基于四旋翼飞行器的视觉导航研究

发布时间：2020-08-31 15:02

　　随着机器视觉研究的深入,基于视觉的跟踪导航逐渐被广泛应用到各个重要领域中,如无人驾驶、智能机器人、军事打击等。本论文以国际空中机器人大赛(IARC)的第七代任务作为课题背景,以四旋翼飞行器作为平台对用于实现比赛任务的单目视觉里程计、边界检测以及目标定位跟踪等算法进行研究。首先,为了给飞行器制定处相应的飞行策略,系统需要知道目标与飞行器在场地中的位置,即它们的世界坐标。但单目摄像机采集来的图像为二维图像坐标,为此本文提出了一套基于相机标定和逆透视映射原理的单目视觉里程计,实现了对飞行器的全局定位。同时为了使策略更加有效,对地面机器人进行了建模分析,大致预测了目标运动区域。其次,本文将计算机视觉和无人机惯性导航相结合,对跟踪算法进行了研究与分析,考虑到比赛中对鲁棒性、实时性的要求以及机载计算机对计算能力限制等,设计了改进型Camshift算法(连续自适应的Meanshift算法)对目标进行检测和跟踪。针对该算法需要手动选取目标,引入目标模板,实现算法的自动跟踪;针对实际比赛中可能出现的目标遮挡情况,在跟踪算法中融合了 Kalman滤波器对遮挡后的目标进行预测。最后,为了满足飞行器不得飞出边界超过5秒的比赛要求,需要对比赛边界进行高精度检测且及时回飞。由于比赛场地边界特征复杂,传统的特征检测方法难以满足要求且失败率高,为此,文章设计了一种以方向梯度直方图(HOG)为特征的支持向量机(SVM)边界检测器。考虑到聚类算法计算量巨大,采用CUDA对其加速,实现该检测器对场地边界的尺度、旋转、光照变化都有很好的鲁棒性,且实时性能够满足比赛要求。
【学位单位】：宁夏大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TP391.41;V249.3
【部分图文】：

无人机,自主飞行,应用场,旋翼

目前己经逐渐从消费级应用广泛进入到各专业级应用．例如无人机送货、农业植逡逑保、军事侦察、电力线路巡检、目标搜索、桥梁检测、反恐任务、灾难救援等［？］多个领域逡逑为行业级四旋翼无人机的应用提供了广阔的舞台，图１．１为各场景应用实例图片。逡逑一邋１逡逑．：邋：邋ｍ－：逦逦—邋邋？逦逦？逡逑、ｖ、、Ａ邋＇邋ｓ逡逑■＂Ｃｒ逡逑ｒ＾％逦－逡逑图１．１各应用场景下的四旋翼无人机逡逑无人机一般可以选择遥控飞行以及非人为操作的自主飞行Ｗ，上面讲到的这些行业级应逡逑用一般为遥控飞行，且大部分应用项目是在野外空旷的环境中进行。对于遥控飞行，由于工逡逑作场景一般较为复杂，需要遥控员掌握熟练的飞行技能，高水平飞行员短缺也是存在的一个逡逑问题。遥控飞行需要事先在地面站做好任务规划，同时还要在执行时根据实时的环境信息变逡逑化做出调整，重新规划任务。遥控飞行由于控制信号传输问题限制，飞行时一般需要飞行器逡逑与飞行员在一定范围之内，难以符合长距离飞行的需求，所以无人机的自主飞行或许会成为逡逑无人机技术研究的重点。逡逑－１邋－逡逑

飞行器,斯坦福大学,美国,空间环境

近年来美国斯坦福大学致力于研究飞行器的仿生以及精准控制，融合了邋ＩＮＳ／ＥＣ的ＧＰＳ逡逑定位系统，主要的研宄成果有Ｎｉｘｉｅ以及ＳＣＡＭＰ无人机。其设计的飞行器不仅能按固定轨逡逑迹飞行，还能够模拟昆虫沿着墙壁和悬停，如图１．４所示。其搭载了多个高精度传感器，可逡逑以实时回传周围空间环境信息，以及图片传输。逡逑－３邋－逡逑

无人机,飞行器

积分法进行室内自主飞行，其精度可以达到±邋５°。逡逑Ｘ邋＼逡逑图１．３邋ＯＳ４飞行器逡逑近年来美国斯坦福大学致力于研究飞行器的仿生以及精准控制，融合了邋ＩＮＳ／ＥＣ的ＧＰＳ逡逑定位系统，主要的研宄成果有Ｎｉｘｉｅ以及ＳＣＡＭＰ无人机。其设计的飞行器不仅能按固定轨逡逑迹飞行，还能够模拟昆虫沿着墙壁和悬停，如图１．４所示。其搭载了多个高精度传感器，可逡逑以实时回传周围空间环境信息，以及图片传输。逡逑－３邋－逡逑

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