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基于光流法和全局定位的四旋翼飞行器定位方法.pdf

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基于 光流法 全局 定位 四旋翼 飞行器 方法
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本 科 生 毕 业 论 文(设计) 题目 基于光流法和全局定位的四旋翼飞行器定位方法 姓名 /学号 翁一桢 /3110103005 指导教师 毛维杰 年级与专业 自动化 2011 级 所在 院系 控制科学与工程 学 院浙江大学本科毕业论文基于光流法和全局定位的四旋翼飞行器定位方法致谢我在此真诚地感谢那些在我大学生涯中直接或者间接帮助过我的人。首先,我要感谢我的导师许超老师。许超老师在我选择研究方向的时候给了我很多引导性的意见,经常帮助我分析机器人领域的研究现状和发展前景,这很有效地缓解了我对自身未来的迷茫。许超老师也时常邀请校外飞行器领域的教授及学者来我校做讲座,在这样的环境中,我可以很好地接触到许多国内外飞行器领域的知识,扩大了我的视野,同时也让我更加坚定地选择了这个研究方向。而另一方面,许超老师常常和我们出去爬山、喝下午茶和吃饭,大家畅谈最近遇到的问题,分享自己看到的比较有趣或者实用的东西,和乐融融,这让我更加喜欢这个实验室,给严谨地科研生活增添了许多生活的乐趣。但同时,许超老师对我严格要求,悉心指导,渊博的知识和忘我工作的精神不断地激励我。在本次毕业设计的过程中,许超老师在关键的阶段时常督促和帮助我,使我顺利地完成本次毕业设计。其次,我要感谢实验室的师兄们。韩滔师兄在我阅读参考文献时,时常给我关键性的帮助。在我对于文章内容有所不解之时,他总是孜孜不倦地给我讲解其中关键的算法,在我毕业设计的初始阶段给了我很大的帮助,也在后续的设计过程中给了我很多创新或改进的想法。叶长春师兄在我学习ROS(RobotOperatingSystem)的时候为我提供了很多他在使用ROS系统时的经验和技巧,同时也帮助我完成了后续的飞行器定高部分,让我少走了很多弯路,也使得我对ROS系统有了更加深入的理解。朱疆成师兄在我整个毕业设计的过程中,时常敦促我把握毕业设计进度,组织每周的组会,在我毕业设计开题阶段,帮助我修改开题报告,让我感受到了学术论文的严谨和精炼,这对我之后论文的撰写起到了很大的作用。蔡声泽、叶波、王宏达师兄在我的飞行器调试过程中也为我提供了很大的帮助。秦通、唐思远和王钟雷同学在我的毕业设计过程中也给予了我很大的帮助。最后,我要感谢在我身后默默支持我的家人,你们的支持是我最大的动力。翁一桢2015年4月于浙大玉泉i浙江大学本科毕业论文基于光流法和全局定位的四旋翼飞行器定位方法摘要随着飞行器事业的发展,无人飞行器的自主定位随即成为一个关键问题。基于计算机视觉的四旋翼飞行器定位方法,很大程度上解决了GPS信号遮挡、惯性测量单元的累计误差和漂移问题,且实验设备成本低,安装实现简单,对于场景环境的要求也大大降低,因此有很好的发展前景。本文对两种基于计算机视觉的飞行器定位方法进行阐述,主要工作如下:完成基于光流法的飞行器定位。首先完成了Pelican飞行器平台的搭建、机载摄像头的标定、然后是Pelican飞行器的高度控制;在搭建了稳定的飞行器平台后便是光流法飞行器定位的算法实现。完成飞行器全局定位方法。第一部分依旧是一个稳定飞行器的搭建,主要分为飞行器本身的搭建,摄像头安装架的设计和实现,飞行器起落架的设计和实现,和IntelNUC处理器安装支架的设计和实现。其次才是全局定位方法在飞行器平台上的实现,期间对检测到的直线结果进行筛选,最终完成飞行器全局定位法。关键词:飞行器定位,光流法,全局定位,直线检测i浙江大学本科毕业论文基于光流法和全局定位的四旋翼飞行器定位方法AbstractWith the development in recent years, autonomous positioning of unmanned aerial vehicle(UAV) has become a key issue. The positioning approach based on computer vision mostly im-provestheperformancewhenGPSsignalfadesinindoorenvironment,andsolvestheaccumulatederrorwiththedriftoftheinertialmeasurementunit. Lowcostofequipmentandsimpleinstallationmakeithavingagoodprospectsfordevelopment.Inthisthesis,twopositioningmethodsbasedoncomputervisionarediscussed:The first is UAV positioning based on optical flow. We built the Asctec Pelican quadrotor,completedthecameracalibrationandheightcontrol. Withastableplatform,weimplementedthepositioningmethodbasedonopticalflow.ThesecondisUAVglobalpositioning. Afterbuildingastablequadrotor,wedesignedmount-ingbracketsoffourcamerasandanIntelNUCcomputer. Besides,wedesignedfourlandinggearsofthequadrotor. Thenweimplementedtheglobalpositioningmethodbasedonlinedetection.Keywords: UAVpositioningmethod,opticalflow,globalpositioning,linedetectoinii浙江大学本科毕业论文基于光流法和全局定位的四旋翼飞行器定位方法目录1绪论....................................................................................................................................... 11.1研究背景...................................................................................................................... 11.2研究意义和目的.......................................................................................................... 31.3国内外研究现状.......................................................................................................... 31.3.1研究方向及进展............................................................................................. 31.3.2存在问题......................................................................................................... 61.4本文研究内容与思路.................................................................................................. 61.5本文结构...................................................................................................................... 72基于光流法的四旋翼飞行器定位....................................................................................... 92.1光流法原理.................................................................................................................. 