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基于光流传感器的姿态估计

基于光流传感器的姿态估计

作者：石琦桂林电子科技大学

学位级别：硕士

姿态估计在包括无人机在内的诸多领域中都有重要的作用。本文针对现有姿态相关传感器冗余度较低且精度有待提升的现状,将光流传感器融入现有磁场角速度与重力的测量组合（Magnetic Angular Rate and Gravity,MARG）传感器系统。本文主... 详细信息

姿态估计在包括无人机在内的诸多领域中都有重要的作用。本文针对现有姿态相关传感器冗余度较低且精度有待提升的现状,将光流传感器融入现有磁场角速度与重力的测量组合（Magnetic Angular Rate and Gravity,MARG）传感器系统。本文主要对以下几个关键问题展开了研究:即如何利用光流传感器数据消除现有加速度计数据中的运动加速度干扰;如何利用光流传感器数据估计角速度;如何将光流传感器与MARG传感器进行数据融合,提高现有姿态估计精度。通过寻找以上问题的解决方案,可改善现有姿态估计现状,可为增加姿态估计相关传感器的冗余性与姿态估计精度的提升提供新途径,能够丰富姿态估计相关的理论研究与工程应用。具体的研究内容及创新点可归纳为以下几个方面:首先,介绍了姿态估计的常用坐标系与表示方法。对加速度计,磁强计,陀螺仪以及光流传感器的数据构成与测量原理进行了分析,为接下来MARG传感器及光流传感器的使用提供了理论依据。其次,针对现有姿态估计算法难以消除运动加速度干扰的现状,提出了一种利用平移光流解算运动加速度的方法。对加速度计如何进行姿态解算进行了阐述,分析了如何利用光流解算运动加速度,将解算出的运动加速度代入MARG传感器数据中进行运动加速度补偿。实验证明,该方法有效的补偿了运动加速度造成的误差,改善了姿态估计的动态精度。再次,提取转动光流进行角速度估计,提供了一种利用简单公式解算角速度的途径。对如何利用光流数据提取角速度进行了原理阐述与公式推导,对角速度解算姿态的方法进行了说明,并将光流解算出的角速度与加速度计及磁强计数据利用以重力与磁场矢量为状态变量的扩展卡尔曼滤波进行了融合。实验证明,与传统方法相比,利用光流传感器解算的角速度进行姿态估计时,其精度更高。最后,将光流提取出的角速度与陀螺仪数据利用最小方差原理进行角速度融合,阐述了以四元数作为状态变量进行扩展卡尔曼滤波的基本原理,将融合后的角速度代入四元数姿态估计算法中,降低了姿态估计误差。

关键词：姿态估计光流传感器 MARG传感器数据融合运动加速度

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微型二维光流传感器设计

哈尔滨工程大学学报 2014年第5期35卷 619-623页

作者：张洪涛张广玉李隆球王林哈尔滨工业大学机电工程学院黑龙江哈尔滨150001

针对常规光流传感器或者功能单一,或者尺寸较大,无法应用于对负载和尺寸有严格限制场合的问题,设计了一种微型二维光流传感器。对图像插值光流算法进行了描述和仿真,仿真结果证明该算法有较好的环境适应能力和鲁棒性。对传感器硬件结构... 详细信息

针对常规光流传感器或者功能单一,或者尺寸较大,无法应用于对负载和尺寸有严格限制场合的问题,设计了一种微型二维光流传感器。对图像插值光流算法进行了描述和仿真,仿真结果证明该算法有较好的环境适应能力和鲁棒性。对传感器硬件结构和软件流程进行了说明,并在自行研发的微型飞行器平台上进行了辅助悬停稳定性实验,结果表明该传感器可以有效减小飞行器的位置漂移,其轻质量和小尺寸适用于微型机器人平台。

