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INS/光流/磁强计组合导航在小型无人机中的应用

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电子器件 2017年第6期40卷 1414-1420页

作者：化雪荟陈大力佛山职业技术学院电子信息系广东佛山528000

由于低成本的惯性导航系统存在较为严重的漂移,小型无人机在使用其导航时,往往会出现较大的误差。针对这一问题,提出了一种INS/光流/磁强计组合导航方案:基于扩展卡尔曼滤波,将INS与光流数据融合,估计无人机的速度和位置。当无人机静止... 详细信息

由于低成本的惯性导航系统存在较为严重的漂移,小型无人机在使用其导航时,往往会出现较大的误差。针对这一问题,提出了一种INS/光流/磁强计组合导航方案:基于扩展卡尔曼滤波,将INS与光流数据融合,估计无人机的速度和位置。当无人机静止或匀速运动时,将陀螺仪与加速计、磁强计的数据融合,估计无人机的姿态;当无人机加速或减速时,用陀螺仪估计无人机的姿态。利用无人机飞行数据对本文所提出的组合导航方案进行了验证,验证结果表明,该方案有效的减少导航时的速度、位置和姿态的误差,提高导航精度。

关键词：小型无人机惯性导航光流传感器磁强计扩展卡尔曼滤波

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基于多级MEKF的微型无人机状态估计

火力与指挥控制 2024年第7期49卷 36-43页

作者：刘砚菊李景泉冯迎宾沈阳理工大学自动化与电气工程学院沈阳110159

针对微型无人机在GPS拒止环境下,低成本惯性测量单元(inertialmeasurement unit,IMU)精度低稳定性差,传统算法难以保障其状态信息解算实时性和精度的问题,提出一种基于IMU和光流传感器融合的多级乘性扩展卡尔曼滤波(multiplicative exte... 详细信息

针对微型无人机在GPS拒止环境下,低成本惯性测量单元(inertialmeasurement unit,IMU)精度低稳定性差,传统算法难以保障其状态信息解算实时性和精度的问题,提出一种基于IMU和光流传感器融合的多级乘性扩展卡尔曼滤波(multiplicative extended Kalman filter,MEKF)状态估计算法。将磁力计、陀螺仪和加速度计的数据融合以实现姿态估计;利用姿态估计值、加速度和光流数据以实现速度估计;将速度估计值积分融合高度数据,以实现位置估计。实验结果表明,与传统算法相比,该算法能实现更快速可靠的状态估计。

关键词：微型无人机光流传感器乘性扩展卡尔曼滤波状态估计

面向弱光流环境的惯性/光流组合导航方法研究

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电光与控制 2019年第1期26卷 97-103页

作者：王瑞荣陈瞳李晓红太原工业学院电子工程系太原030008

惯性导航系统(INS)与光流组合导航方法在众多场合拥有极为广泛的应用,其中,光流信息的准确与否直接影响导航参数的优劣。为解决光照极弱或者光流传感器离地高度小于摄像头焦距所导致的光流信息误差较大使导航参数严重失真而无法连续导... 详细信息

惯性导航系统(INS)与光流组合导航方法在众多场合拥有极为广泛的应用,其中,光流信息的准确与否直接影响导航参数的优劣。为解决光照极弱或者光流传感器离地高度小于摄像头焦距所导致的光流信息误差较大使导航参数严重失真而无法连续导航的问题,提出一种基于Elman神经网络的速度预测方法。环境适宜的情况下,在线训练神经网络模型,而处于特殊环境使光流信息信任价值很小时,使用训练完成的神经网络对载体速度进行预测。另外,基于INS动态误差模型的卡尔曼滤波器(KF)通过融合INS以及速度数据得到误差向量使之对导航参数进行补偿修正。小型四轴飞行器飞行试验表明,神经网络的预测值能够在较短时间内高精度地逼近真实值,证明了上述算法的正确性和有效性。通过与真实值相比较,平均姿态误差为0. 1%,平均速度误差为1%,平均位置误差为2.4%。

关键词：组合导航光流传感器神经网络 INS误差模型小型飞行器

基于VOD块匹配准则的四旋翼飞行器悬停研究

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计算机工程与应用 2017年第22期53卷 208-211,270页

作者：张国云李亚斌涂兵李文滔李孝春湖南理工学院信息与通信工程学院湖南岳阳414006 湖南理工学院复杂系统优化与控制湖南省普通高等学校重点实验室湖南岳阳414006 湖南理工学院IIP创新实验室湖南岳阳414006

针对四旋翼飞行器悬停控制不准确的问题,提出一种基于光流传感器的四旋翼飞行器悬停控制方法。设计了一种基于STM32F407为核心的飞行器主控平台,其中光流传感器模块采用PX4FLOW;为加快计算图像光流场的速度,将VOD(Variance of Differen... 详细信息

