基于视觉的四旋翼无人机自主定位与控制系统-信息与控制.pdfVIP

信息与控制　　２０１５年　第４４卷　第２期：１９０～１９６ ＤＯＩ：１０．１３９７６／ｊ．ｃｎｋｉ．ｘｋ．２０１５．０１９０ 文章编号：１００２－０４１１（２０１５）－０２－０１９０－０７ 基于视觉的四旋翼无人机自主定位与控制系统 １ １ １ ２ 曹美会 ，鲜　斌 ，张　旭 ，文　曦 １．天津大学电气与自动化工程学院，天津大学机器人与自主系统研究所，天津市过程检测与控制重点实验室， 天津　３０００７２； ２．航天神舟飞行器有限公司，天津　３００３０１ 基金项目：天津市应用基础与前沿技术研究计划重点项目（１４ＪＣＺＤＪＣ３１９００） 通信作者：鲜斌，ｘｂｉｎ＠ｔｊｕ．ｅｄｕ．ｃｎ　　收稿／录用／修回：２０１４－０５－０５／２０１４－１０－０８／２０１４－１０－２７ 摘要 关键词 针对ＧＰＳ（ｇｌｏｂａｌｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇｓｙｓｔｅｍ）信号缺失环境下无人机（ＵＡＶ）自主飞行控制 四旋翼无人机 问题，设计了一种基于视觉的自主定位与控制方法．首先通过增加特征点提取数量 视觉同步定位与建图（ＳＬＡＭ） 和优化关键帧存储来对传统视觉ＳＬＡＭ（ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎａｎｄｍａｐｐｉｎｇ）算法进 扩展卡尔曼滤波（ＥＫＦ） 行改进，提高了算法的鲁棒性与通用性．其次，引入光流传感器作为视觉ＳＬＡＭ地 光流传感器 图丢失情况下辅助位置信息测量单元，提高无人机飞行控制的安全性，并成功地克 自主控制 服视觉ＳＬＡＭ图像丢失问题和光流法存在的位置漂移问题．然后采用ＥＫＦ（ｅｘｔｅｎｄｅｄ 中图分类号：ＴＰ１８ Ｋａｌｍａｎｆｉｌｔｅｒ）融合无人机位置和３维加速度信息，得到了较为精确的位置信息，同 文献标识码：Ａ 时提高了信号输出频率．最后，利用上述方法获取的无人机位置信息设计ＰＩＤ（ｐｒｏ ｐｏｒｔｉｏｎｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｔｉｏｎ）和ＲＩＳＥ（ｒｏｂｕｓｔｉｎｔｅｇｒａｌｏｆｔｈｅｓｉｇｎｕｍｏｆｔｈｅｅｒｒｏｒ）非线 性控制器，增加了算法的鲁棒性．为验证该控制策略的有效性，搭建了四旋翼无人 机视觉控制系统实验平台．该平台采用嵌入式控制系统架构，使用机载计算机运行 所提算法，避免了图像及控制命令在无线传输过程中引起的时间延迟和信号干扰． 室外飞行实验表明，此控制方案实现了自主定位与飞行控制功能． ＡｎＡｕｔｏｎｏｍｏｕｓＶｉｓｉｏｎｂａｓｅｄＬｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎａｎｄＣｏｎｔｒｏｌＳｙｓｔｅｍｆｏｒ ＱｕａｄｒｏｔｏｒＵＡＶ １ １ １ ２ ＣＡＯＭｅｉｈｕｉ，ＸＩＡＮＢｉｎ，ＺＨＡＮＧＸｕ，ＷＥＮＸｉ １．ＴｈｅＴｉａｎｊｉｎＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＰｒｏｃｅｓｓＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｎｄＣｏｎｔｒｏｌ，ｔｈｅＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＲｏｂｏｔｉｃｓａｎｄＡｕｔｏｎｏｍｏｕｓＳｙｓｔｅｍ，Ｓｃｈｏｏｌｏｆ ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ，ＴｉａｎｊｉｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ３０００７２，Ｃｈｉｎａ； ２．ＡｅｒｏｓｐａｃｅＳｈｅｎｚｈｏｕＡｅｒｉａｌＶｅｈｉｃｌｅＬｔｄ．，Ｔｉａｎｊｉｎ３００３０１，Ｃｈｉｎａ Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｋｅｙｗｏｒｄｓ Ａａｕｔｏｎｏｍｏｕｓｖｉｓｉｏｎｂａｓｅｄｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｍｅｔｈｏｄｈａｓｂｅｅｎｄｅｖｅｌｏｐｅｄｆｏｒｕｎｍａｎｎｅｄａｅｒｉａｌｖｅｈｉ ｑｕａｄｒｏｔｏｒＵＡＶ（ｕｎｍａｎｎｅｄ ｃｌｅｓ（ＵＡＶ）ｏｐｅｒａｔｉｎｇｉｎＧＰＳｄｅｎｉｅｄｅｎｖｉ