关键词：微型二维光流传感器图像插值微型飞行器悬停

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光流传感器设计与研究

光流传感器设计与研究

作者：于掌舵吉林大学

学位级别：硕士

伴随人工智能这波大浪潮的到来,无人机在各行各业的需求量逐步加大。无人机完成预定的任务,需要提前获取自身的位置和姿态数据,因此无人机的定位问题是无人机领域的一个基本研究问题。基于视觉来做无人机的定位导航技术是目前无人机、... 详细信息

伴随人工智能这波大浪潮的到来,无人机在各行各业的需求量逐步加大。无人机完成预定的任务,需要提前获取自身的位置和姿态数据,因此无人机的定位问题是无人机领域的一个基本研究问题。基于视觉来做无人机的定位导航技术是目前无人机、机器人研究领域的一个热门研究方向。视觉是无人机感知周围环境的一个重要信息来源,它能够帮助无人机在执行任务进程中获取更准确的环境数据。在计算机视觉技术持续革新的过程中,环境感知传感器如同雨后春笋般不断的涌现出来。光流传感器则是其中具有代表性的一个传感器,它逐步应用于距离估算、空中定位、平稳着陆、路径记录等任务当中。光流传感器通过摄像头获取图像数据,超声波捕获高度数据以及陀螺仪采集姿态数据,再经过数据融合算法处理,将处理的数据最终反馈至无人机控制器。从而使无人机控制器准确控制飞机姿态,以确保无人机保持正确的姿态与位置。本设计的主控芯片采用stm32f4（ARM控制器）,图像采集摄像头采用HDR、高帧率的ov7740摄像头。实验结果证明设计方案极大的提升了光流传感器的性能。本文第一章首先对光流传感器的研究意义和国内外发展现状进行了简要概述,在后续章节中,相继介绍了光流传感器的基本工作原理和系统设计的基本思路,特别是系统硬件设计思路以及硬件设计方案,包括控制芯片的选型,摄像头电路,陀螺仪电路,超声波电路,各类接口的电路设计。继而介绍了系统的软件架构,包括整个软件系统流程,外设驱动设计,SAD图像处理、滤波算法实现,通信协议详解等。本文的最终成果,设计出了光流传感器,并实现了数据的实时传输。测试结果证明,光流传感器在低亮度的环境（15lux-20lux）下也可以正常工作。另外,数据处理速度可以达到50Hz左右（白天,室外）,具备非常高的感光度。相比于滑鼠传感器,光流传感器工作于室内或者在室外较暗场景下,依然能够实现25Hz左右（较暗,室内）的运算速度且并不需要LED照明。

关键词：光流传感器无人机 ARM 超声波 SAD图像处理 HDR

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基于光流传感器的微型四轴悬停校正系统设计

现代电子技术 2019年第22期42卷 117-120页

作者：夏杰熊俊俏武汉工程大学电气信息学院

针对低成本的惯性传感器测量单元存在较大漂移误差所导致微型四轴飞行器悬停不稳定问题,提出一种基于光流传感器的定点定高悬停校正系统。该光流模块使用VL53L0X激光测距传感器与高精度气压计BMP280进行数据融合来对微型四轴飞行器进行... 详细信息

针对低成本的惯性传感器测量单元存在较大漂移误差所导致微型四轴飞行器悬停不稳定问题,提出一种基于光流传感器的定点定高悬停校正系统。该光流模块使用VL53L0X激光测距传感器与高精度气压计BMP280进行数据融合来对微型四轴飞行器进行定高校正,使用光流传感器PMW3901对微型四轴飞行器进行定点校正。通过将光流模块安装在微型四轴飞行器底部,利用光流信息实时检测飞行器相对于定点的偏移状况从而做出位移补偿,实现悬停校正。实验数据表明,加入光流模块的微型四轴飞行器飞行更为稳定,悬停效果有较大改善。

