基于光流传感器的四旋翼飞行器位姿估计与悬停校正研究

作     者：李亚斌 

作者单位：湖南理工学院 

学位级别：硕士

导师姓名：张国云

授予年度：2017年

学科分类：08[工学] 081105[工学-导航、制导与控制] 0811[工学-控制科学与工程] 

主      题：四旋翼飞行器 光流传感器 位姿估计 悬停校正 VOD块匹配准则 SEA算法 PID控制 

摘      要：论文以四旋翼飞行器为应用平台,针对四旋翼飞行器悬停校正不准确的问题,提出了一种基于光流传感器的四旋翼飞行器位姿估计与悬停校正方法。本论文的主要工作包括三个部分:四旋翼飞行器数学模型的构建、光流传感器改进算法研究、四旋翼飞行器位姿估计与悬停校正算法研究,最后进行了四旋翼飞行器的飞行试验。(1)四旋翼飞行器数学模型的构建通过分析机体坐标系和导航坐标系的转换关系以及四旋翼飞行器的基本运动方式,推出了四旋翼飞行器的运动控制的基本原理。在此基础上,根据牛顿-欧拉法构建了四旋翼飞行器数学模型,从理论上给出了要估计四旋翼飞行器的位姿以及实现四旋翼飞行器的悬停校正所需要求解的参数。(2)光流传感器改进算法研究通过光流传感器采集图像进行处理。为克服传统光流算法迭代时间过长或对光照变化敏感的问题,采用VOD块匹配准则计算连续帧间光流场;为减少VOD块匹配准则的乘法计算量,采用了VOD块匹配准则的SEA算法;采用双线性插值算法进行亚像素细化,得到亚像素级的最佳运动矢量;采用旋转补偿算法得到图像平面x,y方向的光流分量;最后通过尺度缩放计算出摄像头相对地面水平移动速度。(3)四旋翼飞行器位姿估计与悬停校正算法研究采用VOD块匹配准则的SEA算法计算连续帧间光流场,再通过双线性插值、旋转补偿以及尺度缩放得到四旋翼飞行器相对于地面的水平移动速度。根据此速度与姿态角的关系来补偿MTI-G传感器所测量的姿态角,进而得到高精度的姿态角,并采用光流传感器测量四旋翼飞行器距离地面的高度。最后对姿态角和高度采用PID控制,输出一定占空比的PWM波,控制电机的转速,最终实现四旋翼飞行器在较小的区域内悬停。搭建以Pixhawk为核心的四旋翼飞行器主控平台,集成光流传感器模块PX4FLOW并进行图像采集,在MATLAB上对摄像头获取的图像进行了基于VOD块匹配准则的SEA算法仿真实验,验证了VOD块匹配准则的SEA算法的理论可靠性,能较好的估计四旋翼飞行器的位姿,并使其在一定的区域内实现悬停。