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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

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基于视觉的四旋翼无人机自主定位与控制系统

信息与控制 2015年第2期44卷 190-196,202页

作者：曹美会鲜斌张旭文曦天津大学电气与自动化工程学院天津大学机器人与自主系统研究所天津市过程检测与控制重点实验室天津300072 航天神舟飞行器有限公司天津300301

针对GPS(global positioning system)信号缺失环境下无人机(UAV)自主飞行控制问题,设计了一种基于视觉的自主定位与控制方法.首先通过增加特征点提取数量和优化关键帧存储来对传统视觉SLAM(simultaneous localization and mapping)算法... 详细信息

针对GPS(global positioning system)信号缺失环境下无人机(UAV)自主飞行控制问题,设计了一种基于视觉的自主定位与控制方法.首先通过增加特征点提取数量和优化关键帧存储来对传统视觉SLAM(simultaneous localization and mapping)算法进行改进,提高了算法的鲁棒性与通用性.其次,引入光流传感器作为视觉SLAM地图丢失情况下辅助位置信息测量单元,提高无人机飞行控制的安全性,并成功地克服视觉SLAM图像丢失问题和光流法存在的位置漂移问题.然后采用EKF(extended Kalman filter)融合无人机位置和3维加速度信息,得到了较为精确的位置信息,同时提高了信号输出频率.最后,利用上述方法获取的无人机位置信息设计PID(proportion integration differentiation)和RISE(robust integral of the signum of the error)非线性控制器,增加了算法的鲁棒性.为验证该控制策略的有效性,搭建了四旋翼无人机视觉控制系统实验平台.该平台采用嵌入式控制系统架构,使用机载计算机运行所提算法,避免了图像及控制命令在无线传输过程中引起的时间延迟和信号干扰.室外飞行实验表明,此控制方案实现了自主定位与飞行控制功能.

关键词：四旋翼无人机视觉同步定位与建图(SLAM) 扩展卡尔曼滤波(E KF ) 光流传感器自主控制

INS/光流/磁强计/气压计组合导航系统在无人机中的应用

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激光与光电子学进展 2017年第2期54卷 291-299页

作者：李涛梁建琦闫浩朱志飞唐军中北大学仪器与电子学院仪器科学与动态测试教育部重点实验室山西太原030051

提出了一种基于扩展卡尔曼滤波的惯性导航系统(INS)/光流/磁强计/气压计组合导航方案。将INS、光流和气压计数据融合,估计无人机(UAV)的速度和位置。当UAV静止或匀速运动时,将陀螺仪与加速计、磁强计、光流的数据融合,估计UAV的姿态。当... 详细信息

提出了一种基于扩展卡尔曼滤波的惯性导航系统(INS)/光流/磁强计/气压计组合导航方案。将INS、光流和气压计数据融合,估计无人机(UAV)的速度和位置。当UAV静止或匀速运动时,将陀螺仪与加速计、磁强计、光流的数据融合,估计UAV的姿态。当UAV加速或减速时,用陀螺仪估计UAV的姿态。实验结果表明,UAV的速度误差从最大20m/s减小到了10m/s,角度误差从最大80°减小到了10°。该方案可以有效解决速度、位置和姿态估计的累积误差问题。

关键词：遥感无人机惯性导航光流传感器磁强计气压计扩展卡尔曼滤波

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

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

无GPS导航下基于光流的小型无人机导航算法

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传感器与微系统 2018年第9期37卷 114-116页

作者：曾幼涵姜香菊兰州交通大学自动化与电气工程学院甘肃兰州730070

针对惯性导航积分误差大的问题,提出一种基于惯性元件和光流传感器的融合算法,使用光流传感器数据补偿惯性元件的测量误差,实现对飞行器水平位置以及水平速度精确估计,提升飞行器在无GPS前提下的速度控制以及位置控制能力。采用PX4FLOW... 详细信息

针对惯性导航积分误差大的问题,提出一种基于惯性元件和光流传感器的融合算法,使用光流传感器数据补偿惯性元件的测量误差,实现对飞行器水平位置以及水平速度精确估计,提升飞行器在无GPS前提下的速度控制以及位置控制能力。采用PX4FLOW光流传感器搭建飞行器硬件平台进行测试,实验结果表明:光流融合算法能够提供飞行器精确的速度、位置信息。

关键词：互补滤波光流传感器无人飞行器惯性单元

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无人机配送智能终端平台的设计

现代工业经济和信息化 2021年第7期11卷 62-63,66页

作者：张坤石爱平黄薇王凯滨州学院山东滨州256600

对一种物流配送无人机终端平台系统进行研究。该系统以STM89C52为控制核心,通过5G网络信号技术和光流传感器,进行信号对接,实现了终端平台系统的自动伸缩,避免了人与人的接触,方便了收发件人的收取件问题,提高了配送效率。该系统结构简... 详细信息

对一种物流配送无人机终端平台系统进行研究。该系统以STM89C52为控制核心,通过5G网络信号技术和光流传感器,进行信号对接,实现了终端平台系统的自动伸缩,避免了人与人的接触,方便了收发件人的收取件问题,提高了配送效率。该系统结构简单、操作方便,有手动和自动两种操作方式。

关键词： STM89C52 无人机终端平台光流传感器 5G技术