关键词：悬停校正微型四轴飞行器光流传感器数据融合位移补偿算法分析

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采用光流传感器的三维角速度测量

国外电子测量技术 2021年第10期40卷 1-5页

作者：李翔张鹏石琦唐妍梅桂林电子科技大学电子工程与自动化学院桂林541004 广西师范大学物理科学与技术学院桂林541004

光流传感器目前广泛用于无人机飞控系统中,可测量无人机相对于地面的位移和速度。光流测量值包含线运动和角运动信息,为更好地将这两部分信息进行分离和提取,提出一种线性测量模型。该模型利用3个或更多不共面的光流传感器,采用线性变... 详细信息

光流传感器目前广泛用于无人机飞控系统中,可测量无人机相对于地面的位移和速度。光流测量值包含线运动和角运动信息,为更好地将这两部分信息进行分离和提取,提出一种线性测量模型。该模型利用3个或更多不共面的光流传感器,采用线性变换来描述光流测量值与三维线速度和角速度之间的关系。实验结果表明,采用该模型可实现基于光流的三维角速度的测量,能够代替常用的微机电系统(MEMS)陀螺仪,用于三维姿态测量,提高无人机飞控系统的可靠性和冗余度。

关键词：光流传感器角速度姿态测量无人机

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基于光流传感器的视频稳像技术

基于光流传感器的视频稳像技术

作者：季元吉中国计量大学

学位级别：硕士

图像视觉作为人类和智能设备对周围环境进行情景感知的重要手段,在社会生活中得到了广泛使用。其中图像视频不仅直接作为人类了解世界的信息媒介,还被许多智能设备,如无人机、智能船舶和自动驾驶汽车等,当作获取周围环境状态的主要方式... 详细信息

图像视觉作为人类和智能设备对周围环境进行情景感知的重要手段,在社会生活中得到了广泛使用。其中图像视频不仅直接作为人类了解世界的信息媒介,还被许多智能设备,如无人机、智能船舶和自动驾驶汽车等,当作获取周围环境状态的主要方式。智能设备通过对视频图像序列的预处理、分析和识别,获得相关信息后,指导后续的运动路径规划和状态改变决策。但是在实际应用中,由于大气湍流、海浪或者路面颠簸等复杂环境情况,往往导致载体平台的剧烈抖动和旋转,造成视频图像序列的不稳定。从而严重影响视频成像质量,对后续的图像目标检测和相关决策规划造成不良结果。因此,为了提高视频质量,消除抖动和旋转运动,研究并使用一种视频稳像技术显得十分必要。早期最直接的方法,是采用机械稳像云台对摄像设备进行运动补偿,随后又提出了基于光学稳像的方法,减小了稳像设备的体积。但是该方法往往结构复杂且稳像效果不好,而随着数字图像分析等相关技术的不断发展,电子稳像技术因其结构简单,成本低廉而逐渐成为视频稳像的主要发展方向,但伴随而来的是相关应用范围和稳像速率的相对下降。针对当前稳像技术存在的问题,本文以电子稳像技术作为研究重点,设计并验证了一种基于光流传感器的视频稳像技术。该稳像技术首先采用三轴无刷云台对摄像设备进行机械稳像;然后通过对光流传感器的改进,使其输出关于载体平台准确的运动矢量信息,最后利用该运动矢量对视频图像序列进行按帧运动补偿,进而输出稳定的视频图像。该稳像技术应用了光流传感器高速高精度的特点,避免了传统稳像技术中运动矢量估计复杂且应用环境受限的问题。实验结果表明,相对于单纯的云台机械稳像,峰值信噪比提高了64.99%;而相对于传统的电子稳像,稳像时间减少了53.93%。因此该基于光流传感器的视频稳像技术,实现了与机械稳像的有益结合,并提高了实时性,在实际应用中具有现实意义。

关键词：电子稳像坐标系变换运动补偿光流传感器三轴无刷云台

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

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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：李亚斌湖南理工学院

