四轴飞行器视觉组合导航系统设计与实现

为实现四轴飞行器的自主飞行,设计了该视觉导航系统;采用基于ARM处理器的飞行控制器和导航控制器的双CPU结构,提高了系统的运行速度;飞行控制部分采用四元数解算姿态,运用经典的PID控制设计了X、Y、Z三个轴的PID控制器进行整个系统的飞行控制;导航部分采用不敏卡尔曼滤波(UKF)融合惯导位置和视觉位置,从而给出载体最优位置,提高导航精度;实验结果表明,基于图像和惯性导航的视觉组合导航方式可使导航精度保持在0.5m内,同时整个系统具有较好的快速性和稳定性。     

四轴飞行器姿态控制系统设计

四轴飞行器具有不稳定、非线性、强耦合等特性,姿态控制是四轴飞行器飞行控制系统的核心;通过分析四轴飞行器的飞行原理,根据其数学模型和系统的功能要求,设计了四轴飞行器的姿态控制系统;该系统采用stm32系列32位处理器作为主控制器,使用ADIS16355惯性测量单元等传感器用于姿态信息检测;系统基于模块化设计的思想,各传感器都使用数字接口进行数据交换,结构简单;使用PID控制算法进行姿态角的闭环控制,实验结果表明,飞行器能较好的稳定在实验平台上,系统满足四轴飞行器室内飞行姿态控制的要求.     

基于卡尔曼滤波的四轴飞行器成像、惯性和高度组合导航

为了提高四轴飞行器在非结构化、室内和GPS失效环境下的导航精度,本文提出一种用于四轴飞行器的成像、惯性和高度组合导航。首先对四轴飞行器搭载的摄像机进行了标定,获取了摄像机的内外参数。其次设计了着陆标志为标准参照物,以及着陆标志识别方案。再利用卡尔曼滤波器融合视觉、惯性测量系统和超声波测距仪的数据,通过相似三角形定理估计飞行器的相对高度,利用视觉测程法估计飞行器位置和位移速度。最后验证组合导航的有效性,用成像、惯性与高度组合导航实验平台依次进行了相对高度估计实验、平移速度和相对位置估计实验,实验测试表明:在高度估计实验中,组合导航能够很好的描述四轴飞行器的飞行高度估计;在平移速度估计实验中,卡尔曼滤波器估计的速度估计值很平滑;相对位置估计实验中,四轴飞行器的x方向位置保持在原点附近,y方向位置保持在-1.0 m附近,高度位置的最大误差在0.3 m之内。     

四轴飞行器姿态控制系统设计

由于四轴飞行器系统具有不稳定、非线性、强耦合等特性,所以姿态控制在飞行器完成飞行任务的过程中尤为 重要。本文着重对飞行器姿态控制算法进行研究。首先对飞行器建立合理的坐标系,根据角度传感器所测得的角度,得到以 四元数表示的姿态转换矩阵。根据空气动力学原理,牛顿第二定律,对飞行器建立动力学模型,得到四个独立通道的控制输入 量,该控制输入量可以通过控制四轴飞行器各个方向的加速度来对飞行器进行姿态控制。     

四轴飞行器仿真系统设计

本文设计了一种四轴飞行器仿真系统,介绍了系统的总体结构,并重点介绍了其中的三个构成模块。本文设计的仿真系统采用模块化的思想,结构清晰,对其他四轴飞行器相关研究有一定的借鉴意义。     

基于机器视觉的四轴飞行器自主巡航算法改进

为了自主监测农业区域作物灾害发展情况,本文融合机器视觉和图像处理技术,在四轴飞行器上采用最新机器视觉模块,结合PID控制算法,进行自主巡航算法的优化与系统实现。经测试,本四轴飞行器利用定点采样,具有自动记录飞行轨迹、重复低空巡航等功能。     

一种四轴飞行器单目视觉测距算法

为解决四轴飞行器在执行目标检测与跟踪任务时无法判断机身与障碍物或跟踪目标之间安全距离问题,提出一种四轴飞行器单目视觉测距算法,算法融合基于帧间差分技术的水平测距模型与基于小孔成像的垂直测距模型.首先,算法可利用基于YOLOV4-Tiny的目标检测算法识别视频帧中的物体类别,并可在视频帧中框选出被测物体,依据现场环境选择最佳的测距方法进行测距;其次,系统终端执行测距方法,基于被测物体的视频帧成像位置与设定参数之间的差值控制四轴飞行器飞行,并记录飞行数据;最后,通过测距模型对飞行数据进行处理,计算出四轴飞行器在初始位置和最终位置与被测物体之间的距离.通过在特洛(Tello)飞行器平台上的实际飞行验证,实验结果表明所提出的四轴飞行器单目视觉测距算法可以有效分析出视频帧中各物体的景深,测距误差百分比均值为4.07%.在四轴飞行器与障碍物或跟踪目标之间距离较近,却无法评估此距离是否处于安全距离时,所提出的算法可为搭载单目摄像头的四轴飞行器提供可靠的测距技术支持.     

