多旋翼無人機視覺引導(dǎo)降落研究.pdf

1、近年來，由于MEMS慣性傳感器技術(shù)的成熟和價格下降，使多旋翼無人機自動飛行控制系統(tǒng)硬件體積縮小，穩(wěn)定性提高，成本降低，于是多旋翼無人機在影視、運輸、農(nóng)業(yè)等多個行業(yè)得到了應(yīng)用。借助于GPS定位技術(shù)，多旋翼無人機在空中可按預(yù)定軌跡精準航行，但在建筑物附近降落時，信號往往丟失，失去定位，無法精準降落。
　　針對此問題，本文提出了一種在無人機上完成全部計算的視覺定位方法。該方法用超聲波測量高度，通過機載攝像頭尋找地面上黑白相間的圓環(huán)的圓心

2、，然后根據(jù)相機成像原理推算出無人機的水平位置，最后采用PID等控制策略使其位置和高度穩(wěn)定。
　　本文首先研究了多旋翼無人機的位置測量，根據(jù)所采用的表示位置參考點的特征圖案，找到了一種簡潔的視覺搜索算法；在圖像中找到位置參考點后，由成像原理推導(dǎo)了相對位置計算公式；為了計算出絕對位置，應(yīng)用了無損卡爾曼濾波器融合來自IMU等傳感器的數(shù)據(jù)，估計出姿態(tài)。濾波和控制策略是本文的第二部分研究內(nèi)容，先由剛體動力學(xué)和空氣動力學(xué)基本規(guī)律推導(dǎo)了多旋翼無

3、人機水平方向和豎直方向的動力學(xué)方程；然后依據(jù)此數(shù)學(xué)模型設(shè)計了消除位置測量值噪聲的卡爾曼濾波器和控制水平位置的PID控制器，并用仿真驗證了有效性；用反饋線性化方法設(shè)計了參數(shù)自適應(yīng)的高度控制策略。最后制作了樣機，采用低成本的32位的MCU和30萬像素的圖像傳感器制作了硬件；給出了關(guān)鍵的算法和程序流程圖，用C語言實現(xiàn)了視覺搜索算法、卡爾曼濾波算法、PID控制算法和高度控制算法，開發(fā)了相關(guān)上位機監(jiān)視和調(diào)試軟件。
　　實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)可