[发明专利]基于光流的四旋翼无人机飞行控制方法

权利要求书

1.一种基于光流的四旋翼无人机飞行控制方法，其特征在于，包括如下步骤： 

1）利用基于图像金字塔的卢卡斯·卡纳德方法进行光流信息的计算； 

2）采用卡尔曼滤波方法处理光流信息； 

3）进行光流和姿态角两者数据融合，以及无人机水平位移的计算； 

4）设计比例-微分控制器，包括： 

（1）确定四旋翼无人机动力学模型，和（2）进行控制算法设计。 

2.根据权利要求1所述的基于光流的四旋翼无人机飞行控制方法，其特征在于，步骤1）所述的基于图像金字塔的卢卡斯·卡纳德方法来完成光流的计算是： 

金字塔的每一层都会得到一个从上一层传递过来的运动估计假设，用于本层光流的计算，用L_m表示金字塔的最高层层数，g^*表示图像金字塔第*层的运动估计假设，包含和两个分量，和分别表示图像金字塔第*层在x方向和y方向上的运动估计假设，I^*(x,y)表示图像金字塔第*层图像平面坐标为x和y处的亮度，d^*表示图像金字塔第*层的光流量，包含和两个分量，和分别表示图像金字塔第*层在x方向和y方向的光流量，d表示最终光流计算结果； 

在第L_m层，初始运动估计假设设为零，即根据基于亮度恒定假设： 

并利用卢卡斯·卡纳德方法算出本层的光流量传递到第L_m-1层的运动估计假设为然后同样根据亮度恒定假设： 

并利用卢卡斯·卡纳德方法计算本层光流d^Lm-1，其他层的计算方法以此类推。在计算出图像金字塔最底层的光流d⁰后，最终光流计算结果： 

3.根据权利要求1所述的基于光流的四旋翼无人机飞行控制方法，其特征在于，步骤2）所述的采用卡尔曼滤波方法处理光流信息是采用卡尔曼滤波器的离散时间过程方程和测量方程： 

X_k=AX_k-1+ω_k-1

Z_k=d=HX_k+υ_k

其中，是k时刻系统状态向量，即为光流估计向量，d_x和d_y分别表示在x方向和y方向上光流的估计值；是k-1时刻系统状态向量，Z_k∈R²是k时刻系统观测向量，d是通过步骤1）中光流信息计算得到的数据结果，即光流的原始数据，随机信号ω_k-1和υ_k分别表示k-1时刻过程激励噪声和k时刻观测噪声，它们是相互独立且为正态分布的，A∈R^2×2和H∈R^2×2是单位矩阵。 

4.根据权利要求1所述的基于光流的四旋翼无人机飞行控制方法，其特征在于，步骤3）所述的光流和姿态角两者数据融合采用如下公式， 

其中，d_xp和d_yp分别是x和y方向的光流水平分量，d_x和d_y分别是在x和y方向经过步骤2）中卡尔曼滤波处理的总测量光流，d_roll和d_pitch分别是x和y方向的光流旋转分量，Δφ是两帧图像之间滚转角变化量，R_x是x方向的摄像头分辨率，α是x方向的视野，Δθ，R_y和β分别是在y方向的俯仰角变化量、摄像头分辨率和视野。 

5.根据权利要求1所述的基于光流的四旋翼无人机飞行控制方法，其特征在于，步骤3）所述的无人机水平位移的计算根据针孔相机模型采用如下公式， 

其中，ΔX和ΔY分别表示在两帧图像之间其x方向和y方向飞机实际水平位移增量，d_xp和d_yp分别表示由光流和姿态角两者数据融合计算得到光流水平分量，s表示关于摄像头的图像比例常数，f表示摄像头的焦距，h表示摄像头光心到地面的距离。