多传感器融合的无人机位姿跟踪与路径规划

发布时间：2020-09-18 18:58

　　 近年来随着计算机视觉、传感器技术、人工智能等领域的快速发展,无人机技术水平取得了长足的发展,为国家及社会的安全与便利提供了保障。为保证无人机飞行的安全性与可靠性,无人机实时定位与规划避障技术显得愈发重要,已逐步引起了研究者的关注。面对无人机实际飞行需要和新的难点挑战,本文利用多传感器融合技术进行位姿跟踪并设计了两种三维空间的路径规划方法。首先,针对单一传感器即时定位与地图构建技术(SimultaneousLocalization and Mapping,SLAM)在精度方面的不足,本文在分析权衡各类传感器优缺点的基础上,使用全球卫星定位系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)、惯性测量单元(Inertial Measurement Unit,IMU)、双目立体视觉(Stereo Visual)共同构建了多传感器融合的位姿跟踪系统。利用GNSS提供全局定位信息进行校准,利用IMU提供载体运动信息进行辅助定位,利用Stereo Visual获取图像信息进行视觉位姿跟踪,充分发挥传感器间的互补优势,为系统带来了较强的鲁棒性。此外,本文设计了 GNSS-IMU、GNSS-IMU-Stereo Visual两大功能模块,协同完成对无人机位姿的跟踪定位工作,相比传统视觉SLAM方法在定位精度方面有着更好的表现。在获取无人机精确位姿信息之后,结合传感器感知获取的三维环境信息,可进行环境初步建模。进一步的,本文利用组合滤波去噪方法和去冗余地图拼接方法共同完成三维空间模型的构建,并利用八叉树结构转换得到了三维空间栅格地图。在此基础上,本文设计了两种适用于无人机的路径规划方法,能够在保障无人机运动的灵活性的同时快速鲁棒地完成路径规划任务,进一步保证了无人机飞行的安全性和执行任务的高效性。
【学位单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：V279;V249;TP212
【部分图文】：

并带来极大的便利，智能无人机作为其中的一个重要方面，已经逐步发展出了军逡逑用级，工业级，消费级多层次的产品结构，为国家及社会的安全与便利提供了保逡逑障。具体的，如图１．１所示，军用领域的无人机更为注重飞行速度与打击能力；逡逑农林植保，线路巡检所使用的无人机更倾向于在长时间滞空的情况下解决专业问逡逑题；而城市中的消费级无人机则需要解决在城市复杂的飞行条件下的精准定位与逡逑实施避障问题，并在此基础上利用人脸识别、行为分析等技术完成与用户的人机逡逑交互。逡逑ＥｍｕＨＨ邋：逡逑图１．１各领域的智能无人机逡逑无人机的灵活应用与部署离不开精确的环境感知与位姿追踪，迅速发展的传逡逑感器科学为此提供了保障。对于户外工作的军民用中大型无人机而言，全球卫星逡逑定位系统（Ｇｌｏｂａｌ邋Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ邋Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ邋Ｓｙｓｔｅｍ，邋ＧＮＳＳ）是无人机跟踪定位的主要逡逑信息源，在此基础上，结合可见光相机便可对环境进行充分感知。然而，这对于逡逑以城市环境为主要应用场景的消费级无人机而言却困难的多。由于城市内建筑物逡逑繁多，遮挡严重，ＧＮＳＳ的定位数据不再绝对可靠。而且由于城市内光

仅仅依靠可见光相机也显得有些力不从心。近年来，随着传感器科学的逡逑发展，设备工艺水平的不断提高，传感器的高精度化、小型化、便携化已成为大逡逑势所趋（如图１．２所示）。科研人员开始聚焦于融合多传感器信息进行环境感知逡逑以求获得更为全面的环境感知数据，在此基础上利用即时定位与地图构建逡逑（ＳｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓＬｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎａｎｄＭａｐｐｉｎｇ，ＳＬＡＭ）技术更好的跟踪无人机、无人逡逑车等设备的位姿轨迹，保障运行安全。逡逑图１．２邋ＭＥＭＳ传感器与］６线激光雷达逡逑此外对于无人机而言，路径规划技术同样是保证其灵活性与实用性的关键技逡逑术。无人机的路径规划技术是在三维环境中，综合考虑环境威胁、无人机物理条逡逑件、飞行区域限制等诸多因素，为无人机规划出最优的全局路径，亦或是最安全逡逑的局部飞行路径，使无人机能够避开各类危险，完成预定任务目标。与机器人、逡逑无人车等设备路径规划不同的是

并在优化求解的同时不断更新。作为第一个可以实时运行的ＳＬＡＭ系统，逡逑ＭｏｎｏＳＬＡＭ为视觉ＳＬＡＭ的发展做出了巨大贡献，可以称得上是里程碑式的工逡逑作。图１．３是ＭｏｎｏＳＬＡＭ运行时的截图，其中左图表示对图像中的特征点进行逡逑追踪，右图表示观测到的三维空间中的路标信息。这里，使用了椭球来表示路标逡逑的均值和不确定度。由于单目相机提取得到的深度信息并不准确，所以路标点在逡逑相机Ｚ方向上不确定性较大。逡逑，／ｙ逡逑图１．３邋ＭｏｎｏＳＬＡＭ效果展示逡逑此外，Ｋｌｅｉｎ，邋Ｄａｖｉｄ等人提出了另一个重要的视觉ＳＬＡＭ系统框架ＰＴＡＭ逡逑（Ｐａｒａｌｌｅｌ邋Ｔｒａｃｋｉｎｇ邋ａｎｄ邋Ｍａｐｐｉｎｇ邋）［１６］，这个框架是针对增强现实（Ａｕｇｍｅｎｔｅｄ邋Ｒｅａｌｉｔｙ，逡逑ＡＲ）领域开发，是ＳＬＡＭ技术与ＡＲ技术的第一次结合。ＰＴＡＭ第一次为ＳＬＡＭ逡逑系统引入了前后端的概念，同时提出了跟踪与建图过程的并行化，这一思路被后逡逑续ＳＬＡＭ广泛采纳。此外

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本文编号：2822045