多旋翼無人機(jī)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(jià)格下降，使多旋翼無人機(jī)自動(dòng)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(jī)在影視、運(yùn)輸、農(nóng)業(yè)等多個(gè)行業(yè)得到了應(yīng)用。借助于GPS定位技術(shù)，多旋翼無人機(jī)在空中可按預(yù)定軌跡精準(zhǔn)航行，但在建筑物附近降落時(shí)，信號(hào)往往丟失，失去定位，無法精準(zhǔn)降落。
　　針對(duì)此問題，本文提出了一種在無人機(jī)上完成全部計(jì)算的視覺定位方法。該方法用超聲波測(cè)量高度，通過機(jī)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(jī)成像原理推算出無人機(jī)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(jī)的位置測(cè)量，根據(jù)所采用的表示位置參考點(diǎn)的特征圖案，找到了一種簡(jiǎn)潔的視覺搜索算法；在圖像中找到位置參考點(diǎn)后，由成像原理推導(dǎo)了相對(duì)位置計(jì)算公式；為了計(jì)算出絕對(duì)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(jì)出姿態(tài)。濾波和控制策略是本文的第二部分研究?jī)?nèi)容，先由剛體動(dòng)力學(xué)和空氣動(dòng)力學(xué)基本規(guī)律推導(dǎo)了多旋翼無

3、人機(jī)水平方向和豎直方向的動(dòng)力學(xué)方程；然后依據(jù)此數(shù)學(xué)模型設(shè)計(jì)了消除位置測(cè)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(yàn)證了有效性；用反饋線性化方法設(shè)計(jì)了參數(shù)自適應(yīng)的高度控制策略。最后制作了樣機(jī)，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(shí)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(jī)監(jiān)視和調(diào)試軟件。
　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)可