基于视觉的四旋翼无人机室内自主导航系统的研究与实现
发布时间：2021-07-02 09:53
微型无人机具有轻小、便携等优点,可以在未知环境中替代人工进行探测并完成一些复杂且危险的任务,从而降低人员的伤亡风险。近年来,具有未知环境自主探索功能的微型无人机更是成为军民用无人机研究的新浪潮。本文以此为应用背景,重点研究了四旋翼无人机在室内环境的实时定位、环境三维重建和自主路径规划等关键技术,并搭建了一个能在室内自主导航的微型四旋翼平台。首先,根据四旋翼机载RGB-D摄像头实现前端视觉里程计:选用小孔成像相机模型,利用均匀化的ORB算法提取图像关键帧特征点并完成特征匹配,随后利用EPnp算法实现帧间初始位姿估计;其次,针对纯视觉里程计在快速移动和纯旋转时容易造成位姿估计出错的问题,采用视觉惯导相融合的方法,利用扩展卡尔曼滤波器（EKF）对视觉里程计数据和IMU数据进行松耦合,公式推导了扩展卡尔曼预测模型和观测模型,实现了视觉-惯导里程计;接着后端优化用图的方式构建全局和局部位姿图,选用BA算法优化位姿图,从而获得长时间的最优位姿轨迹和地图;随后针对大范围相机运动过程中产生的累积误差,利用Bow词袋法完成回环检测;同时根据场景需求生成四种不同用途的环境地图,进而完成整个视觉SLAM算法...
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：86 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
各种位姿传感器
图 1-3 PATM 运行效果图2014 年，慕尼黑工业大学的 Jakob. Engle 等人提出一种基于直接法的单AM 算法，名为 LSD-SLAM。该算法利用改进的光流法估计位姿，不仅能获精度的位姿数据，还能根据环境选取的关键帧图像实时重构三维半稠密地图姿图，并且整个系统不需要 GPU 加速便可在线实时运行[11]。图 1-4 LSD-SLAM 运行效果图2017 年，西班牙 University of Zaragoza 的 Raul Mur-Artal 等人提出了第一个于单目，双目和 RGB-D 相机的一套完整 ORB-SLAM2 算法。该算法前端采
图 1-4 LSD-SLAM 运行效果图西班牙 University of Zaragoza 的 Raul Mur-Artal 等人提目和 RGB-D 相机的一套完整 ORB-SLAM2 算法。该算法，利用 2D-2D 和 2D-3D 的方式进行位姿估计，后相结合的方式对位姿进行调整和基于 BoW 的回环检测LocalMapping 和 LoopClosing 三部分，分别对应三个线中国香港科技大学的沈劭劼团队开源了基于单目视觉Mono。该 SLAM 算法结合非线性优化方法和滑动窗口 IMU+单目紧耦合的方式估计相机位姿，并且具备自动定位，闭环检测，以及全局位姿图优化等功能[13]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]微型无人机视觉定位与环境建模研究[J]. 吕科,施泽南,李一鹏. 电子科技大学学报. 2017(03)
[2]无人机室内视觉/惯导组合导航方法[J]. 王亭亭,蔡志浩,王英勋. 北京航空航天大学学报. 2018(01)
[3]无人机协同多任务分配的快速航路预估算法[J]. 周绍磊,尹高扬,李韬,谭继远,康宇航. 战术导弹技术. 2016(04)
[4]用于无人机室内导航的光流与地标融合方法[J]. 吴琦,蔡志浩,王英勋. 控制理论与应用. 2015(11)
[5]单目视觉同步定位与地图创建方法综述[J]. 顾照鹏,刘宏. 智能系统学报. 2015(04)
[6]基于视觉的小型四旋翼无人机自主飞行控制[J]. 鲜斌,刘洋,张旭,曹美会. 机械工程学报. 2015(09)
[7]基于双目视觉的微型无人机室内3维地图构建[J]. 余小欢,韩波,张宇,李平. 信息与控制. 2014(04)
[8]基于互补滤波器的四旋翼飞行器姿态解算[J]. 梁延德,程敏,何福本,李航. 传感器与微系统. 2011(11)
[9]电动VTOL飞行器双目立体视觉导航方法[J]. 张博翰,蔡志浩,王英勋. 北京航空航天大学学报. 2011(07)
[10]基于龙格—库塔方法的一阶微分方程组的初值问题[J]. 吴强,熊志刚. 数学理论与应用. 2006(03)
硕士论文
[1]大范围场景下视觉/惯性融合的RGB-D视觉里程计研究[D]. 晁斌.太原理工大学 2018
[2]基于RGB-D相机的室内同步定位与建图关键技术研究[D]. 张震.武汉大学 2018
[3]基于RGB-D相机的移动机器人导航研究[D]. 王超.华南理工大学 2018
[4]基于四元数非线性滤波的四旋翼姿态测量系统研究[D]. 伏家杰.南京航空航天大学 2018