92.2基于光流法的四旋翼飞行器定位方法实现.............................................................. 112.2.1 Pelican飞行器平台搭建................................................................................. 112.2.2摄像头标定..................................................................................................... 152.2.3飞行器高度控制............................................................................................. 162.2.4光流定位算法实现......................................................................................... 242.3本章小节...................................................................................................................... 283四旋翼飞行器全局定位法................................................................................................... 313.1四旋翼飞行器全局定位原理...................................................................................... 313.2四旋翼飞行器全局定位实现...................................................................................... 353.2.1飞行器平台搭建............................................................................................. 353.2.2机械结构设计与制作..................................................................................... 373.2.3飞行器全局定位算法实现............................................................................. 413.3本章小节...................................................................................................................... 42i基于光流法和全局定位的四旋翼飞行器定位方法浙江大学本科毕业论文4结论....................................................................................................................................... 454.1总结.............................................................................................................................. 454.2展望.............................................................................................................................. 46参考文献..................................................................................................................................... 47附录A.......................................................................................................................................... 49ii浙江大学本科毕业论文基于光流法和全局定位的四旋翼飞行器定位方法1绪论1.1研究背景自主定位是机器人自主导航系统的核心组成部分,在实现了自主定位的基础上,机器人可以完成更多功能,比如障碍物规避、路径规划、自主导航等。而对于无人飞行器(UAV,UnmannedAerialVehicle)的飞行控制[1 ,2 ]则需要6自由度的姿态估计。当无人飞行器在室外飞行时,利用全球定位系统(GPS, Global PositioningSystem),在GPS卫星充足的情况下其精度可达1cm。但是,当存在建筑物遮挡或者飞行器处于室内飞行时,GPS可能无法精确定位,甚至无法使用。另一种方法是利用惯性测量单元(IMU,InertialMeasurementUnit),对其获得的飞行器线加速度进行二次积分,得到飞行器在三维空间中的位置估计。但该方法存在非常大的累积误差,并且当飞行器处于匀速漂移或近似匀速运动时,惯性测量单元可能无法精确测量出飞行器漂移的加速度,这将给飞行器自主定位带来极大的误差。以上这些不利因素迫使我们寻找一种灵巧、轻便、实时、准确的方法,来实现无人飞行器的自主定位。随着计算机事业的发展,计算机的处理能力不断提升,处理器的体积和功耗也越来越小,这为无人飞行器的机载计算能力提供了极大的帮助。截至今日,无人飞行器的机载计算能力已经可以实时地处理高分辨率的图像,这为基于计算机视觉的自主定位方法搭建了良好的硬件环境。在D.Nistér等人所著[3 ]中详细介绍了视觉里程计(VO,VisualOdometry),视觉里程计是一种仅仅利用摄像头采集到的图像来估计出相对运动的计算机视觉方法。文中提出了两类视觉里程计的实现途径和流程,即单目视觉和立体视觉的方法,为之后视觉里程计的研究奠定了新的基础。相较于GPS和IMU的飞行器自主定位方法,视觉里程计不会因飞行器处于户内或户外而产生太大的影响,并且匀速或近似匀速的飞行器漂移也不会对视觉里程计造成干扰,因此对于视觉里程计具有很大的研究意义。此外,本毕业设计主要是围绕国际空中机器人大赛(IARC,InternationalAerialRoboticsCompetition)展开的飞行器自主定位研究。国际空中机器人大赛始创于1991年,2012年首次在中国设立亚太赛区,与美国赛区同步进行。按照比赛规程,空中机器人需自主完成极具挑战性的任务。该比赛的根本目标是通过设置具有挑战性的、实用而有意义的比赛任务推进空中机器人最先进技术的进步。所以,IARC不是一个“观赏比赛”而更是一个“技术比赛”。在第二次任务中,空中机器人使用差分GPS导航技术,验证了自主空中测绘、毫米级目标识别和目标获取的能力。在第六次任务中,飞行器利用即时定位与地图构1基于光流法和全局定位的四旋翼飞行器定位方法浙江大学本科毕业论文图1.1 IARC任务7场地建(SLAM,Simultaneous LocalizationandMapping)和目标识别技术,自主绘制建筑物的未知室内地图,躲避或摧毁安防措施,发现并理解墙上的文字指引信息,进而找到放置机密物品的房间后,进入房间取走机密物,放入替代品,并快速地退出建筑物。而在本次任务(Mission7)中,设置了三个新的挑战。第一,空中机器人与地面移动物体(具体而言是地面自主机器人)的交互行为。第二,在一个开敞环境中的导航行为,该环境中无外界导航辅助,如GPS或墙壁等静止点。第三,与其他竞争空中机器人的博弈行为。而第二点则直接关系到无人飞行器自主定位的实现方法。如何在开敞的室内环境中,在GPS无法精确定位并且被明确禁止使用的情况下,考虑飞行器的载重量和续航时间,找到一种可靠、准确的飞行器自主定位方法,成为了当下迫切需要解决的问题。比赛场地为一个每边长20米的正方形区域,如1.1所示,正方形的一边为绿色,相对的另一边为红色,其他为白色。在白边的中点连接一条白线作为场地中心线。2
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