收藏本站
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

基于视觉的微小型四旋翼飞行机器人位姿估计与导航研究

郑伟  
【摘要】:微小型四旋翼无人飞行机器人(Quadrotor)是目前无人飞行机器人(Unmanned Aerial Vehicle, UAV)领域研究的热点问题,具有重要的理论意义和广阔的应用前景。相关的微小型四旋翼无人飞行机器人运动及位姿估计和定位导航,是其中极富挑战性的基础性和关键性研究课题。目前为止,世界上还没有一个适用于微小型四旋翼无人飞行机器人的视觉定位和导航系统可以满足实际的应用需求。本文的工作,围绕有限负载、动力及计算资源的微小型四旋翼无人飞行机器人平台展开,主要研究了视觉传感器主导,多传感器融合的微小型四旋翼无人飞行机器人运动及位姿估计和定位导航问题。 微小型四旋翼无人飞行机器人的运动估计和位姿估计问题,是微小型四旋翼实现各种任务和应用的基础和关键。利用视觉传感器的运动及位姿估计方法,可以大致分为采用外部视觉的方法,或机载视觉的方法。外部视觉的方法通常更可靠更精确,但工作范围受到限制,可以用于微小型四旋翼无人飞行机器人的自主起降及精细控制。基于机载视觉的运动及位姿估计方法,可以使微小型四旋翼摆脱有限环境的限制,具有更好的灵活性,是当前研究的热点问题,可以广泛工作于更多样更复杂的任务和应用。 实际中的众多相关应用,需要微小型四旋翼无人飞行机器人能够有效工作在一片较大范围的区域内。因此基于前面的相关技术积累,将有限范围内的基于视觉的位姿估计、运动估计及相关算法扩展到一定的较大的范围内,我们进行了基于机载视觉的微小型四旋翼无人飞行机器人定位导航问题的研究。本文的主要工作和创新点如下: (1)提出了基于外部视觉的,针对微小型四旋翼无人飞行机器人的鲁棒精确的位姿估计方法,并进行了实验验证。不同于现有大多数仅适用于室内环境的系统,我们的系统可以有效工作于室外环境。我们的一大特色是,以四旋翼飞行机器人的四个旋翼电机为视觉特征进行相关的位姿估计,在室外光照环境下,取得了比包括LED发光标签在内的彩色标签更加稳定和可靠的检测和定位效果。此外我们还研究了相关的位姿估计问题,提出一种解决共面点问题的快速精确的EMRPP位姿估计算法。该算法首先利用EPnP算法获得初始位姿估计,然后利用结合初步视觉结果的改进RPP算法得到精确的位姿估计结果。更进一步,针对微小型四旋翼的视觉特征的不完全观测情况,现有的方法都没有考虑这一问题,也得不到正确的位姿估计结果。我们结合视觉和机载IMU信息,提出了IMU+3P和IMU+2P位姿估计算法,有效解决了视觉特征不完全的问题,并得到准确的位姿估计结果。综合利用以上提出的方法,我们研发的位姿估计系统可用于微小型四旋翼无人飞行机器人的自主起降、机动控制和其它精细控制。 (2)针对微小型四旋翼无人飞行机器人指定位置降落的特殊应用,我们提出一种基于平面地标的EIRPP位姿估计算法。该算法将IMU提供的飞行机器人部分姿态角信息,作为相关参数的初始估计代入EPnP算法中得到更精确的初始估计,并有效降低相关RPP算法迭代估计的未知量数目,实验结果表明,该算法可以获得快速精确的位姿估计结果。 (3)充分利用微小型四旋翼无人飞行机器人的飞行特性,结合机载视觉和机载IMU,我们提出了一种基于自然环境特征的BRISK匹配的快速运动估计算法。针对目前微小型四旋翼的悬停实现多是基于光流方法实现,只能得到速度信息,且存在悬停点漂移等问题。我们引入基于特征匹配的快速运动估计算法,成功实现了微小型四旋翼无人飞行机器人的快速悬停功能。我们还针对实际应用中的一般情况,提出一种利用自然环境特征,结合机载视觉和机载IMU信息的机载情况下IMU+3P位姿估计算法。该算法可有效工作于非平面及平面场景情况,解决了单目视觉的初始化问题和绝对尺度估计问题,利用IMU提供的部分姿态角信息,有效降低了位姿估计问题的维度,获得了快速可靠的位姿估计结果。 (4)在有限负载、动力及计算资源的条件下,探讨了微小型四旋翼无人飞行机器人平台的构建问题,提出了基于机载单目视觉、IMU和声纳的多传感器融合的单目视觉定位导航方案。该系统主要应用于GPS不可用的环境,以及无标识及无先验知识的环境。不同于其它大多数基于关键帧的系统,我们的系统同时利用了关键帧和关键点。