[5]基于RGB-D的移动机器人实时定位与建图研究[D]. 伊星星.哈尔滨工业大学 2017
[6]四旋翼飞行器室内定位及避障系统设计[D]. 张泽群.哈尔滨理工大学 2017
[7]四旋翼飞行器飞行控制系统的研究与设计[D]. 程子啸.华南理工大学 2016
[8]室内环境下四旋翼无人机飞行控制技术研究[D]. 王洪林.南京航空航天大学 2016
[9]四旋翼无人机自主飞行控制器研制[D]. 王莹.黑龙江大学 2015
[10]基于视觉导航的无人机位姿控制与自主返航技术[D]. 盛哲.上海交通大学 2015
本文编号：3260246
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：86 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
各种位姿传感器
图 1-3 PATM 运行效果图2014 年，慕尼黑工业大学的 Jakob. Engle 等人提出一种基于直接法的单AM 算法，名为 LSD-SLAM。该算法利用改进的光流法估计位姿，不仅能获精度的位姿数据，还能根据环境选取的关键帧图像实时重构三维半稠密地图姿图，并且整个系统不需要 GPU 加速便可在线实时运行[11]。图 1-4 LSD-SLAM 运行效果图2017 年，西班牙 University of Zaragoza 的 Raul Mur-Artal 等人提出了第一个于单目，双目和 RGB-D 相机的一套完整 ORB-SLAM2 算法。该算法前端采
图 1-4 LSD-SLAM 运行效果图西班牙 University of Zaragoza 的 Raul Mur-Artal 等人提目和 RGB-D 相机的一套完整 ORB-SLAM2 算法。该算法，利用 2D-2D 和 2D-3D 的方式进行位姿估计，后相结合的方式对位姿进行调整和基于 BoW 的回环检测LocalMapping 和 LoopClosing 三部分，分别对应三个线中国香港科技大学的沈劭劼团队开源了基于单目视觉Mono。该 SLAM 算法结合非线性优化方法和滑动窗口 IMU+单目紧耦合的方式估计相机位姿，并且具备自动定位，闭环检测，以及全局位姿图优化等功能[13]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]微型无人机视觉定位与环境建模研究[J]. 吕科,施泽南,李一鹏. 电子科技大学学报. 2017(03)
[2]无人机室内视觉/惯导组合导航方法[J]. 王亭亭,蔡志浩,王英勋. 北京航空航天大学学报. 2018(01)
[3]无人机协同多任务分配的快速航路预估算法[J]. 周绍磊,尹高扬,李韬,谭继远,康宇航. 战术导弹技术. 2016(04)
[4]用于无人机室内导航的光流与地标融合方法[J]. 吴琦,蔡志浩,王英勋. 控制理论与应用. 2015(11)
[5]单目视觉同步定位与地图创建方法综述[J]. 顾照鹏,刘宏. 智能系统学报. 2015(04)
[6]基于视觉的小型四旋翼无人机自主飞行控制[J]. 鲜斌,刘洋,张旭,曹美会. 机械工程学报. 2015(09)
[7]基于双目视觉的微型无人机室内3维地图构建[J]. 余小欢,韩波,张宇,李平. 信息与控制. 2014(04)
[8]基于互补滤波器的四旋翼飞行器姿态解算[J]. 梁延德,程敏,何福本,李航. 传感器与微系统. 2011(11)
[9]电动VTOL飞行器双目立体视觉导航方法[J]. 张博翰,蔡志浩,王英勋. 北京航空航天大学学报. 2011(07)
[10]基于龙格—库塔方法的一阶微分方程组的初值问题[J]. 吴强,熊志刚. 数学理论与应用. 2006(03)
硕士论文
[1]大范围场景下视觉/惯性融合的RGB-D视觉里程计研究[D]. 晁斌.太原理工大学 2018
[2]基于RGB-D相机的室内同步定位与建图关键技术研究[D]. 张震.武汉大学 2018
[3]基于RGB-D相机的移动机器人导航研究[D]. 王超.华南理工大学 2018
[4]基于四元数非线性滤波的四旋翼姿态测量系统研究[D]. 伏家杰.南京航空航天大学 2018
[5]基于RGB-D的移动机器人实时定位与建图研究[D]. 伊星星.哈尔滨工业大学 2017
[6]四旋翼飞行器室内定位及避障系统设计[D]. 张泽群.哈尔滨理工大学 2017
[7]四旋翼飞行器飞行控制系统的研究与设计[D]. 程子啸.华南理工大学 2016
[8]室内环境下四旋翼无人机飞行控制技术研究[D]. 王洪林.南京航空航天大学 2016
[9]四旋翼无人机自主飞行控制器研制[D]. 王莹.黑龙江大学 2015
[10]基于视觉导航的无人机位姿控制与自主返航技术[D]. 盛哲.上海交通大学 2015
本文编号：3260246
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