基于视觉导航的无人机位姿控制与自主返航技术-信息与通信工程专业论文.docx

万方数据 万方数据 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文《基于视觉导航的无人机位姿 控制与自主返航技术》，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要 贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本 声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密□，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密□。 （请在以上方框内打“√”） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 上海交通大学硕士学位论文 上海交通大学硕士学位论文 基于视觉导航的无人机位姿控制与自主返航技术 摘 要 近年来，旋翼无人机因其优秀的机动性能在各个领域的应用都受 到了高度重视。为了使操控更便利、控制更精准，根据视觉信息对无 人机进行位置姿态控制一直是研究热点。自主返航也是无人机的一个 重要功能，目前多旋翼无人机产品的飞控系统大多提供基于卫星导航 信号的一键返航功能，但是在某些复杂环境中卫星导航信号并不可靠。 本文的研究目的就是基于视觉信息对旋翼无人机的位置姿态进行精确 控制，并实现自主返航功能。 首先，本文根据无人机底部垂直向下的摄像头图像的光流与惯导 器件融合得到的无人机估算速度，引入速度控制器以改善无人机位姿 控制的效果。四旋翼机飞行实验证明提出的控制算法能更好地实现基 于地标物的定点悬停、自主循迹，同时对速度信息进行积分可以得到 比较准确的无人机的相对位移。 在此基础之上，本文利用无人机前部摄像头实现自主返航功能。 根据计算机视觉多视角几何理论，对相机当前图像与关键帧进行匹配 可以解算两个视角的三维变换关系，从而控制无人机逼近关键帧位置 并悬停。本文提出的鲁棒的自主返航技术方案结合了估算速度导航与 图像匹配悬停：在去程中，无人机每隔一定距离记录一次位移信息、 偏航角与图像关键帧；在回程时，无人机先根据位移信息到达关键帧 附近，然后通过图像匹配纠正误差，对下一帧重复这两歩直到回到起 点。仿真实验证明本文所述方法能实现自主返航功能，且可以应对复 杂的路径与偏航角改变的情况。 关键词： 旋翼无人机，计算机视觉，自主返航 I VISON-BASED POSE CONTROL AND AUTONOMOUS RETURN FOR AN UNMANNED AERIAL VEHICLE ABSTRACT In recent years, rotor unmanned aerial vehicles (UAVs) have been highly valued in many fields because of their excellent maneuverability. To help manipulate the UAV more conveniently and control it more precisely, vision-based position and attitude control is always a hot research topic. Autonomous return is an important function for UAVs. This function is usually provided by the control system on many products based on satellite navigation signals, which are not reliable in complex environments. The purpose of this study is to control the pose of a UAV precisely and to propose an autonomous return approach based on vision. Firstly, this paper introduces a velocity controller to help improve the control accuracy of the UAV’s position and attitude, after the velocity is est