四旋翼無(wú)人飛行器的室內(nèi)定位、導(dǎo)航與建圖-論文.pdf

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1、2Ol4年海軍航空工程學(xué)院學(xué)報(bào)2014第29卷第4期JournalofNavalAeronauticalandAstronauticalUniversity、b1．29NO．4文章編號(hào)：1673一I522(2014)04—0345—06DOI：10．7682~．issn．1673—1522．2014．04．010四旋翼無(wú)人飛行器的室內(nèi)定位、導(dǎo)航與建圖方登建，戴宇進(jìn)，趙紅超，康宇航(海軍航空工程學(xué)院a．7系；b．研究生管理大隊(duì)，山東煙臺(tái)264001)摘要：根據(jù)室內(nèi)環(huán)境半結(jié)構(gòu)化的特點(diǎn)，通過(guò)激光掃捕儀采集的數(shù)據(jù)得到特征點(diǎn)與特征線(xiàn)段，從而建立出室內(nèi)環(huán)境的特征地圖。利用特征點(diǎn)實(shí)現(xiàn)四旋翼

2、無(wú)人飛行器在室內(nèi)對(duì)自身的定位，同時(shí)根據(jù)現(xiàn)階段特征點(diǎn)的個(gè)數(shù)制定導(dǎo)航算法，當(dāng)四旋翼無(wú)人飛行器飛到下一位置時(shí)，再次建立局部地圖，與此前建立的全局地圖進(jìn)行融合，實(shí)現(xiàn)全局地圖的更新。關(guān)鍵詞：四旋翼無(wú)人飛行器；定位；導(dǎo)航；建圖中圖分類(lèi)號(hào)：V249．122文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A四旋翼無(wú)人飛行器通過(guò)自身攜帶的激光測(cè)距儀1環(huán)境地圖表示方法獲得室內(nèi)未知環(huán)境中的距離信息，增量式地構(gòu)建室內(nèi)地圖，同時(shí)利用所構(gòu)建的室內(nèi)地圖實(shí)現(xiàn)定位，并用所四旋翼無(wú)人飛行器在未知環(huán)境中工作首先要解獲得的距離信息與所構(gòu)建的室內(nèi)地圖進(jìn)行導(dǎo)航。該決定位問(wèn)題。而定位問(wèn)題與創(chuàng)建地圖是交織在一起研究始于上世紀(jì)80年代中期，目前已有多種解決此的

3、，這就是同步地圖創(chuàng)建與定位——sLAM問(wèn)題～I(xiàn)。地圖創(chuàng)建的精確性將直接影響四旋翼無(wú)人飛行器定問(wèn)題的方法，主要包括非概率方法和基于概率估計(jì)方法，其中基于概率估計(jì)方法為主流。，。位的精度與無(wú)人飛行器后續(xù)導(dǎo)航工作的好壞。本文針對(duì)室內(nèi)半結(jié)構(gòu)化環(huán)境特征線(xiàn)段與特征點(diǎn)目前環(huán)境地圖的表示方法主要有3種：柵格地圖、比較多的特點(diǎn)，制定了基于特征地圖的定位、導(dǎo)航與特征地圖和拓?fù)涞貓D。建圖方法。柵格地圖是由Moravec和Elfes提出，將整個(gè)環(huán)境依靠自身攜帶的激光掃描儀，四旋翼無(wú)人飛行器分成若干個(gè)大小相同的小柵格，根據(jù)每個(gè)小柵格中是否有障礙物來(lái)創(chuàng)建地圖。這一方法的優(yōu)點(diǎn)是：①地能夠?qū)⑹覂?nèi)環(huán)境中的數(shù)據(jù)