学位级别：硕士

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... 详细信息

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。

关键词：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

基于光流传感器的室内定点悬停四旋翼无人机的研究与设计

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基于光流传感器的室内定点悬停四旋翼无人机的研究与设计

作者：王李伟吉林大学

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随着自动化技术的不断发展以及人工智能学科不断取得新的研究成果,多传感器融合导航技术不断地成熟,研究人员将其应用于以无人机为代表的机器人领域,从而使无人机的飞行控制更加智能、稳定。21世纪以来,随着处理器、传感器等硬件技术的... 详细信息

随着自动化技术的不断发展以及人工智能学科不断取得新的研究成果,多传感器融合导航技术不断地成熟,研究人员将其应用于以无人机为代表的机器人领域,从而使无人机的飞行控制更加智能、稳定。21世纪以来,随着处理器、传感器等硬件技术的不断提高,无人机作为智能机器人中的典型代表,其工作过程变得越来智能化。对于无人机需求的不断提高,也促进了科研人员以及工程师们对无人机智能化技术进一步的开发。目前,以卫星导航技术作为导航方式的无人机定点悬停具有不容忽视的误差,最终难以实现在一个固定区域内稳定的悬停。此外,还有通过光学动作捕捉系统来实现无人机定点悬停的方法。这种定位方式的精度极高,但是只适用于室内便于布置摄像头、光强度不高的环境,且价格十分昂贵,无人机的飞行只能在摄像头捕捉到的范围内,十分受限。光流传感器的诞生为实现无人机的定点悬停提供了一种新的解决方式。光流传感器的定位精度要高于GPS等卫星导航技术,并且价格低廉,适合消费级无人机的应用,也有益于降低集群飞行无人机系统的难度。本文将在已有的四旋翼无人机技术基础上,结合新的光流传感器测量技术,实现高精度定点悬停功能。本论文首先将从四旋翼无人机的基本飞行原理入手,详细说明四旋翼无人机的基本结构以及组成部分,确定四旋翼无人机的飞行模式,研究四旋翼的各种动作的实现方式,建立四旋翼无人机的动力学模型和导航坐标系。之后,将确定桨叶、电机的选择,并设计相应的电调电路以完成动力部分的设计,以STM32F411RET6作为主控芯片,然后使用包括MPU9250惯性传感器、BMP280高精度气压计、PMW3901光流传感器以及VL53L0X高精度激光测距传感器的多传感器融合导航方案,确定电源电路、下载调试电路的设计方案以及无线通信模块的选择方案,并因此设计绘制PCB机架,完成四旋翼无人机各部分的安装调试,搭建四旋翼无人机硬件平台。最后,从软件算法入手,详细说明包括惯性导航、四元数、二阶IIR低通数字滤波、互补滤波、PID控制器在内的各种算法的实现方式。并介绍四旋翼无人机定点悬停飞行的各部分动态过程。与此同时,设计一个简单的验证实验进行验证,证明本文所有研究设计的四旋翼无人机具有一定精度的定点悬停功能。本论文的研究将为多传感器数据融合技术在无人机导航领域的应用和探索无人机精准控制方法提供一种新的解决思路和奠定前期研究基础。

关键词：光流传感器室内四旋翼无人机定点悬停

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基于光流传感器的移动机器人定位方法

传感器与微系统 2017年第10期36卷 61-63页

作者：李世云关乐褚金奎大连理工大学精密特种加工教育部重点实验室辽宁大连116023

详细介绍了光流传感器移动机器人定位系统的运动学原理,给出了理论模型推导;基于理论模型,搭建了基于光流传感器实验装置,将3只传感器置于移动机器人的固定位置,通过运动学几何关系,解算机器人的位姿;在室内进行了移动机器人的导航实验... 详细信息

详细介绍了光流传感器移动机器人定位系统的运动学原理,给出了理论模型推导;基于理论模型,搭建了基于光流传感器实验装置,将3只传感器置于移动机器人的固定位置,通过运动学几何关系,解算机器人的位姿;在室内进行了移动机器人的导航实验,推算了机器人的预测轨迹。实验证明了理论的可行性,可以作为短距离定位的一种导航方案。

关键词：光流传感器移动机器人航迹推算