针对四旋翼飞行器悬停控制不准确的问题,提出一种基于光流传感器的四旋翼飞行器悬停控制方法。设计了一种基于STM32F407为核心的飞行器主控平台,其中光流传感器模块采用PX4FLOW;为加快计算图像光流场的速度,将VOD(Variance of Difference)块匹配准则的SEA算法应用到采集到的连续帧间图像光流场的计算上;最后采用增量式PID(Proportion Integration Differentiation)控制算法以达到比较精确的悬停控制。实验结果表明:该方法能够有效地提高四旋翼飞行器的悬停稳定性,悬停时在水平方向的控制范围在±10 cm之间,且计算相对简单,能满足实际需求。

关键词：光流传感器 VOD块光流场 PID控制

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基于多传感器融合的四旋翼UAV悬停校正

传感器与微系统 2023年第7期42卷 94-97页

作者：刘正坤潘绍明向政蓉广西科技大学电气电子与计算机科学学院广西柳州545006

针对四旋翼无人机(UAV)定点悬停时精度低且易受干扰等问题,通过结合多传感器数据融合算法与PID控制算法,设计了一种四旋翼定点悬停的控制方案。系统以STM32F407处理器作为控制核心;通过6轴姿态传感器MPU6050采集陀螺仪数据和加速度数据... 详细信息

针对四旋翼无人机(UAV)定点悬停时精度低且易受干扰等问题,通过结合多传感器数据融合算法与PID控制算法,设计了一种四旋翼定点悬停的控制方案。系统以STM32F407处理器作为控制核心;通过6轴姿态传感器MPU6050采集陀螺仪数据和加速度数据,经过互补滤波算法融合处理后解算出欧拉角;采用三阶互补滤波算法对激光传感器VL53L1X采集的数据和加速度数据进行融合,计算出高度数据。通过MPU6050解算出的欧拉角补偿光流传感器测量的数据,得到UAV实际水平速度。针对传感器融合后的数据,设计相应的串级PID控制器对UAV姿态和位置进行控制,并搭建实验平台进行验证。结果表明:本文设计的控制方案能够有效提高四旋翼UAV的定点悬停精度,抗干扰能力强且具有较好的鲁棒性。

关键词：四旋翼多传感器融合光流传感器悬停

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基于GRU的四旋翼无人机飞行姿态估计

基于GRU的四旋翼无人机飞行姿态估计

作者：刘晓琴桂林电子科技大学

学位级别：硕士

姿态估计是无人机（UAV）稳定可控飞行的前提,因而姿态和航向参考系统（AHRS）被广泛地应用在四旋翼无人机飞行控制中。目前,四旋翼无人机的姿态估计普遍采用磁力计、加速度计和陀螺仪（MARG）的传感器组合,但是MARG传感器容易受到各种... 详细信息

姿态估计是无人机（UAV）稳定可控飞行的前提,因而姿态和航向参考系统（AHRS）被广泛地应用在四旋翼无人机飞行控制中。目前,四旋翼无人机的姿态估计普遍采用磁力计、加速度计和陀螺仪（MARG）的传感器组合,但是MARG传感器容易受到各种干扰,如振动、外部磁干扰、陀螺漂移等,这些因素导致单个传感器进行姿态测量时存在较大的误差。另外,由于低成本MARG传感器其自身固有噪声较大,这会导致姿态误差与噪声之间有很大的非线性相关性,而这种相关性很难建立正确的数学模型,因此选取合适的姿态估计算法将多个传感器的测量值进行有效的融合,从而估计出高精度的姿态角,具有很高的研究价值和意义。为了拟合出姿态误差与传感器输出值之间的非线性关系,本文利用门控循环神经网络（GRU）算法进行多传感器的数据融合,重点研究GRU神经网络融合不同传感器实现姿态估计的算法。为了提升姿态估计的精度,本文主要进行了以下几方面的工作:（1）首先介绍四旋翼无人机姿态测量的相关理论以及MARG传感器的测量原理与误差来源。（2）利用GRU神经网络算法及加速度计和磁力计进行姿态估计,通过仿真实验对算法进行验证,实验结果表明使用GRU神经网络算法进行多传感器融合来估计姿态角是一种可行方案。（3）针对四旋翼无人机在做大幅运动时,加速度计和磁力计动态响应特性不好的问题,采用GRU神经网络算法融合MARG传感器,利用陀螺仪动态响应较好的特点,进一步提升动态精度。实验结果表明该方法不仅能实现多传感器融合,还能充分利用陀螺仪自身的特性从而提高四旋翼无人机的动态精度。（4）光流传感器具有从图像序列中提取运动信息的能力,但主要的问题是光流可以由平移和旋转两种运动引起,这两种运动很难区分。针对这一问题利用GRU神经网络算法提取光流测量中的姿态信息,并将其与MARG传感器进行数据融合,以此来提高四旋翼无人机的姿态估计精度,实验结果表明该算法可以利用光流测量中的姿态信息,进一步提高三维姿态精度。最后将本文所提出的四旋翼无人机的三种基于GRU的姿态估计算法与常用的扩展卡尔曼滤波（EKF）姿态估计算法对比,实验数据表明本文中的姿态估计方法在四旋翼飞行实验中具有更高的姿态精度。

