[发明专利]基于光流的四旋翼无人机飞行控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种四旋翼无人机飞行控制方法。特别是涉及一种对室内室外环境均有很强适应能力、在微小型至小型四旋翼无人机上均可应用的基于光流的四旋翼无人机飞行控制方法。

背景技术

随着传感器技术、新材料技术和微处理器技术的发展，四旋翼无人机逐渐成为无人机研究领域中的一个热点。它具有成本低、安全性强、质量轻、体积小、灵活机动等特点，在军事领域和民用领域都有着广泛的应用。其在室内环境中可用于矿井或大型建筑物内的侦查，危险密闭环境下的搜索和营救等，在室外环境中可用于监视巡查交通状况和桥梁、堤坝、输电线等基础设施状况，或军事侦察等。

受昆虫视觉系统启发，基于光流的四旋翼无人机飞行控制方法逐渐受到研究人员的关注。研究表明，飞行昆虫可以利用光流在复杂的自然环境中敏捷地运动，例如躲避障碍物，沿走廊飞行，巡航，着落。光流是图像亮度模式的一种表观运动。当摄像机与场景目标之间存在相对运动时，所观察到的亮度模式运动称为光流，或者将物体带有光学特征部位的移动投影到视网膜平面（图像平面）上就形成光流（出版社：人民邮电出版社；著者：章毓晋；出版年月：2011年；书籍名称：计算机视觉教程）。光流表达了图像的变化，包含了运动的信息，而且携带了有关场景三维结构的大量信息。

无人机能否实时感知自身的位置信息和速度信息对其实现自主飞行非常重要。相较于其他四旋翼无人机传感器方法——GPS、激光雷达、声纳、单目视觉和双目视觉，光流法对于四旋翼无人机的控制有其独特的优势。其一，在近地复杂环境中GPS信号几乎不可获取，特别是在室内环境中几乎没有GPS信号，而光流法可以同时适用于室内环境与室外环境；其二，激光雷达和声纳在原理上都是通过主动发射脉冲和接收反射脉冲来进行测距，多架无人机一起工作时相互之间会产生干扰，而光流法为被动的视觉定位方法，多机工作时信号无干扰；其三，一般单目视觉需要地面标识，适用于已知环境，而光流法不受标识限制，在未知环境中也可应用；其四，四旋翼无人机体积较小，限制了两个光学传感器之间的距离，立体视觉能力因此受限，而受生物启发基于光流的定位计算方法，由于仅使用一个摄像头或光流传感器，因而具有体积小、重量轻等优势，非常适合应用于四旋翼无人机系统；其五，光流法所需设备价格较低。

最近几年，一些国内外高校和研究机构开始尝试利用光流法对四旋翼无人机进行飞行控制，并取得了一些初步成果。这些研究大体上可以分为两类：利用光流传感器获取光流信息进行控制（会议：IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems；著者：H.Lim,H.Lee and H.Jin Kim；出版年月：2012年；文章题目：Onboard Flight Control of a Micro Quadrotor Using Single Strapdown Optical Flow Sensor；页码：495-500）（会议：the31st Chinese Control Conference；著者：Y.Bai,H.Liu,Z.Shi,and Y.Zhong；出版年月：2012年；文章题目：Robust Control of Quadrotor Unmanned Air Vehicles；页码：4462-4467）和利用摄像头获取图像计算光流信息进行控制（期刊：Robotics and Autonomous Systems；著者：F.Kendoula,I.Fantoni,and K.Nonami；出版年月：2009年；文章题目：Optical flow-based vision system for autonomous 3D localization and control of small aerial vehicles；页码：591-602）（会议：IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems；著者：B.Herisse,T.Hamel,F-X.Russotto,and R.Mahony；出版年月：2008年；文章题目：Hovering Flight and Vertical Landing Control of a VTOL Unmanned Aerial Vehicle Using Optical Flow；页码：801-806）。前者相对于后者的优势在于其更为出色的机载图像处理能力，但是从应用场合和应用扩展能力来看后者具有更大的优势：其一，利用光流传感器的控制方法由于传感器本身的限制，只适用于低空飞行（4米以下），并且对光照条件有较为严格的要求（荧光灯的频闪效应对传感器正常工作有较强影响）；其二，利用光流传感器的控制方法不可对其光流计算方法进行修改或扩展，极大地限制了应用的灵活性。