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1、基于單目視覺的四旋翼無人機(jī)位姿估計(jì)與控制第1章緒論1.1課題背景及研究的目的和意義不管在軍用還是商用方面，四旋翼無人機(jī)的自主飛行一直都是研究熱點(diǎn)，實(shí)際應(yīng)用的領(lǐng)域也越來越多，如：噴灑農(nóng)藥、航空拍攝、安全巡邏、地震救援等等。通過四旋翼無人機(jī)執(zhí)行危險(xiǎn)任務(wù)，在保障人身安全的同時(shí)，還可以很好的降低成本[1-3]?；谶@些需求，各大研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)都投入大量精力加強(qiáng)對四旋翼無人機(jī)的研究[4-6]。四旋翼無人機(jī)擁有四個(gè)大小相同的螺旋槳，且兩個(gè)正槳兩個(gè)反槳，正槳和反槳間隔安裝在四個(gè)電機(jī)上，很好地解決了自旋問題。因?yàn)椴挥孟裰鄙龣C(jī)一樣，通過尾槳這種復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)消除自旋，四旋翼無
2、人機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)大大簡化。相同大小的情況下，相比于單旋翼無人機(jī)，四旋翼無人機(jī)的螺旋槳可以做到更小，但產(chǎn)生的總升力卻更大?；谒男頍o人機(jī)完全對稱的機(jī)械結(jié)構(gòu)，其控制簡單、靈活、機(jī)動性好，大大降低了硬件及軟件的設(shè)計(jì)難度，通過改變各個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定懸停以及各種飛行動作。近幾年，四旋翼無人機(jī)的位姿估計(jì)即定位問題受到越來越多的關(guān)注[7]。四旋翼無人機(jī)準(zhǔn)確的定位是實(shí)現(xiàn)避障、路徑規(guī)劃以及抓取等各種復(fù)雜任務(wù)的基礎(chǔ)和前提。目前廣泛應(yīng)用的定位方法有兩類：一類是基于四旋翼無人機(jī)自身對環(huán)境進(jìn)行同步定位與制圖（SLAM），從而獲得精確的位置信息；另一類是基于外部設(shè)備提供精確的
3、位置信息，如全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)[8]，運(yùn)動捕捉系統(tǒng)[9-11]。運(yùn)動捕捉系統(tǒng)擁有高分辨率的攝像頭，可以亞毫米紀(jì)地追蹤一個(gè)或多個(gè)無人機(jī)的位姿[12-14]。近幾年，很多研究人員通過運(yùn)動捕捉系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了四旋翼無人機(jī)的運(yùn)動估計(jì)，并通過運(yùn)動捕捉系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了多旋翼無人機(jī)的暴力操作[15]，傾斜墻面上的?？縖16]，以及物體抓取[17-19]。但是，運(yùn)動捕捉系統(tǒng)只能應(yīng)用在實(shí)驗(yàn)室、研究室這種特定的場合，這大大局限了四旋翼無人機(jī)的應(yīng)用范圍。同樣，利用全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)定位的方法也有明顯缺陷，因?yàn)樵诮ㄖ锩芗?、室?nèi)、隧道等地方GPS定位幾乎是完全失效的。這兩類方法相比較而言，通過
4、SLAM方法[20-22]提供運(yùn)動控制所需的準(zhǔn)確位置信息有更大的應(yīng)用價(jià)值。目前SLAM的研究主要集中在移動機(jī)器人上，機(jī)載SLAM系統(tǒng)受到無人機(jī)負(fù)載能力和機(jī)載電腦處理能力的限制，需要解決在線實(shí)時(shí)姿態(tài)估計(jì)這一難點(diǎn)。.......1.2無人機(jī)定位的研究現(xiàn)狀和分析GeorgedeBothezat在1922年制作了號稱飛天章魚的四旋翼無人機(jī)[40]。制造這個(gè)四旋翼無人機(jī)受到了政府部門的大力支持，其初衷是為了實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的垂直升降。這個(gè)四旋翼無人機(jī)的尺寸大，質(zhì)量大，所以使用的發(fā)動機(jī)動力也非常大。制造結(jié)束，在進(jìn)行試飛時(shí)，雖然只是在幾近地面處短暫飛行很少時(shí)間，但是這在四旋翼無
5、人機(jī)的發(fā)展史上卻有舉足輕重的意義。隨著微機(jī)電系統(tǒng)（Micro-Electro-MechanicalSystem,MEMS）技術(shù)的成熟，到2005年左右，真正穩(wěn)定的四旋翼無人機(jī)自動控制器被研制出來。四年后，3DRobotics公司在美國加利福尼亞州的伯克利成立，這在無人機(jī)的商業(yè)領(lǐng)域產(chǎn)生了重大影響。3DRobotics一開始的市場定位是遙控飛機(jī)的零部件生產(chǎn)銷售，隨著技術(shù)不斷積累才開始了旋翼無人機(jī)的研制。2015年推出的Solo無人機(jī)極具智能性，玩家設(shè)定起點(diǎn)和終點(diǎn)后，無人機(jī)就可以進(jìn)行自主飛行，同時(shí)玩家可以調(diào)整攝像頭視角完成理想的拍攝。而且3DRobotics的開源
6、特性吸引了大批極客愛好者，同時(shí)也促進(jìn)了自身的發(fā)展[41]，見圖1-1。2010年，法國Parrot公司推出了四旋翼無人機(jī)AR.Drone，初期AR.Drone作為高科技玩具進(jìn)入公眾的視野，后來由于其穩(wěn)定性高、輕便安全、易操控等特性，受到越來越多研究者的青睞。而且AR.Drone可以通過無線信號將傳感器數(shù)據(jù)傳送出來，這為很多研究工作提供了良好的數(shù)據(jù)采集平臺。接下來的幾年里，AR.Drone一直有升級版本相繼發(fā)布，比如AR.Drone2.0、AR.Drone3.0。2014年，Parrot推出了新款四旋翼無人機(jī)BebopDrone，其攝像頭相比于AR.Drone
7、的攝像頭性能更強(qiáng)大，而且BebopDrone進(jìn)行了增穩(wěn)和防震，使得用戶可以觀看流暢的第一視角畫面[42]。.........第2章四旋翼無人機(jī)軟硬件系統(tǒng)搭建2.1引言本章主要介紹四旋翼無人機(jī)軟硬件系統(tǒng)的搭建，包括硬件系統(tǒng)選型和軟件系統(tǒng)基本架構(gòu)。軟件系統(tǒng)由單目SLAM、EKF濾波器和PID控制器組成。單目SLAM主要負(fù)責(zé)視覺位姿估計(jì)，EKF濾波器進(jìn)行視覺位姿和慣導(dǎo)位姿的融合，以及系統(tǒng)延時(shí)的消除，PID控制器進(jìn)行姿態(tài)控制。硬件系統(tǒng)主要包括四旋翼無人機(jī)和數(shù)據(jù)處理平臺。其中數(shù)據(jù)處理平臺負(fù)責(zé)幾乎全部的數(shù)據(jù)計(jì)算，如傳感器數(shù)據(jù)融合、位姿解算和控制命令發(fā)送。........
8、.2.2四旋翼無人機(jī)硬件系統(tǒng)搭建本文選取了法國公司P
