基于視覺的微小型四旋翼飛行機(jī)器人位姿估計(jì)與導(dǎo)航研究.pdf

1、微小型四旋翼無人飛行機(jī)器人(Quadrotor)是目前無人飛行機(jī)器人(Unmanned Aerial Vehicle，UAV)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問題，具有重要的理論意義和廣闊的應(yīng)用前景。相關(guān)的微小型四旋翼無人飛行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)及位姿估計(jì)和定位導(dǎo)航，是其中極富挑戰(zhàn)性的基礎(chǔ)性和關(guān)鍵性研究課題。目前為止，世界上還沒有一個(gè)適用于微小型四旋翼無人飛行機(jī)器人的視覺定位和導(dǎo)航系統(tǒng)可以滿足實(shí)際的應(yīng)用需求。本文的工作，圍繞有限負(fù)載、動(dòng)力及計(jì)算資源的微小型四旋翼無

2、人飛行機(jī)器人平臺(tái)展開，主要研究了視覺傳感器主導(dǎo)，多傳感器融合的微小型四旋翼無人飛行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)及位姿估計(jì)和定位導(dǎo)航問題。
　　微小型四旋翼無人飛行機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)估計(jì)和位姿估計(jì)問題，是微小型四旋翼實(shí)現(xiàn)各種任務(wù)和應(yīng)用的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。利用視覺傳感器的運(yùn)動(dòng)及位姿估計(jì)方法，可以大致分為采用外部視覺的方法，或機(jī)載視覺的方法。外部視覺的方法通常更可靠更精確，但工作范圍受到限制，可以用于微小型四旋翼無人飛行機(jī)器人的自主起降及精細(xì)控制?；跈C(jī)載視覺的運(yùn)動(dòng)

3、及位姿估計(jì)方法，可以使微小型四旋翼擺脫有限環(huán)境的限制，具有更好的靈活性，是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)問題，可以廣泛工作于更多樣更復(fù)雜的任務(wù)和應(yīng)用。
　　實(shí)際中的眾多相關(guān)應(yīng)用，需要微小型四旋翼無人飛行機(jī)器人能夠有效工作在一片較大范圍的區(qū)域內(nèi)。因此基于前面的相關(guān)技術(shù)積累，將有限范圍內(nèi)的基于視覺的位姿估計(jì)、運(yùn)動(dòng)估計(jì)及相關(guān)算法擴(kuò)展到一定的較大的范圍內(nèi)，我們進(jìn)行了基于機(jī)載視覺的微小型四旋翼無人飛行機(jī)器人定位導(dǎo)航問題的研究。本文的主要工作和創(chuàng)新點(diǎn)如下:<

4、br>　　(1)提出了基于外部視覺的，針對(duì)微小型四旋翼無人飛行機(jī)器人的魯棒精確的位姿估計(jì)方法，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。不同于現(xiàn)有大多數(shù)僅適用于室內(nèi)環(huán)境的系統(tǒng)，我們的系統(tǒng)可以有效工作于室外環(huán)境。我們的一大特色是，以四旋翼飛行機(jī)器人的四個(gè)旋翼電機(jī)為視覺特征進(jìn)行相關(guān)的位姿估計(jì)，在室外光照環(huán)境下，取得了比包括LED發(fā)光標(biāo)簽在內(nèi)的彩色標(biāo)簽更加穩(wěn)定和可靠的檢測(cè)和定位效果。此外我們還研究了相關(guān)的位姿估計(jì)問題，提出一種解決共面點(diǎn)問題的快速精確的EMRPP位姿