为了保证精度和计算速度,使用基于GPU加速的SURF算法选择关键点。为了及时准确更新关键帧和关键点,提出基于快速运动估计和多级运动判决的更新方案,其在系统的较长时间执行过程中可以有效地减少误差累积。通常的单目视觉系统缺少绝对度量尺度,利用声纳传感器的距离信息完成初始化步骤,并较好地解决了绝对尺度估计问题。最后,通过综合利用特征点选择排序、RANSAC、局部光束平差法(Local Bundle Adjustmnet)等技术有效减少了系统误差及累积观测误差,实现了单目视觉主导的微小型四旋翼无人飞行机器人定位与导航功能。


知网文化
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前20条
1 王峰;洪津;乔延利;宋志平;;专用偏振成像智能遥感器设计研究[J];传感技术学报;2007年06期
2 Lenonard Katzin ,李航海;组装:微小型化的关键性问题[J];计算机工程与应用;1966年01期
3 秦振,阎绍泽;压电陶瓷驱动微小型步行机的设计与仿真研究[J];机械设计与研究;2004年04期
4 万忠民;刘伟;张亮;明廷臻;;实现电子器件散热的微小型平板LHP蒸发器传热特性研究[J];电子器件;2007年06期
5 刘少鹏;郝群;宋勇;郭民安;;一种微小型图像融合实验系统设计与验证[J];北京理工大学学报;2010年06期
6 李科杰,宋萍;微小型无人系统技术在未来战争中的重要意义及发展动向[J];传感器世界;2004年01期
7 ;研制用作都市内作战的微小型航空器[J];航天电子对抗;1997年04期
8 金鑫,张之敬,刘克非;面向微小型齿轮-轴过盈装配的仿真建模与验证[J];机械;2004年09期
9 陈苗海,张国刚;微小型J-T制冷器的发展[J];激光杂志;1985年04期
10 ;美大学研制出微小型可水上滑行的机器人[J];机器人技术与应用;2004年05期
11 ;微小型数字磁带机[J];计算机研究与发展;1963年09期
12 张志伟,马骏,俞信;微小型自适应光学系统及其在星载光学遥感器上的应用[J];红外与激光工程;2000年01期
13 王耀华;左仁贵;;国内外微小管道机器人的研究现状[J];机械设计;2010年12期
14 王扬威;王振龙;李健;;微小型水下仿生机器人研究现状及发展趋势[J];微特电机;2010年12期
15 ;FC系列微小型调节器选型资料[J];电子仪器仪表用户;1995年02期
16 张国刚;;冷却探测器的微小型制冷器[J];激光与红外;1984年05期
17 朱双东;微小型反应装置的电加热器控制系统[J];微计算机应用;1991年02期
18 ;微小型探雷扫雷机器人在国际维和行动中得到初步试用[J];机器人技术与应用;2010年02期
19 吴军伟;吴衍记;何新科;许刚;;基于田口方法的微小型三轴光纤陀螺参数优化设计[J];中国质量;2010年04期
20 文鹏程;王向军;;楔环形贫点阵探测器探测机制仿真研究[J];光学学报;2009年04期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 谈黎;;基于MEMS的微小型自主直升机姿态测量系统[A];2004全国测控、计量与仪器仪表学术年会论文集(上册)[C];2004年
2 陈效真;王巍;任德民;王燕林;;具有强大潜在生命力的微小型惯性器件[A];2003年惯性仪表与元件学术交流会论文集[C];2003年
3 高杨;;微小型安全密码锁[A];中国工程物理研究院科技年报(2003)[C];2003年
4 程光明;李欣欣;曾平;方科;杨志刚;;压电喷流泵初步研究[A];第二届全国压电和声波理论及器件技术研讨会摘要集[C];2006年
5 林元烧;曹文清;方旅平;沈锦兰;杨圣云;;厦门及其附近地区虾池浮游动物研究:Ⅳ.微小型浮游动物数量与季节分布[A];中国海洋与湖沼学会甲壳动物学分会、中国动物学会、中国海洋与湖沼学会生态学分会2000年学术研讨会论文摘要集[C];2000年
6 林元烧;曹文清;方旅平;沈锦兰;;厦门及其附近地区虾池浮游动物研究——Ⅲ.微小型浮游动物种类组成及季节分布[A];中国海洋与湖沼学会甲壳动物学分会、中国动物学会、中国海洋与湖沼学会生态学分会2000年学术研讨会论文摘要集[C];2000年
