[发明专利]基于非奇异快速终端滑模的四旋翼无人机视觉伺服控制方法

说明书

本发明涉及飞行机器人控制技术领域，提供一种基于NFTSM的四旋翼无人机视觉伺服控制方法，实现在室内无GPS信号环境下，依靠机载相机和惯性测量元件实现对四旋翼无人机的飞行控制。本发明采用的技术方案是：基于NFTSM的四旋翼无人机视觉伺服控制方法，其包括如下步骤：利用安装在四旋翼无人机底部的摄像头采集图像信息，利用惯性测量元件获取无人机的姿态角及角速度信息；使用透视投影的方法来提取地面目标的特征点，来选取适当的图像特征；根据图像特征分别设计四旋翼飞行器的位置及姿态控制器，实现四旋翼无人机的自主飞行控制；仿真及实验验证。本发明实现了无人机在GPS信号缺失的环境下实现自主、精确飞行控制的目的。

技术领域

本发明涉及飞行机器人控制技术领域，尤其涉及一种在GPS信号缺失环境下基于NFTSM 的四旋翼无人机视觉伺服控制方法。

背景技术

无人机(UAV)具有许多优点和广泛的应用，它在搜索、救援、监视、航拍、远程遥感等领域已得到广泛应用。与有人驾驶的飞行器和固定翼无人机相比，四旋翼无人机由于体型小、可垂直起降、机动灵敏等特点，使针对狭窄空间的搜索成为可能，并且在室内进行飞行测试更加方便；此外其以电池替代燃料驱动，即使发生碰撞也不会对人类造成严重威胁，安全性得到大幅提升。近年来，四旋翼无人机因体型小、造价低、易操作、易维护和适用于严峻环境等特点，已逐步成为无人机研究的热点。它在各个方面都得到了广泛的研究。

随着四旋翼的应用日益增多，研究人员通过开发新的控制方法和设计先进的传感器来提高其性能。目前，室外自主飞行器普遍采用GPS系统实现定位，然而GPS信号强弱问题大大影响定位精度，尤其是在室内、洞穴以及建筑物繁多的城市等GPS较弱甚至失效的环境中，需要一个可靠的方法来控制飞行器自主飞行，因此视觉传感器受到了研究人员的青睐。视觉伺服是近年来无人机研究的热点之一，主要针对四旋翼的视觉技术，包括状态估计，同时定位与地图构建(SLAM)，自动着陆，自主避障等。这些技术都是以机载摄像机为主要传感器进行测量和控制的。在机载处理信息的情况下，视觉伺服可以被应用到独立且GPS失效的环境中，视觉伺服通过摄像头获取视觉信息控制飞行器运动，摄像头不仅具有重量轻、体积小、无源、低功耗等特点，而且能够提供位置及速度信息的高分辨率数据。因此，四旋翼的视觉伺服可以实现室内环境和较大开阔空间内的自主飞行。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种基于NFTSM(非奇异快速终端滑模,Nonsingular Fast Terminal Sliding Mode)的四旋翼室内导航方法，实现在室内无GPS信号环境下，依靠机载相机和惯性测量元件实现对四旋翼无人机的飞行控制。

本发明采用的技术方案是这样实现的：

一种基于NFTSM的四旋翼无人机视觉伺服控制方法，其包括如下步骤：

S1、利用安装在四旋翼无人机底部的摄像头采集图像信息，利用惯性测量单元获取无人机的姿态角φ,θ, 及角速度信息；

S2、使用透视投影的方法来提取地面目标的特征点，通过选取图像特征，并重新构建一个虚拟图像平面，来导出所述图像特征的视觉动态；选取用来控制位移运动的图像特征q为：

q＝[q_x q_y q_z]^T，

其中，符号T表示矩阵转置,v表示虚拟图像平面，(^vu_g,^vn_g)表示虚拟图像平面v中N个图像特征点(^vu_k,^vn_k),k∈{1:N}形成的凸状图像的形心坐标， a表示虚拟图像平面v中N个图像特征点(^vu_k,^vn_k)形成的凸状图像的面积，a_d是a的期望值,λ为摄像头的焦距；