[01325603]基于数据融合技术的四旋翼飞行器悬停控制研究

四旋翼飞行器是一种能够垂直起降的多旋翼式飞行器,具有可悬停、机动性好、结构简单等多种优点,无论是在军事领域还是在民用领域都有着广阔的应用前景。飞行器执行飞行任务可以通过人工遥控航飞,也可以进行自主导航飞行,无论是哪种飞行模式,进行飞行控制的首要前提是快速准确地获取四旋翼飞行器的姿态信息,包括横滚角、俯仰角、偏航角,这些数据的监测由各类传感器来完成。飞行器定点悬停状态的稳定性在执行侦查、拍摄、地质勘测、军事进攻等任务中决定了飞行器完成某些任务的质量。 针对四旋翼飞行器定点悬停控制不稳定,硬件组成复杂的问题,在研究中提出一种基于双光流传感器并结合Harris角点检测算法控制四旋翼飞行器定点悬停的方法。该方法采用两个型号相同的光流传感器水平置于飞行器下方,由双光流传感器作为图像信息采集系统,将Harris角点检测算法应用到采集的图像信息中,计算两图像信息重叠区域,从而确定四旋翼飞行器的高度,选择其中一个光流传感器根据参考角点获取水平位置信息,最后采用PID控制算法以达到精确的定点悬停控制的目的。实验结果表明：该方法能够有效的提高四旋翼飞行器的稳定性,简化系统的硬件结构,符合实际需求。 研究过程中涉及的关键技术： （1）光流传感器与检点检测算法的融合计算飞行器高度。 光流法检测运动物体的基本原理是：给图像中的每一个像素点赋予一个速度矢量,这就形成了一个图像运动场,在运动的一个特定时刻,图像上的点与三维物体上的点一一对应,根据各个像素点的速度矢量特征,可以对图像进行动态分析。如果图像中没有运动物体或光流传感器的载体静止,则光流矢量在整个图像区域是连续变化的。当目标和图像背景存在相对运动时,运动物体所形成的速度矢量必然和邻域背景速度矢量不同,说明图像中存在运动物体或传感器载体发生运动,从而检测出运动物体或传感器载体的位置。Harris算子的检测窗口是沿任意方向移动来计算检测点灰度变化,其计算由信号的局部自相关函数度量信号的局部变化,角点检测算法原理：如果某一点向任意的方向移动对应窗口w一个微小偏移,都会引起灰度的剧烈变化,则说明该点是角点。因此,采用双光流传感器,将两个同型号的光流传感器水平置于飞行器下方,当光流传感器距地面的高度发生变化时,两光流传感器采集的图像信息的重合部分也会发生变化,在光流传感器采集到地面图像信息之后,采用Harris角点检测算法提取出两传感器输出图像信息的重合部分的信息,再结合传感器之间的距离、广角及重合部分占光流传感器成像范围的比例计算出飞行器的高度信息。 （2）悬停在高度与水平方向的控制方法。 飞行器高度的数学计算过程通过将图像重合区域与世界坐标联系起来,在图像内建立一个参考坐标。对飞行高度的计算过程如下：两个光流传感器在高度至少为h0时开始有重叠区域,随着高度增加,重叠区域也会随之增大。从两光流传感器获取的图像有重叠区域开始,当高度再增加h0时,重叠区域x方向宽度为m0,并选择此处的m0宽度作为一个参考值。飞行器高度的测定中重叠区域宽度m由光流传感器采集到图像信息之后,将其转化成相应的矩阵后,采用Harris角检测算子进行角点匹配,优化后得到。Ransac算法经常用于计算机视觉中,在立体视觉领域中同时解决一对相机的匹配点问题及基本矩阵的计算。Ransac算法认为只需要搜索M组抽样,当M足够大,就可以在一定置信概率下保证这M组抽样中至少有一组不包含outliers（外点,即伪匹配点对）;用这M组抽样分别估计模型参数,根据评选标准,找出最优模型参数,则可认为最优模型参数对应的抽样数据不包含outliers;最后,利用找出的最优模型参数作为假设模型,根据一定规则对其它数据进行筛选,找出与该模型参数相符合的所有数据（inliers,内点,级精确匹配点对）,并用这些数据估计最终模型参数。 四旋翼飞行器是一种小型的轻旋翼飞行器,布局新颖,结构紧凑。飞行器通过调整电机的转速来控制螺旋桨的转速,实现了飞行器的垂直起降,自由悬停,适速飞行等功能。由于飞行器体积小,质量轻,灵活性好,常用来执行侦查、拍摄、地质勘测、军事进攻等任务,在军事、民用领域得到了广泛的应用。飞行器定点悬停状态的稳定性决定了飞行器完成某些任务的质量。