基于光流傳感器的四旋翼飛行器懸停校正.pdf

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1、2014年月裝甲兵工程學院學報第卷第期文章編號：基于光流傳感器的四旋翼飛行器懸停校正呂強，倪佩佩，王國勝，劉峰裝甲兵工程學院控制工程系北京摘要一：由于低成本的慣性測量單元存在較大漂移四旋翼飛行器難以穩(wěn)定地懸停在固定區(qū)域基于此出了，，提種基于光流傳感器的四旋翼飛行器懸停校正方法。將光流傳感器安裝在四旋翼飛行器底部，利用光流信息檢測四旋翼飛行器相對地面的水平移動速度對姿態(tài)估計進行補償：該方，實現(xiàn)懸停校正。試驗結(jié)果表明法能夠有效地提高四旋翼飛行器的懸停穩(wěn)定性從而保證飛行器能夠執(zhí)行戰(zhàn)場偵察、校正射擊、干擾敵人等多種軍事任務(wù)。關(guān)鍵詞：四旋翼飛行器；光流傳感器；懸停校正；

2、姿態(tài)估計中圖分類號文獻標志碼：：：，；；；一個復雜的多輸人多輸出四旋翼飛行器是、欠個方向安裝攝像頭僅利用檢測到的光流方向而不驅(qū)動、強稱合的非線性系統(tǒng)，其姿態(tài)控制以及導航定是光流值來校正慣性傳感器的漂移，但過多的傳感位問題都是國內(nèi)外研究的焦點。筆者所在課題器占用了大量的板載計算機的處理進程。組以航模為試驗平臺，其，以等設(shè)計了八旋翼飛行器中內(nèi)圈個水平螺為核心對其飛行控制系統(tǒng)硬件進行設(shè)計基于旋槳用于控制姿態(tài)角，外圈個垂直螺旋槳用于控信息的位置控制和基于慣性傳感器的姿態(tài)控制，實制水平移動這種動力學設(shè)計能夠解耦系統(tǒng)并避免現(xiàn)了室外的定點懸停試驗。由于慣性傳感器漂移、四旋翼

3、水平姿態(tài)角變化過大導致的光流傳感器計算精度差、使用環(huán)境受限制等因素會導致四旋翼不準確的情況，但增加了飛行器負載和能耗機械結(jié)難以懸停在固定區(qū)域，因此四旋翼的懸?？刂瞥蔀闃?gòu)也更加復雜。國內(nèi)外眾多學者研究的熱點。為優(yōu)化控制算法’減少重量和能耗精簡機械結(jié)等提出光流技術(shù)是一種廣泛用于視覺構(gòu)，本文采用光流傳感器，利用該傳感器處理而不需要精確地跟蹤特征點就能實現(xiàn)運動檢測的高感光度、高像素、高數(shù)據(jù)更新速度并且能夠通的仿生技術(shù)。等分別在前、后、左、右、下過地面站軟件實時獲取數(shù)據(jù)等優(yōu)收稿日期丨作者簡介：呂強（男，教授，博士。第期呂強：基，等于光流傳感器的四旋翼飛行器懸停校正點提出

4、一種基于該傳感器檢測四旋翼飛行器相對像素級像素偏移量。地面的水平移動速度并用高精度慣性測量旋轉(zhuǎn)補償。為減去由于攝像頭自身旋轉(zhuǎn)產(chǎn)單元對所測四旋翼飛行器的姿態(tài)角進行補償，最終生的光流將的板載陀螺儀所測量的攝實現(xiàn)四旋翼飛行器的空中懸停校正。像頭角度旋轉(zhuǎn)速率和透鏡的焦距代入式（、中，對移動場的旋轉(zhuǎn)部件進行旋轉(zhuǎn)補償，分別光流傳感器檢測算法得畫像平面方向的光流分量光流傳感器具有原生像素分辨率，計算光流的過程中采用了倍分級和剪裁算法，白天室外環(huán)境⑴?！恪掠嬎闼俣饶苓_到。主要包括板中；；為平移變換矩陣為高度載圖像傳感器、三軸陀螺、超聲波傳感器和式；分別為文、方向的像素偏移

5、量。處理器部分。為主動發(fā)送數(shù)尺度縮放。超聲波傳感器提供高度信息據(jù)模式數(shù)據(jù)格式遵守國際通用的小型無人機將代人式，根據(jù)投影變換計算出攝像頭相地面水平移動速度光流檢測步驟對通常采用的光流算法有光流法、‘光流法、金字塔算法、塊匹配算法。采用的是最小絕對誤差和（塊匹配算法光流檢測步驟如下?；诠饬鱾鞲衅鞯膽彝？刂圃O(shè)計°并根據(jù)式細塊匹配算法（選擇幽翼飛行控制系統(tǒng)可以分解為姿態(tài)控制和高■度控制。姿態(tài)控制系統(tǒng)動力學模型變換可得到如下狀態(tài)方程：“，，「■「、式中分別為參考幀中的預測塊與當前幀中的當前塊在水平、、垂直方向的偏移、分別為當前塊。（內(nèi)某像素的水平、垂直坐標為當前塊某像

6、素的亮七度或色度值為預測塊對應(yīng)像素的亮度或色度值；、為單方向最大搜索距離」」。值即為當前塊與參忒仏一個像素點差值的絕對值之和…考塊之間每。塊之式中：識，，，為狀態(tài)向間的值越小說明塊的相似程度越大反之，沒量其中，、、，為俯仰角’為橫滾角’為偏航角則塊的相似程度越小差異越大。選擇搜索區(qū)域為對應(yīng)的角速度；仏（，，為輸入向量。內(nèi)值最大的匹配塊作為最佳匹配塊。式的四旋翼飛行器姿態(tài)控制系統(tǒng)可以由上雙線性插值法亞像素細化。假設(shè)非整像素到下分解為俯仰通道、橫滾通道和偏航通道。四旋點在鄰近的個像素點（翼飛行器在飛行時的姿態(tài)控制就是對和少的、（，亞像素點（上灰度值的雙控制。線性插

7、值為懸?？刂茖ζ浇堑目刂埔蟛⒉桓撸欢ǖ恼`差獲取的和與實際角度存在，因此式中。一）；。會產(chǎn)生向某方向的緩慢漂移。光流傳感器可以檢；測出水平移動速度，可對測得的姿態(tài)角進行，、分別為點到（，補償。圖為控制結(jié)構(gòu)示意圖。（、點距離的水平、垂直分量。計算出最佳匹配塊的亞光流傳感器測得四旋翼水平位移速度分量分別70裝甲兵工程學院學報第卷！丨丨爐，沒，控制器控制器電機—動力輸出，控制器；圖控制結(jié)構(gòu)示意圖為、、。正比于俯仰角誤差正比于橫滾角式中為四旋翼滿足起飛條件時電機的預備占誤差且、、〉期，望的水平移空比。動速度為。將平移速度、、作為控制輸人，采用控制器作為外環(huán)姿態(tài)角補

8、償控制器?？刂戚敵鰹榻嵌日`差一、和驗證