基于计算机视觉的无人直升机位姿估计方法研究

无人直升机与着陆点的相对位置和姿态估计是其实现自主着陆的前提条件,采用计算机视觉技术完成该任务是当前的发展趋势。介绍了基于计算机视觉技术的位姿估计方法的特点,对目前直升机自主着陆研究中采用的各种位姿估计方法做了分类并进行了评述,为类似的视觉系统的设计和相关问题的研究提供了参考。     

基于双目视觉的小型无人直升机位姿检测

无人直升机的位置与姿态检测是直升机自主飞行控制的基础。基于双目视觉原理,对直升机标志点进行检测并跟踪,利用基于顺序一致性的极线约束匹配方法,对检测到的多个标志点进行立体匹配,计算标志点三维坐标从而得到无人直升机的位置与姿态信息。设计一个基于双目视觉的小型无人直升机空间位姿测量托架,用于飞行控制模型及飞行控制算法的研究及验证。     

基于点线对应的无人机位姿估计算法

针对无人机着陆,提出了一种基于视觉的辅助着陆方法,仅利用跑道两条边缘线和一条横向着陆阈值线引导着陆;利用跑道上的这三条直线之间的几何约束关系,可求出三条线之间的交点在摄像机系中的坐标,再考虑消失点的特性可求得三条线在摄像机系中的向量;最后使用Umeyama方法求出三个姿态角,并利用点的共面性特性得到了无人机相对跑道位置的鲁棒解;仿真中姿态误差均保持在0.5.的范围,横向和高度误差在1 m以内,处理一帧图像平均耗时1.3 ms,因此,提出的视觉辅助无人机着陆的方法精度高、实时性好.     

一种面向无序分拣的位姿估计方法

提出一种基于Mask R-CNN实例分割网络和随机采样一致性(SAC-IA)结合最邻近迭代(ICP)点云配准算法来估计无序堆叠场景下物体6D姿态的方法.在无序分拣中物体是堆叠散乱的,通过目标点云对场景点云匹配由于场景点云数据量大存在耗时、准确率低的问题.因此本文使用相机获取到的彩色图作输入Mask R-CNN神经网络分...     

基于相对坐标的轮式移动机器人位姿估计方法

轮式移动机器人在长时间运行中,会因传感器误差和模型不精确导致位姿估计累积误差增大。为此,本文研究基于相对坐标的轮式移动机器人位姿估计方法,首先建立运动学方程,再利用相对坐标系统实时估计机器人位姿,并对位姿估计方法进行了优化。实验结果显示,该方法在复杂环境中相比其他两种方法,展现出卓越精度和稳定性,为轮式移动机器人的自主导航和精确控制提供了有力保障。     

基于激光雷达的移动机器人位姿估计方法综述

位姿估计是移动机器人研究的一个核心问题．本文综述了国内外基于激光雷达的移动机器人位姿估计的最新进展,并对各种方法进行分类、比较和分析,从中归纳出应用中值得注意的问题和发展趋势．     

基于深度学习的刚体位姿估计方法综述

刚体位姿估计旨在获取刚体在相机坐标系下的3D平移信息和3D旋转信息,在自动驾驶、机器人、增强现实等快速发展的领域起着重要作用。现对2017-2021年间的基于深度学习的刚体位姿估计方向具有代表性的研究进行汇总与分析。将刚体位姿估计的方法分为基于坐标、基于关键点和基于模板的方法。将刚体位姿估计任务划分为图像预处理、空间映射或特征匹配、位姿恢复和位姿优化4项子任务,详细介绍每一类方法的子任务实现及其优势和存在的问题。分析刚体位姿估计任务面临的挑战,总结现有解决方案及其优缺点。介绍刚体位姿估计常用的数据集和性能评价指标,并对比分析现有方法在常用数据集上的表现。最后从位姿跟踪、类别级位姿估计等多个角度对未来研究方向进行了展望。     

基于视觉的门把手位姿估计方法研究

本文针对门把手位姿估计的实时性和准确性问题。为了提高系统获取门把手位置及姿态的准确性,利用最小二乘法平面拟合算法获得在摄像机平面下的门把手的空间姿态信息。并针对门把手姿态的准确性进行实验验证,本文的方法在实际应用中,能够满足要求。     

基于激光雷达的移动机器人实时位姿估计方法研究

位姿估计是移动机器人研究中的一个关键问题,对于运动目标跟踪、机器人导航、地图生成等具有重要意义,提出了一种基于二维激光雷达的实时位姿估计方法,包括基于Hough变换的切线角度直方图算法和迭代切线加权最近点算法两部分.两种算法的结合和切线信息的引入.有效地解决了传统方法无法解决的局部最小值、类孔径、大计算量等问题.仿真数据和室外环境实际数据的大量实验结果表明它具有精度高、速度快、适用性广和对噪声、遮挡和类孔径问题鲁棒性高的特点.     

