适应阈值法对图像质量较差区域进行分割处理,降低图像处理的误判率。其次,为了验证光流改进算法在无人机飞行定位控制上的准确性,分别从硬件和软件两个方面进行了设计。通过元器件的对比选材,设计了无人机硬件系统的几大模块:主控模块、姿态传感器模块、气压传感器模块、光流传感器模块、电机驱动模块和电源模块;通过采用串级PID控制以及姿态解算,对无人机飞行控制系统软件部分进行了设计,并且给出了部分主要程序。最后,采用MATLAB/SIMULINK软件对所提算法进行了计算机仿真,仿真结果表明:在原始光流算法下,无人机定点悬停在预设位置后会产生较大漂移;而光流改进算法控制下的无人机在到达预设位置后只有轻微漂移。真机试飞实验表明:在频闪光、弱光环境下,光流改进算法的RMSE指标要明显优于原始光流算法。综上所述,光流改进算法可以显著提升四旋翼无人机的飞行控制性能。
【学位授予单位】：安徽工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V279
【图文】：

控制无人机的飞行姿态，需要改变四个电机转速来实现。逡逑图２－１逦“Ｘ”字模式逡逑常见四旋翼无人机有两种模式［３３］。一种是“Ｘ”字模式，如图２－１所示；另一逡逑种是“十”型模式，如图２－２所示。“十”字模式选择其中一个电机方向作为飞行机逡逑头方向，这样就可以确定无人机的前后左右。但是这种模式在一些应用场所存在逡逑缺点，比如在进行航拍时，做的俯仰动作幅度比较大时，可能将机头电机Ｍｌ与逡逑旋翼Ｆ１拍在画面里，对拍摄效果产生影响。“Ｘ”模式则不同，它把两旋翼之间逡逑的空挡处作为机头的方向，“Ｘ”模式不仅避免了上述遮挡问题，而且它飞行的横逡逑向距离变短，使飞行过程更加顺畅和灵活。逡逑７逡逑

机转速实现升力变化，得到无人机不同电机的转动变化都会影响整个飞行系统型欠驱动系统，这就对无人机的控制算人机为例介绍四种典型飞行运动：逡逑悬停逡逑行时，电机Ｍｌ、Ｍ３与电机Ｍ２、Ｍ４旋等时，各旋翼间的反扭矩使机身达到平，使机体重力等于向上的升力时，无人共同增加或者减小电机转速，则无人机就

？逡逑？逡逑图２－２邋“十”字模式逡逑通过调节四个电机转速实现升力变化，得到无人机不同的飞行姿态。在无人逡逑机飞行姿态中，一个电机的转动变化都会影响整个飞行系统的稳定性，可见无人逡逑机飞行系统是一种典型欠驱动系统，这就对无人机的控制算法的优化要求很高。逡逑本文以“Ｘ”型无人机为例介绍四种典型飞行运动：逡逑⑴垂直运动与悬停逡逑无人机在空中飞行时，电机Ｍｌ、Ｍ３与电机Ｍ２、Ｍ４旋转方向相反，当且逡逑仅当四个电机转速相等时，各旋翼间的反扭矩使机身达到平衡；当四个电机转速逡逑相等且达到一定速度，使机体重力等于向上的升力时，无人机就会悬停。如图逡逑２－３所示。此时如果共同增加或者减小电机转速，则无人机就会上升或下降（垂逡逑直运动）。逡逑［＾＼Ｄ）逡逑图２－３垂直运动与悬停示意图逡逑（２）滚转运动与左右飞行逡逑如图２－４所示

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本文编号：2785196