5、估計(jì)算法。該算法首先利用EPnP算法獲得初始位姿估計(jì)，然后利用結(jié)合初步視覺結(jié)果的改進(jìn)RPP算法得到精確的位姿估計(jì)結(jié)果。更進(jìn)一步，針對(duì)微小型四旋翼的視覺特征的小完全觀測(cè)情況，現(xiàn)有的方法都沒有考慮這一問題，也得不到正確的位姿估計(jì)結(jié)果。我們結(jié)合視覺和機(jī)載IMU信息，提出了IMU+3P和IMU+2P位姿估計(jì)算法，有效解決了視覺特征不完全的問題，并得到準(zhǔn)確的位姿估計(jì)結(jié)果。綜合利用以上提出的方法，我們研發(fā)的位姿估計(jì)系統(tǒng)可用于微小型四旋翼無人飛行機(jī)器

6、人的自主起降、機(jī)動(dòng)控制和其它精細(xì)控制。
　　(2)針對(duì)微小型四旋翼無人飛行機(jī)器人指定位置降落的特殊應(yīng)用，我們提出一種基于平面地標(biāo)的EIRPP位姿估計(jì)算法。該算法將IMU提供的飛行機(jī)器人部分姿態(tài)角信息，作為相關(guān)參數(shù)的初始估計(jì)代入EPnP算法中得到更精確的初始估計(jì)，并有效降低相關(guān)RPP算法迭代估計(jì)的未知量數(shù)目，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該算法可以獲得快速精確的位姿估計(jì)結(jié)果。
　　(3)充分利用微小型四旋翼無人飛行機(jī)器人的飛行特性，結(jié)合機(jī)載視

7、覺和機(jī)載IMU，我們提出了一種基于自然環(huán)境特征的BRISK匹配的快速運(yùn)動(dòng)估計(jì)算法。針對(duì)目前微小型四旋翼的懸停實(shí)現(xiàn)多是基于光流方法實(shí)現(xiàn)，只能得到速度信息，且存在懸停點(diǎn)漂移等問題。我們引入基于特征匹配的快速運(yùn)動(dòng)估計(jì)算法，成功實(shí)現(xiàn)了微小型四旋翼無人飛行機(jī)器人的快速懸停功能。我們還針對(duì)實(shí)際應(yīng)用中的一般情況，提出一種利用自然環(huán)境特征，結(jié)合機(jī)載視覺和機(jī)載IMU信息的機(jī)載情況下IMU+3P位姿估計(jì)算法。該算法可有效工作于非平面及平面場(chǎng)景情況，解決了單

8、目視覺的初始化問題和絕對(duì)尺度估計(jì)問題，利用IMU提供的部分姿態(tài)角信息，有效降低了位姿估計(jì)問題的維度，獲得了快速可靠的位姿估計(jì)結(jié)果。
　　(4)在有限負(fù)載、動(dòng)力及計(jì)算資源的條件下，探討了微小型四旋翼無人飛行機(jī)器人平臺(tái)的構(gòu)建問題，提出了基于機(jī)載單目視覺、IMU和聲納的多傳感器融合的單目視覺定位導(dǎo)航方案。該系統(tǒng)主要應(yīng)用于GPS不可用的環(huán)境，以及無標(biāo)識(shí)及無先驗(yàn)知識(shí)的環(huán)境。不同于其它大多數(shù)基于關(guān)鍵幀的系統(tǒng)，我們的系統(tǒng)同時(shí)利用了關(guān)鍵幀和關(guān)鍵點(diǎn)

9、。為了保證精度和計(jì)算速度，使用基于GPU加速的SURF算法選擇關(guān)鍵點(diǎn)。為了及時(shí)準(zhǔn)確更新關(guān)鍵幀和關(guān)鍵點(diǎn)，提出基于快速運(yùn)動(dòng)估計(jì)和多級(jí)運(yùn)動(dòng)判決的更新方案，其在系統(tǒng)的較長時(shí)間執(zhí)行過程中可以有效地減少誤差累積。通常的單目視覺系統(tǒng)缺少絕對(duì)度量尺度，利用聲納傳感器的距離信息完成初始化步驟，并較好地解決了絕對(duì)尺度估計(jì)問題。最后，通過綜合利用特征點(diǎn)選擇排序、RANSAC、局部光束平差法(Local Bundle Adjustmnet)等技術(shù)有效減少了系統(tǒng)