7 李朝东;姚华;裴仁清;龚振邦;;仿生步行小型直线超声电机[A];'2001第六届中国小电机技术研讨会论文集[C];2001年
8 张志伟;;AvaSpec系列微小型光纤光谱仪介绍[A];第三届科学仪器前沿技术及应用学术研讨会论文集(三)[C];2006年
9 陈效真;王巍;任德民;王燕林;;具有强大潜在生命力的微小型惯性器件[A];中国惯性技术学会第五届学术年会论文集[C];2003年
10 钟正江;;微型伤口穿透性颅脑火器伤20例分析[A];第三届全国急诊创伤学学术交流会论文汇编[C];1999年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 郑伟;基于视觉的微小型四旋翼飞行机器人位姿估计与导航研究[D];中国科学技术大学;2014年
2 钟鸣;移动式微小型自重构机器人系统研究[D];哈尔滨工业大学;2010年
3 钟鸣;移动式微小型自重构机器人系统研究[D];哈尔滨工业大学;2010年
4 梁霄;微小型水下机器人运动控制及可靠性研究[D];哈尔滨工程大学;2009年
5 王宏佳;微小型高性能永磁交流伺服系统研究[D];哈尔滨工业大学;2012年
6 于宪钊;微小型水下航行器水动力性能分析及双体干扰研究[D];哈尔滨工程大学;2012年
7 李晔;微小型水下机器人运动控制技术研究[D];哈尔滨工程大学;2007年
8 万逵芳;微小型湿空气透平循环研究[D];中国科学院研究生院(工程热物理研究所);2009年
9 徐伟杰;基于视觉的微小型无人直升机位姿估计与目标跟踪研究[D];浙江大学;2012年
10 李洪来;高速硬盘微小型滑动轴承—主轴系统变温条件下的稳定性研究[D];河北工业大学;2009年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 余清华;微小型多参数快速生化检测仪设计与实验[D];重庆大学;2012年
2 黄晓;微小型快速生化检测仪系统控制关键技术研究[D];重庆大学;2013年
3 汤宏俊;长江口及邻近海域微小型浮游动物及其与桡足类的营养联系[D];中国科学院研究生院(海洋研究所);2014年
4 王东;微小型多通道波前探测器Hartmann阵列设计与实验研究[D];华中科技大学;2004年
5 周志凯;微小型大相对孔径监控镜头的光学设计[D];苏州大学;2011年
6 崔士鹏;微小型水下机器人运动控制[D];哈尔滨工程大学;2013年
7 刘世廷;基于DEM逼近测高的微小型无人机目标自主定位研究[D];天津大学;2012年
8 周岩;脉动热管的性能研究[D];中国科学院研究生院(工程热物理研究所);2007年
9 张宏德;微小型观探测UUV水下组合导航技术的研究[D];哈尔滨工程大学;2013年
10 周超;微小型无人直升机地标跟踪研究[D];浙江大学;2011年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 记者 黄蕾;促就业从微小型企业着手[N];国际金融报;2004年
2 本报记者 薛亚芳;微小型创业孕育“小老板”[N];人才市场报;2005年
3 本报记者 傅丕毅 代群;创业就业 互动明显[N];经济参考报;2008年
4 陈丽娜 吴云林;肿瘤诊断的关键是精确识别微小型癌变[N];健康报;2006年
5 黄艳 记者 涂冰;推介微小型创业项目 开展就业岗位进社区活动[N];宜春日报;2007年
6 王玉;小钻“迷你”群钻争芳[N];中国矿业报;2005年
7 记者 刘雅玲实习生 陆先念;投资五万元 创业当老板[N];珠海特区报;2007年
8 见习记者 陈玺撼;浦东举办微小型企业产品展示会[N];解放日报;2009年
9 ;泰艺电子3225 PX Type石英晶体振荡器出货[N];电子资讯时报;2006年
10 葛玲玲 陈晓春;南理工研制出微小型智能机器人[N];新华日报;2006年
中国知网广告投放
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62982499
  • 010-62783978