基于視覺的室內(nèi)自主偵查飛行器設(shè)計(jì)與研究.pdf

1、近年來，無人機(jī)受到了廣泛關(guān)注，其中四旋翼飛行器具有結(jié)構(gòu)簡單、機(jī)動(dòng)性能強(qiáng)、可垂直起降和懸停等特點(diǎn)，在執(zhí)行室內(nèi)環(huán)境監(jiān)視、偵查和救援任務(wù)中具有明顯優(yōu)勢，成為無人機(jī)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。但目前廣泛應(yīng)用的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）不適用于室內(nèi)、隧道等環(huán)境，而運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)只能用于實(shí)驗(yàn)室等特定場合，無法滿足室內(nèi)受限環(huán)境應(yīng)用需求。因此本文針對(duì)發(fā)生化學(xué)或生物污染等不適宜人員進(jìn)入的室內(nèi)受限環(huán)境偵查需要，設(shè)計(jì)一個(gè)

2、融合視覺、光流、慣性傳感器等多種傳感器信息的，具有室內(nèi)自主偵查能力的四旋翼飛行器。
　　首先分析了系統(tǒng)組成，將整個(gè)系統(tǒng)分為四旋翼飛行器機(jī)體、飛行控制系統(tǒng)、視覺導(dǎo)航系統(tǒng)、地面站系統(tǒng)和手持遙控器五部分。詳細(xì)介紹了各部分的硬件組成，設(shè)計(jì)了基于機(jī)器人操作系統(tǒng)（Robot Operating System，ROS）的視覺導(dǎo)航系統(tǒng)和基于NuttX系統(tǒng)的飛行控制系統(tǒng)軟件方案。
　　接著設(shè)計(jì)了飛行器控制系統(tǒng)的位姿控制器和姿態(tài)估計(jì)器。根據(jù)牛頓

3、-歐拉方程建立四旋翼飛行器的非線性模型，設(shè)計(jì)和仿真了四旋翼飛行器的串級(jí)PID位姿控制器，設(shè)計(jì)了基于互補(bǔ)濾波的姿態(tài)估計(jì)器。
　　其次分析了視覺同時(shí)定位與地圖構(gòu)建(Simultaneous Localization and Mapping，SLAM)算法。介紹了攝像機(jī)模型和特征提取與匹配方法，并結(jié)合對(duì)極幾何原理分析了相鄰兩幀圖像恢復(fù)相機(jī)位姿的方法。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了基于特征點(diǎn)和關(guān)鍵幀構(gòu)成地圖并采用光束平差法優(yōu)化的視覺里程計(jì)，分析了閉環(huán)檢

4、測方法以此實(shí)現(xiàn)完整的視覺 SLAM功能。
　　然后融合四旋翼飛行器機(jī)載的多種傳感器數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)導(dǎo)航算法。針對(duì)單目視覺尺度問題采用超聲波傳感器和最大似然估計(jì)計(jì)算單目尺度。針對(duì)串級(jí)PID位置控制對(duì)位置和速度信息的要求采用擴(kuò)展卡爾曼算法融合視覺、慣性測量單元、氣壓計(jì)等多傳感器信息。針對(duì)環(huán)境紋理缺少的情況同時(shí)運(yùn)行視覺SLAM和光流算法保證飛行器正常飛行。針對(duì)導(dǎo)航地圖需求實(shí)現(xiàn)半稠密地圖和OctoMap創(chuàng)建。以及針對(duì)未知環(huán)境自主偵查需要設(shè)計(jì)步進(jìn)式