無人機視覺導航

基于視覺伺服的小型四旋翼無人機自主飛行控制研究進展呂強1，馬建業(yè)1，王國勝1，林輝燦1，梁冰2科技導報2016，34（24）無人機平臺的優(yōu)勢：

無人機正快速成為一種無處不在的現(xiàn)代工具，它在搜索、救援、監(jiān)視、航拍、遠程遙感等領域已得到廣泛應用，更被應用于電線檢修和農(nóng)業(yè)感知等特殊領域。與有人駕駛的飛行器和固定翼無人機相比，小型四旋翼無人機由于體型小、可垂直起降、機動靈敏等特點，使針對狹窄空間的搜索成為可能，并且在室內(nèi)進行飛行測試更加方便；此外其以電池替代燃料驅(qū)動，即使發(fā)生碰撞也不會對人類造成嚴重威脅，安全性得到大幅提升。視覺伺服簡介：

視覺伺服指的是利用計算機視覺信息控制機器人的運動，依賴于圖像處理、計算機視覺和控制理論等技術。在GPS信號較弱甚至失效的環(huán)境下，視覺伺服能夠通過視覺信息控制自主飛行，因此近年來視覺伺服在自主飛行控制領域受到廣泛關注。對于小型四旋翼無人機自主飛行控制的應用研究中，視覺伺服的實時性、精確性和魯棒性尚待提高，且小型四旋翼無人機的智能化不高，在室內(nèi)室外模式轉(zhuǎn)換及室內(nèi)協(xié)同控制方面還有廣闊的發(fā)展空間。視覺伺服的分類：所有基于視覺伺服的方案，目的都是減小誤差e(t)。誤差e(t)可表示為e(t)=s(m(t),a)-s*式中，矢量m(t)為一連串的圖像測量值；s(m(t),a)為視覺特征點矢量；a為攝像頭固有參數(shù)；s*為期望特征值。通過對s定義的不同，可將視覺伺服分為基于位置的視覺伺服（PositionBasedVisualServo，PBVS）和基于圖像的視覺伺服（Image-BasedVisualServo，IBVS）。PBVS的基本結(jié)構(gòu)

優(yōu)點：可以直觀地在直角坐標空間定義目標的運動，符合現(xiàn)有機器人的工作方式。缺點：控制精度很大程度上依賴于位姿估計精度，而位姿估計精度依賴于攝像機和機器人的標定精度等；此外計算量較大。IBVS的基本結(jié)構(gòu)

優(yōu)點：無需三維空間定位、對攝像機和機器人標定不敏感；計算量較小。缺點：伺服控制器復雜且缺乏適應性；需要額外的傳感器獲取深度信息；移位過大會導致不可預知攝像頭運動。視覺伺服無人機發(fā)展趨勢：

1）視覺算法的魯棒性。若攝像頭運動過快且特征不是特別明顯，則會發(fā)生特征點跟蹤失敗從而丟失位置的現(xiàn)象。只有從根本上增強視覺算法的魯棒性，才能夠?qū)崿F(xiàn)在任何環(huán)境下的自主飛行。2）室內(nèi)室外模式轉(zhuǎn)換。當GPS信號低于一定值時轉(zhuǎn)換為視覺定位，高于一定值時轉(zhuǎn)換為GPS定位。3）室內(nèi)協(xié)同控制。多無人機室內(nèi)協(xié)同控制可同時控制多架無人機對復雜環(huán)境進行分塊搜索、偵察和構(gòu)圖等，這一功能不僅大大提高任務執(zhí)行效率，而且增強其可靠性。

MonocularVision-BasedAutonomousNavigationSystemonaToyQuadcopterinUnknownEnvironments

RuiHuang1,PingTan1,BenM.Chen2InternationalConferenceonUnmannedAircraftSystems2015(ICUAS2015).NewYork,USA:InstituteofElectricalandElectronicEngineers（IEEE）,2015:1260-1269.VideoDemoI:SquarePathFollowingVideoDemoII:

CirclePathFollowingVideoDemoIII:Hovering.Platform

TheAR.DroneisamicroUnmannedAerialVehicle(UAV)developedbytheParrotcompanyfortheincreasingmarketofvideosgamesandhomeentertainment.Thedroneislowcost,safe,andeasytoflybyendusers.A.Hardware1.afrontcamera2.downward-lookingcamera3.Thenavigationboardisequippedwiththesensorsincludinga3-axisaccelerometers,a2-aixsgyroscope,a1-axisverticalgyroscopeand2ultrosonicsensors.B.PlatformModelingandControllerDesign

WeusetheSystemIdentificationToolboxofMATLABtofitthesystemtransferfunctionsforeachchannelseparately.Firstly,wesampleasequenceofachirpsignalasthecontrolparameters.ThenwesendthecontrolsignalsatthesamplingratetothedroneandrecordtheresponseusingamotioncapturesystemcalledViconwithmillimeterprecision..VisualSlamA.FeatureTracking

B.CameraPoseEstimation

C.KeyframeInsertionandMapGeneration

D.RelocalisationSENSORFUSION

Advantage：Firstly,weuseamuchsimplifiedstatespacetoreducethecomputation.Secondly,ourscaleestimatordoesnotrelymuchonverticalmotionofthedrone,whichisnotcommonintherealflights.ToaddressthedriftingerrorsinintegratingIMUmeasurements,wesolvethescalefactorbycomparingvelocitiesfromvisualSLAMandonboardsensors.總結(jié)：該系統(tǒng)將通過無線攝像頭獲取的視頻流傳輸給地面站計算機，在地面站上運行視覺SLAM算法處理數(shù)據(jù)進行位姿估計。為解決收到的視頻中運動模糊和幀丟失問題，改進了視覺SLAM算法中的特征跟蹤方法和重新定位模塊，增強了魯棒性。同時為獲得更精準的三維位置與速度，融合了視覺SLAM和機載傳感器獲取的數(shù)據(jù)，并且設計了一種擴展卡爾曼濾波器用于傳感器數(shù)據(jù)融合，矯正了局部漂移誤差并且解決了比例模糊問題。AutonomousFlightandObstacleAvoidanceofaQuadrotorByMonocularSLAM

OmidEsrafilianandHamidDIn20164thInternationalConferenceonRoboticsandMechatronics(ICROM),pages240–245.AutonomousFlightandObstacleAvoidanceofaQuadrotorByMonocularSLAMMAPENRICHMENTFirst,thepointcloudareaofrobotisselectedandisdividedintoseveralboxesinordertofitaplanetoeachbox.Then,theseboxesaredistinguishedindifferentclusters(Fig.3-b).Inthenextsteptheoutlierplanesaredeterminedandcorrectedaccordingtothenormalvectorofeachcluster(Fig.3-c).Finally,theexistedpointsarelinedupandsomeextrapointsareaddedtomakeitmoredense(greenpointsinFig.3-d).PATHPLANNINGASimpleAutonomousFlightControlMethodofQuadrotorHelicopterusingonlysingleWebCamera*KazuyaSato1,ToruKasahara1,andTomoyukiIzu2InternationalConferenceonUnmannedAircraftSystems2016(ICUAS)2016TwocoloredballsasacolormarkerareattachedtothemulticopterandrecognizethepositionofcoloredballsusingcapturedvideoimagesonthewindowfromaWebcamerawhichputtingontheground.Thecapturedvideoimageoftheactual

flightexperiments.EXPERIMENTALRESULTThepositioninformationofmulticopterinx,y,zcoordinatesweremeasuredbyusingcolormarkerswithsingleWebcamera