WiFi环境下的微型四轴飞行器系统设计

为改善传统四轴飞行器体积大、不便于携带、航模遥控器操作复杂等问题,从易用性的角度出发,提出了基于WiFi控制的微型四轴飞行器设计方案.系统以STM32处理器为核心,MPU6050、HMC5883组成惯性测量单元测量飞行器姿态,上位机通过WiFi与飞行控制器进行数据交互;并引入RT-Thread嵌入式实时操作系统,以满足飞行姿态控制的实时性要求.经实验测试,飞行器能在较短时间内对上位机的操作指令进行响应,并按照指定操作稳定飞行,系统基本完成预期目标.     

基于K60的四轴飞行器环境信息采集系统设计

为能全面实时地采集环境信息数据,设计了四轴飞行器环境信息采集系统。本设计采用Freescale K60微控制器作为主控芯片,MPU6050惯性测量传感器和AK8975三轴磁罗盘作为惯性导航单元,使用PID控制算法并以PWM方式驱动三相无刷电机,从而控制四轴飞行器飞行姿态。通过2.4 GHz和5.8 GHz频段将采集到的温/湿度、PM2.5/PM10浓度、摄像头采集图像等信息传输到控制台。经测试,该系统满足不同环境下及时采集数据、有效视频监测的要求,对实际现场监测有一定的应用价值。     

基于Multiwii的开源四轴飞行器

基于Multiwii的开源四轴飞行器是目前主流的开源四轴项目之一。该文介绍了四轴飞行器的概念和特性,对Multiwii四轴飞行器的硬件组成、安装调试以及关键技术做了一定的探讨。实验结果表明,该飞行器能较好地执行飞行任务。     

Visual guided navigation for image retrieval

In this work, we are interested in technologies that will allow users to actively browse and navigate large image databases and to retrieve images through interactive fast browsing and navigation. The development of a browsing/navigation-based image retrieval system has at least two challenges. The first is that the system's graphical user interface (GUI) should intuitively reflect the distribution of the images in the database in order to provide the users with a mental picture of the database content and a sense of orientation during the course of browsing/navigation. The second is that it has to be fast and responsive, and be able to respond to users actions at an interactive speed in order to engage the users. We have developed a method that attempts to address these challenges of a browsing/navigation based image retrieval systems. The unique feature of the method is that we take an integrated approach to the design of the browsing/navigation GUI and the indexing and organization of the images in the database. The GUI is tightly coupled with the algorithms that run in the background. The visual cues of the GUI are logically linked with various parts of the repository (image clusters of various particular visual themes) thus providing intuitive correspondences between the GUI and the database contents. In the backend, the images are organized into a binary tree data structure using a sequential maximal information coding algorithm and each image is indexed by an n-bit binary index thus making response to users’ action very fast. We present experimental results to demonstrate the usefulness of our method both as a pre-filtering tool and for developing browsing/navigation systems for fast image retrieval from large image databases.     

架空输电线路巡线机器人的视觉导航

巡线机器人沿相线行走时必须探测识别和定位各种障碍物,并根据障碍类型规划越障行为。针对220 kV架空输电线路的结构特点,利用视觉传感器,设计了基于结构约束的障碍识别算法,完成了障碍识别和分类。根据障碍物的结构特点,设计了一种自适应多窗口区域立体匹配算法,实现了障碍物的双目视觉定位。模拟线路实验结果表明,算法能可靠地从复杂背景中识别并定位出防振锤、悬垂线夹和耐张线夹等障碍物,满足了巡线机器人导航要求。     