4、采集；再通過(guò)特征檢測(cè)算法(加權(quán)最小二乘算法、哈夫變換、小波變換)將特征點(diǎn)圖的創(chuàng)建與維護(hù)相對(duì)簡(jiǎn)單；②可以很方便地根據(jù)實(shí)與特征線(xiàn)段提取出來(lái)，根據(jù)特征點(diǎn)的個(gè)數(shù)確定導(dǎo)航點(diǎn)際需求來(lái)更改地圖精度；③地圖模型比較簡(jiǎn)單，就是與導(dǎo)航策略，并根據(jù)特征線(xiàn)段制定相應(yīng)的避障策略；二維數(shù)組。缺點(diǎn)是：①當(dāng)未知環(huán)境比較大且地圖的特征點(diǎn)與特征線(xiàn)段是幾何地圖的基本組成要素，利用精度要求比較高時(shí)，地圖的維護(hù)將會(huì)變得非常難；②提取的特征點(diǎn)與特征線(xiàn)段可以將局部地圖創(chuàng)建出當(dāng)柵格劃分比較細(xì)時(shí)，對(duì)處理器的要求非常高，實(shí)時(shí)來(lái)，結(jié)合已經(jīng)建立起來(lái)的全局地圖進(jìn)行特征匹配，根性一般不好。據(jù)匹配后的結(jié)果將全局地圖進(jìn)行更新，實(shí)現(xiàn)對(duì)四旋翼

5、幾何地圖是根據(jù)機(jī)載傳感器采集的數(shù)據(jù)，從中提無(wú)人飛行器的自定位，定位、導(dǎo)航與建圖算法結(jié)構(gòu)圖取抽象的幾何特征，比如線(xiàn)段、點(diǎn)或者圓，通過(guò)這些幾如圖1所示。何特征來(lái)描述環(huán)境。這一方法的優(yōu)點(diǎn)是：①信息量小，便于存儲(chǔ)；②實(shí)時(shí)性比較高，對(duì)處理器要求也沒(méi)l塑墮絲卜_’1旦室堡——]有那么高；③可以將多種傳感器的數(shù)據(jù)融合在一起臣l高圓使用。缺點(diǎn)是：①各種傳感器采集的數(shù)據(jù)需要處理—避障策略II全局地圖更新卜_Jl—一——]r—I后才能一起使用；②不適合太復(fù)雜的環(huán)境；③在小匝匹圃L(fǎng)環(huán)境的地圖中，地圖的精度可能不夠。圖1定位、導(dǎo)航與建圖算法結(jié)構(gòu)圖拓?fù)涞貓D是將環(huán)境表示成一張拓?fù)鋱D，圖中的節(jié)Fig．1A

6、lgorithmstructureoflocalization，點(diǎn)對(duì)應(yīng)于環(huán)境中的一個(gè)特征狀態(tài)，節(jié)點(diǎn)間的連線(xiàn)表示2節(jié)點(diǎn)直接是相通的。這一方法的優(yōu)點(diǎn)是：①比較適收稿日期：20l4—03—20；修回日期：2014．05．10基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61174031)作者簡(jiǎn)介：方登建(1977一)，男，講師，碩十?！?46·海軍航空工程學(xué)院學(xué)報(bào)第29卷合做大范圍航路規(guī)劃的任務(wù)；②信息量最小，非常容易存儲(chǔ)；③對(duì)處理器要求最低，可以使用很多比較成熟的搜索算法。缺點(diǎn)是：①地圖精度最低；②容易出現(xiàn)誤匹配的情況；③在非結(jié)構(gòu)環(huán)境中，這種方法很可能失效。文獻(xiàn)}7-8]采用柵格地圖對(duì)機(jī)器

7、人進(jìn)行定位導(dǎo)航，雖然精度比較高，但是僅適合小環(huán)境。而本文針對(duì)的是面積適中的室內(nèi)環(huán)境，如果使用柵格地圖很難滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性的要求。文獻(xiàn)[9】采用了拓?fù)涞貓D對(duì)移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行定位圖2飛行示意圖導(dǎo)航，但該方法對(duì)于結(jié)構(gòu)性很強(qiáng)的室內(nèi)環(huán)境非常容易Fig．2Schematicdiagramofflying造成誤匹配(尤其是線(xiàn)段特征)，所以最終選擇用激光測(cè)距儀采集的數(shù)據(jù)來(lái)建立幾何特征地圖，實(shí)現(xiàn)無(wú)人飛其位姿方程為：行器的定位與導(dǎo)航。戈==：一l+十AdCcOoSs^；(1)2四旋翼無(wú)人飛行器的自定位Y=y^一l+△siny^；(