基于QCOS/JVM的四轴飞行器室内避障应用研究

摘要

四轴飞行器是一种结构紧凑，飞行灵活的小型无人机。具有垂直起降，悬停，对飞行空间依赖小，可配备多种传感器等特点。因此，在室内环境中的四轴飞行器应用研究得到广泛发展。
　　本文的主要创新之处在于分析了四轴飞行器飞控任务组成之后，提出四轴飞行器操作系统QCOS，以提高四轴飞行器飞控任务调度效率。并在操作系统之上，建立JAVA虚拟机，组成高性能QCOS/JVM软件平台。在高性能软件平台之上，实现四轴飞行器单目视觉室内避障。
　　首先，为解决四轴飞行器室内避障过程中复杂复杂的问题，减少干扰，搭建四轴飞行器视觉系统平台。
　　其次，在四轴飞行器硬件平台之上，针对四轴飞行器飞控任务调度特点，以东北大学嵌入式技术实验室自主研发的IDCXⅡ嵌入式操作系统为原型，设计并实现了四轴飞行器操作系统QCOS。提出了一种适合四轴飞行器任务调度的改进任务调度算法，旨在减少任务的抢占开销，使其具有高实时、低延迟的特性。并从有效性和实时处理能力方面进行了验证。
　　再次，本文在四轴飞行器所运行的实时系统内核QCOS之上实现了精简版的JAVA虚拟机，并重点设计了实时JAVA应用的任务执行机制与相应的类构造。所设计的四轴飞行器操作系统QCOS及实现的JAVA虚拟机联合优化而形成的高性能QCOS/JVM软件平台可很好的服务于实时JAVA图像采集和控制信号处理。
　　最后，本文在高性能QCOS/JVM之上，实现了四轴飞行器的空旷空间室内避障。利用金字塔LK光流原理，依次获得物体实际光流和由于四轴飞行器运动所产生的平移光流，提出了融合光流算法，以便识别出移动障碍物。并对所提出的融合光流算法的实时性与准确性进行了测试与对比分析。实际的飞行结果显示，融合光流有效的实现了四轴飞行器室内避障。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 四轴飞行器研究背景

1．2 课题来源

1．3 四轴飞行器室内避障研究现状

1．4 四轴飞行器系统

1．5 论文研究内容及组织结构

第2章 四轴飞行器视觉系统平台的建立

2．1 四轴飞行器视觉系统平台硬件构成

2．2 四轴飞行器视觉系统体系结构设计

2．3 本章小结

第3章 基于四轴飞行器的操作系统的实现

3．1 四轴飞行器操作系统QCOS资源设计

3．1．1 存储器资源设计

3．1．2 寄存器资源设计

3．1．3 中断资源的设计

3．1．4 定时器设计

3．2 四轴飞行器操作系统QCOS功能设计

3．2．1 任务管理模块

3．2．2 任务通信模块

3．2．3 中断模块

3．2．4 计时模块

3．3 改进四轴飞行器操作系统任务调度算法

3．3．1 改进EDF算法

3．3．2 改进EDF算法性能分析

3．4 本章小结

第4章 基于四轴飞行器的JAVA虚拟机实现

4．1 JAVA虚拟机的精简实现

4．2 实时JAVA应用任务执行机制设计

4．3 实时JAVA应用的类构造设计

4．4 实时JAVA应用任务类构造

4．5 四轴飞行器高性能软件平台

4．6 本章小结

第5章 室内避障算法及飞行验证

5．1 图像光流原理

5．2 图像预处理

5．2．1 图像灰度化处理

5．2．2 图像平滑去噪

5．3 特征点提取

5．4 金字塔LK光流

5．5 平移光流计算

5．6 融合光流算法

5．6．1 融合光流向量计算和障碍物判断

5．6．2 判断小型四轴飞行器是否在障碍物的危险区域

5．7 实验及结果

5．7．1 飞行速度与准确率之间的关系

5．7．2 避障算法的可行性和有效性验证

5．7．3 对避障算法的实时性进行验证

5．7．4 避障算法的准确性验证

5．8 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表论文及专利