仿生机器人视觉导航研究分析

视觉导航技术是保证机器人自主移动的关键技术之一。为了从整体上把握当前国际上最新的视觉导航研究动态,全面评述了仿生机器人视觉导航技术的研究进展,重点分析了视觉SLAM(Simultaneous Local-ization and Mapping)、闭环探测、视觉返家三个关键问题的研究现状及存在的问题。提出了一个新的视觉SLAM算法框架,给出了待解决的关键理论问题,并对视觉导航技术发展的难点及未来趋势进行了总结。     

果蝇算法和改进D-S证据理论的四轴飞行器障碍辨识

针对四轴飞行器对障碍辨识效果差,精度低的问题,研究了四轴飞行器障碍辨识的方法. 采用超声波传感器、红外测距传感器以及激光雷达传感器的多传感器信息融合的方法, 通过果蝇算法对传感器原始数据证据权进行优化,得到最优权值,按照各个传感器的最优权值,采用改进的D-S证据理论算法对多传感器的数据进行融合, 提高四轴飞行器的障碍辨识精度. 通过分别对单一传感器以及和其他数据融合算法实验对比,研究结果表明: 在相同条件下,本文提出的方法对障碍物的识别准确率更高,对障碍物的响应更加迅速.     

新型的卫星导航信号体制设计

为进一步提高导航信号精度、频带效率及增强导航系统可靠性,提出一种基于低密度奇偶校验(LDPC)码的最小频移键控-二进制偏移载波(MSK-BOC)调制信号体制(LDPC-MSK-BOC)。以Compass和GPS信号典型参数为例,采用功率谱密度、码跟踪误差、多径误差包络、误比特率、解调抗窄带/匹配谱干扰品质因数、码跟踪抗窄带/匹配谱品质因数、谱分离系数等参数来评估二进制偏移载波(BOC)和MSK-BOC两种信号的导航性能。理论分析和仿真结果表明:在频带资源受限的条件下,与BOC信号体制相比,所提出的信号体制在码跟踪精度和抗多径方面有更好的性能;同时可进一步提高系统的可靠性,改善频带利用率。     

Behavior navigation system for harsh environments

Performing general human behavior by experts’ navigation is expected to be realized as wearable technologies and computing systems are further developed. We have proposed and developed the prototype of the advanced behavior navigation system (BNS) using augmented reality technology. Utilizing the BNS, an expert can guide a non-expert to perform a variety of tasks. The BNSs are useful in tasks to be performed in harsh and hazardous environments, such as factories, construction sites, and areas affected by natural disasters (e.g. earthquakes and tsunamis). In this paper, we present a BNS that is specifically designed to operate in harsh environments, with characteristics such as wet or dusty conditions. The implementation, experimental results, and evaluation of the BNS prototypes are presented.     

自适应P值映射的惯性/天文角度组合导航算法

惯性/天文角度组合导航在应用于高动态飞行器时,动态飞行环境变更会导致星光角度观测量发生程度不等的偏差,使得常规组合滤波方法误差显著增大.为此,本文提出了基于P值映射的观测质量自主评估及自适应滤波方法,并应用于惯性/天文角度组合导航系统.该方法根据历年可见导航星情况分解冗余观测子集,再由P值度量其含有观测量偏差的显著性水平.在此基础上,通过遍历每颗导航星所隶属子集得到其观测量质量值,最后对惯性/天文角度组合滤波增益进行自适应调节.仿真结果表明,本文方法能够实现天文高度角观测质量的自主在线评估,有效提高星光观测质量下降情况下惯性/天文角度组合导航的精度和适应性.     

Design decisions for a voice navigation system

Voice navigation systems allow users to interact with computer applications by voice. In this paper we present human factors research that evaluated design alternatives for major user interface components. In the first study we evaluated the appropriateness and discriminability of four sets of icons that were candidates for functions in theVoice Toolbar of the navigation system. In the second study we studied two different ways of organizing and presenting voice commands in theWhat Can I Say window. The key finding was that the alternative organization seemed to improve task performance. The results provided the basis for design recommendations.     

基于模糊逻辑的机器人导航系统研究

由于未知环境下机器人导航容易出现死锁问题,设计了一种基于栅格的地图模型叫“数据栅格”,并在此基础上提出了一种基于行为的导航方法即“安全导航法”。数据栅格记录了周围环境中障碍物信息和机器人路径信息,安全导航法就是应用数据栅格技术来解决未知环境下机器人导航遇到的死锁问题。模糊逻辑用来设计和协调各种导航行为。仿真和实际环境的实验结果也证实了该方法的良好性能。