关键词：四旋翼无人机姿态测量 GRU神经网络传感器融合光流传感器

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智能空中机器人系统的设计与实现

智能空中机器人系统的设计与实现

作者：鲁恩萌哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

空中机器人指能够完成特定任务,能够在空中自主感知与飞行的无人飞行器。空中机器人系统的设计涉及众多学科,在多个领域都具有广泛应用,在技术上也具有相当的前瞻性。目前关于四旋翼无人机的多数研究,大多着重于飞行控制器的设计上,目... 详细信息

空中机器人指能够完成特定任务,能够在空中自主感知与飞行的无人飞行器。空中机器人系统的设计涉及众多学科,在多个领域都具有广泛应用,在技术上也具有相当的前瞻性。目前关于四旋翼无人机的多数研究,大多着重于飞行控制器的设计上,目标是设计可以在遥控器操控下稳定飞行的无人机平台。本文基于这些研究,尝试基于基于无人机平台增加任务负载,通过遥控器接口利用现有飞行控制器,设计并搭建出更具自主性的智能空中机器人,旨在研究智能空中机器人系统的设计方法及实现过程。首先,本文按照智能空中机器人系统的总体设计思路,对系统的各个部分进行了设计。硬件上,搭建了空中机器人的无人机平台,选取并安装了任务传感器和机载处理平台,以及配合空中机器人搭建了地面站环境。软件上,确定了基于ROS的程序设计方式。其次,讨论了空中机器人任务负载的的感知与控制接口的设计。首先介绍了ROS机器人操作系统的基本概念及基于Python的ROS节点设计思路,然后分析了PX4Flow光流传感器模块输出数据的格式及采集方法。最后介绍了机载处理平台与飞控的控制接口,及如何通过控制信号来实现空中机器人的飞行过程。再次,基于系统对各部分的功能分工,完成了位姿估测器节点、控制器节点、PPM发送节点和飞行规划节点的设计与实现。最后,设计了系统测试节点,并进行了系统软件测试及实际运行测试。测试结果表明,系统各个节点能够完成预先的设计功能。

关键词：空中机器人机器人操作系统自主飞行光流传感器

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基于深度学习的四轴无人机飞行姿态估计方法

广州航海学院学报 2023年第4期31卷 48-54页

作者：潘美琴闽江师范高等专科学校数字信息工程学院福建福州350018

为解决传统无人机姿态估计过程中出现的精度低、实时性差、容易被干扰、模型复杂、计算量大、处理时间长等问题,研究基于深度学习的四轴无人机飞行姿态估计方法.结合多传感器数据融合技术,使用MARG传感器和光流传感器采集无人机飞行姿... 详细信息

为解决传统无人机姿态估计过程中出现的精度低、实时性差、容易被干扰、模型复杂、计算量大、处理时间长等问题,研究基于深度学习的四轴无人机飞行姿态估计方法.结合多传感器数据融合技术,使用MARG传感器和光流传感器采集无人机飞行姿态数据,经小波阈值去噪算法和最大—最小标准化算法对采集到的数据进行去噪及归一化预处理后,基于GRU神经网络构建一个新的姿态估计模型.将预处理后传感器的数据输入模型中进行融合,通过模型训练输出重力矢量和地磁矢量,经无人机姿态角转换获取无人机飞行姿态.实验结果表明:基于深度学习的四轴无人机飞行姿态估算结果与实际值接近,且误差小、速度快,同时利用GRU神经网络可以融合多种传感器的数据,无需建立复杂的数学模型,即可实现无人机飞行姿态的高精度测量.

关键词：深度学习四轴无人机飞行姿态估计光流传感器 GRU神经网络姿态角

基于惯性/偏振光/光流的六足步行机器人自主导航方法研究

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导航定位与授时 2020年第6期7卷 102-108页

作者：曾云豪杜涛星艳北方工业大学信息学院

针对惯性/卫星组合导航系统易受干扰或自主性不足等问题,引入偏振光传感器和光流传感器,分别建立航向角和速度量测方程,以辅助惯性导航系统,提出了一种基于惯性/偏振光/光流的自主导航方法。同时,为实现惯性传感器、偏振光传感器和光流... 详细信息

针对惯性/卫星组合导航系统易受干扰或自主性不足等问题,引入偏振光传感器和光流传感器,分别建立航向角和速度量测方程,以辅助惯性导航系统,提出了一种基于惯性/偏振光/光流的自主导航方法。同时,为实现惯性传感器、偏振光传感器和光流传感器等多传感器的融合,设计了无迹Kalman滤波器。为验证该方法的有效性,以六足步行机器人为对象开展仿真和实验验证。结果表明,在没有卫星信号源的情况下,仅依靠机器人自身感知,可实现较高精度的机器人位姿估计,实现了不依赖于卫星导航信号的自主导航,提升了导航系统的自主性。

关键词：偏振光传感器光流传感器自主导航无迹Kalman滤波