四轴飞行器视觉导航系统设计与实现

摘要

微型飞行器(Micro Air Vehicle，MAV)自20世纪末开始越来越引人注目，这类飞行器虽然小，但“麻雀虽小，五脏俱全”。微型飞行器的导航技术近几年来有了较快的发展，然而大部分的导航技术只适用于室外环境，对于室内导航技术还需要加强深入研究。本文根据室内导航要求搭建了微型四轴飞行器，将其作为飞行平台，运用单目视觉技术开发了视觉导航系统，并完成了四轴飞行器的定点降落。本文着重研究四轴飞行器相对于着陆平台的位姿参数的计算，主要从以下几个方面进行研究。
　　首先，对视觉导航技术进行了研究。根据摄像机成像原理，解算出四轴飞行器的位置和姿态参数。选择镜头畸变的非线性摄像机模型，通过张正友平面标定法对摄像机参数进行标定。
　　其次，根据室内飞行环境的要求，将经典PID控制应用于四轴飞行器的飞行控制，介绍了四轴飞行器视觉导航系统的结构与功能，采用单目摄像机、图像传输模块、数据传输模块等构建了四轴飞行器视觉导航系统。
　　然后，根据着陆平台的设计要求，设计了特征图案，着重分析了图像平滑滤波及特征提取的方法。鉴于Hough变换检测直线时计算量大、耗费时间长的缺点，利用当前比较快速的邻接像素标记方法对该算法形成进行改进，从而显著提高直线边缘提取的速度。利用边缘直线，提取特征点的坐标，针对线性算法和非线性算法的优缺点，采用了将两者结合起来求解摄像机运动参数的方案，从而获取四轴飞行器的位姿参数。
　　最后，在实验室环境下进行了四轴飞行器视觉导航的飞行试验，验证了视觉导航系统的可行性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景和意义

1．1．1 微型飞行器

1．1．2 数字图像处理与计算机视觉

1．1．3 视觉导航

1．2 国内外研究与发展现状

1．2．1 国内外研究现状

1．2．2 国内外发展趋势

1．3 课题关键技术

1．4 论文结构

第二章 视觉导航技术基本原理

2．1 视觉导航概念

2．2 飞行器运动参数估计

2．2．1 摄像机成像模型

2．2．2 坐标系旋转变换

2．2．3 成像变换

2．3 摄像机标定

2．3．1 非线性摄像机模型

2．3．2 标定过程

2．4 本章小结

第三章 四轴飞行器视觉导航系统设计

3．1 四轴飞行器

3．1．1 四轴飞行器的基本结构

3．1．2 四轴飞行器运动模式

3．2 视觉导航系统结构

3．3 四轴飞行器硬件系统设计

3．3．1 飞行器机体及动力装置

3．3．2 主控模块

3．3．4 数据传输模块

3．3．5 图像采集与传输

3．3．6 地面测控系统

3．4 系统软件实现

3．5 本章小结

第四章 四轴飞行器视觉导航系统实现

4．1 着陆平台设计

4．2 图像预处理

4．2．1 灰度变换

4．2．2 直方图均衡化

4．2．3 图像增强

4．2．4 图像二值化

4．3 特征提取

4．3．1 图像分割

4．3．2 Hough变换

4．3．3 特征点提取

4．4 基于特征点的飞行器运动参数估计

4．4．1 基于线性算法的摄像机运动参数计算

4．4．2 单位位移向量Ts和旋转向量的计算

4．4．3 飞行器视觉导航技术中运动参数非线性优化

4．4．4 四轴飞行器飞行轨迹估算

4．5 实验结果与分析

4．6 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 全文总结

5．2 展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