面向机器人抓取过程中目标位姿估计方法

针对机械臂抓取过程中场景的复杂性和存在遮挡问题,提出了一种基于深度相机的物体位姿估计方法。采用Kinect相机获取点云图像,提取点云的FPFH特征。采用奇异值分解算法和随机一致算法来进行位姿估计。将得到的位姿经过手眼转换转换为抓取位姿。通过与ICP算法和NDT算法进行对比实验,结果验证了该方法的稳定性和精确性。     

小型无人直升机悬停小速度段位置控制技术

无人直升机在悬停/小速度飞行阶段具有特殊的物理特性,给控制系统的设计带来了诸多技术难题;针对无人直升机悬停/小速度段位置控制的需求,提出了一种基于"姿态角阻尼内回路"的位置控制结构,该控制结构采用内回路姿态角阻尼增稳,外回路位置控制的控制方式;并且针对增稳回路自适应性、抗风补偿和位置控制精度等问题,分别采用前馈自动配平机制与非线性PID控制方法对常规控制律进行改进;仿真验证表明,所提出的控制策略和控制律设计结果达到了较好的控制效果。     

平台上的无人直升机非线性预测姿态控制

针对在平台上的无人直升机姿态控制,设计了1个非线性预测姿态控制器,该预测控制器具有解析解不需要在线优化,通过查表的方式可以方便地得到满足设计要求的控制器参数。讨论了当输入饱和时的处理方法,通过仿真比较了当输入出现饱和时剪切法和方向保持法对系统性能的影响。最后,将非线性预测控制器和PID控制器的进行了比较,仿真结果说明采用该控制器系统响应比PID控制快,并且可以去除通道耦合引起的过大的超调量。     

无人直升机自动起飞控制技术研究

以无人直升机起飞段非线性模型为对象,研究了自动起飞控制技术方案,以空中定点控制方案为起点根据控制仿真结果对系统进行改进控制,分别加入线加速度反馈和直接力反馈,达到较好的无人直升机自动起飞控制要求.     

基于2点RANSAC的无人直升机单目视觉SLAM

1点随机抽样一致性(RANSAC)算法是一种准确度高、计算量小的数据关联算法,但是其在摄像机多个轴上的角速度都快速变化时会失效,用在以无人直升机为载体的单目视觉同步定位与地图构建(SLAM)上存在滤波发散的风险.针对该问题,提出2点RANSAC算法,结合EKF运动模型的先验信息,用只抽样2个匹配点的RANSAC去除野点.在微小型无人直升机平台上进行了基于2点RANSAC算法的单目视觉SLAM实验,实验结果表明2点RANSAC算法工作可靠,SLAM的位姿估计精度可以达到自主飞行需要.     

小型无人驾驶直升机动力学模型辨识仿真研究

获得足够精确的动力学模型．对于小型无人驾驶直升机这种MIMO控制系统研究具有重要的意义。文中研究了直升机模型辨识方法,将子空间辨识算法运用于直升机动力学模型的辨识,并对模型直升机的垂直——偏航耦舍运动方程进行了辨识,得到了较为精确的结果,通过和PEM算法进行比较,显示该算法适合模型直升机系统辨识。     

基于最小二乘与自适应免疫遗传算法的小型无人直升机系统辨识

针对小型无人直升机不稳定、强耦合、非线性的特点,建立了小型无人直升机悬停状态下飞行动力学模型.设计了一种基于最小二乘与自适应免疫遗传算法(LS-AIGA)的辨识算法,根据辨识实验的需要研制了机载微小型导航、制导与控制系统(MGNC).利用飞行实验数据,根据本文的辨识算法,对所建立模型中未知参数进行了辨识.最后对得到的模型进行了验证与分析,结果表明模型辨识数据与真实飞行实验数据匹配较好,所建立模型能够反映小型无人直升机动力学特性.     

基于SVM的小型无人直升机飞行稳定性研究

针对无人直升机控制中的滞后问题,文章提出了一种解决方法:先提取控制信号的特征值,然后利用特征值对无人机的进行判断,控制系统可以根据判断结果提前纠正系统的控制偏差。由于直升机飞行失败的样本极少,在稳定判断中引入了一个新的模式识别方法—支持向量机。支持向量机基于结构风险最小化原则,解决了小样本数据分类和泛化问题。文中在对支持向量分类机的原理进行了简单的介绍后,利用支持向量机和神经网络对直升机的飞行数据进行了分类,试验结果表明支持向量机具有较好的分类效果。     

微型直升机自主飞行辅助视觉系统研究

为了实现微型直升机自主飞行,论文设计了实时的计算机视觉系统。该系统包括机载上的硬件设备和软件算法,能够实现目标识别、特征点提取和位置估计。文中设计了特定图标,并主要依据颜色来进行快速识别。此外,通过检测4个共面的图像特征点,能够在单目单帧的基础上计算出直升机相对于特定目标的三维位置信息。视觉系统任务由位于机载上的IntelSitsang板来执行。由于受到板子运算能力的限制,每秒钟可以处理5帧160×120的彩色图像。飞行实验结果表明,该视觉系统的目标识别率高达93%,角点计算偏差小于3个像素,同时自身定位的三维位置坐标平均偏差为8cm、13cm和6cm。因此,该视觉系统通过精确自身定位,能够很好的辅助微型直升机完成自主悬停、起飞和降落等飞行任务。     

无人直升机实时机载和地面站软件架构设计

研究了无人直升机飞行控制系统实时软件系统设计架构,针对机载嵌入式飞控计算机系统和地面站计算机系统,提出了基于VxWorks实时操作系统的多线程任务机载软件设计方案和基于WindowsXP操作系统的地面站软件设计方案,有助于加快完成无人直升机飞行控制系统的设计和验证。机载系统软件设计为数据采集和测量、伺服舵机驱动、飞行控制与发动机控制实现、通信和数据请求存储等功能。地面站系统软件设计为与机载系统的数据通信、终端用户操控,以及实时飞行状态监视等功能。利用组件对象模型设计技术实现了系统软件设计的模块化、软件结构分层组件化,方便了软件系统的集成与扩展。采用多任务线程机制,有效地满足了飞行控制系统实时性要求。利用实时操作系统的定时器任务机制,确保飞行模式的任务管理和调度。依据所提出的软件设计架构完成了实时机载软件和地面站软件组件模块的设计与开发,而且软件集成快捷方便。研究成果已成功应用于某型无人直升机飞行控制系统。