【摘 要】四旋翼飛行器作為一種新型的飛行器近幾年開始流行了起來，它結(jié)構(gòu)簡單，造價低廉，可擴展性強，有很大的研究價值。本文簡單的介紹了四旋翼飛行器中實現(xiàn)定位的方法，以及現(xiàn)有的定位技術。

【關鍵詞】四旋翼飛行器 定位 IMU GPS 光流 UWB

一、引言

四旋翼飛行器具有機械結(jié)構(gòu)簡單、運動靈活、姿態(tài)多樣、可擴展性好和易維護等優(yōu)點，因而其在勘探、測繪、救援、航拍等領域扮演越來越重要的角色。而這些領域無一不要求相當?shù)木_度、可靠性和自主性，這些都對飛行器的控制系統(tǒng)提出了苛刻的要求。系統(tǒng)中的傳感器給控制系統(tǒng)提供各種參數(shù)，控制系統(tǒng)處理這些參數(shù)后改變電機轉(zhuǎn)速從而改變飛行器的飛行姿態(tài)。常規(guī)四旋翼平臺搭載的實現(xiàn)自主定位導航的傳感器是GPS模塊，辨識方向的是羅盤模塊，進行飛行控制的是慣性測量模塊（IMU），用于測量高度的是壓力傳感器，另有超聲波測距儀、激光測距儀等傳感器用于探測航路中的障礙物進而在飛行中動態(tài)避障。機器視覺系統(tǒng)是一套通過圖像攝取裝置將被攝取目標轉(zhuǎn)換成圖像信號，通過專用的圖像處理系統(tǒng)，將像素分布及顏色、亮度等信息轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號傳送給圖像處理系統(tǒng)進行各種運算來抽取目標的特征，進而根據(jù)判別的結(jié)果來控制設備動作的一套系統(tǒng)。機器視覺具有被動性和輕量化的特性，同時可依靠單一傳感器實現(xiàn)大量信息的采集和處理，在四旋翼飛行器這一對精度要求很高、數(shù)據(jù)量大、但空間有限的平臺上的應用有十分廣闊的前景。光流傳感器便是一種可以實現(xiàn)機器視覺的簡單裝置，主要由一個裝載在機身上的低像素攝像頭組成，它與IMU及飛行控制計算機等配合，對攝像頭所得圖像進行實時計算和解讀，還原出當前所處的三位動態(tài)結(jié)構(gòu)圖。

本文重點探究基于機載小型GPS模塊及光流傳感器的四旋翼飛行器精確定位運動及其應用展望。

二、GPS定位系統(tǒng)

GPS模塊是實現(xiàn)四旋翼飛行器定位和導航的首選，搭建平臺時可利用GPS模塊測定飛行器所在位置的經(jīng)緯度坐標信息，并利用高度計和超聲波傳感器結(jié)合進行飛行高度的測定，同時用IMU模塊（三維陀螺儀和加速度計）在GPS導航模塊的支持下實現(xiàn)四旋翼飛行器的慣性導航自主飛行。

運作時向機載單片機輸入一系列點的GPS坐標，同時通過機載GPS系統(tǒng)得到當前載體的定位數(shù)據(jù)，并與存儲的定位坐標做實時比對，由機載飛行控制計算機計算生成對應最優(yōu)航線，并根據(jù)IMU模塊及高度計、超聲波傳感器得到的數(shù)據(jù)實時修正航線，同時將定位坐標實時發(fā)回地面站，由地面計算機處理并顯示當前位置、線路及飛行狀態(tài)。

三、光流技術

一般而言，光流是由于場景中前景目標本身的移動、相機的運動，或者兩者的共同運動所產(chǎn)生的，當人的眼睛觀察運動物體時，物體的景象在人眼的視網(wǎng)膜上形成一系列連續(xù)變化的圖像，這一系列連續(xù)變化的信息不斷“流過”視網(wǎng)膜（成像平面），像一種光的“流”，故稱之為光流。光流表達了圖像的變化，由于它包含了目標物體運動的信息，因此可被觀察者用以確定目標的運動情況。

光流的概念由Gibson在1950年提出，指空間運動中的物體在觀察成像平面上的像素運動的瞬時速度，光流技術就是利用圖像序列中像素在時間域上的變化及相鄰幀之間的相關性來找到上一幀與當前幀之間存在的對應關系，從而計算出相鄰幀之間物體的運動信息的一種方法。研究光流場的目的就是從圖片序列中近似得到不能直接得到的運動場。其中運動場可理解為物體在三維真實世界中的運動，光流場是運動場在二維圖像平面（人眼或者攝像頭）的投影。

從生物學中昆蟲飛行時將光流用于3D飛行控制的行為得到啟發(fā)，光流技術被應用在了飛行器的動態(tài)定位和導航中。四旋翼飛行器搭載的光流傳感器所利用的攝像頭有分辨率低、幀率高的特點，可以實現(xiàn)較快的數(shù)據(jù)處理與更新。利用光流傳感器對捕捉的圖像進行分析，實時獲取飛行器自身位置及運動情況，并將測得數(shù)據(jù)信息實時傳輸回地面站PC機分析處理。

為計算出物體的運動信息，如今已發(fā)展出了很多確定當前時刻下一幀的被測物位置的光流計算方法。由二維速度場與灰度的聯(lián)系，引入光流約束方程，可得到光流計算的基本算法，接下來基于不同的理論基礎，各種光流計算方法被創(chuàng)造出來，如今利用OpenCV庫代碼向單片機系統(tǒng)的移植可以比較容易地實現(xiàn)所需的光流計算。

四、空間定位技術

在室內(nèi)不具備室外的開擴環(huán)境，因此定位也出現(xiàn)了許多困難。人們通常使用電磁波進行定位，常見的定位方式有時差定位技術、信號到達角度測量技術、到達時間定位和到達時間差定位等。近年來隨著科技的發(fā)展又產(chǎn)生了UWB定位技術，它的頻帶從3.1GHz到10.6GHz，如此高的頻率非常適合于短距離快速通訊，非常適合室內(nèi)這種環(huán)境。在接收到精確的位置以及物體分布后便可在狹窄的室內(nèi)計算出導航路線。這種探測方式在一定程度上彌補了光流傳感器不能提前預知周圍環(huán)境的不足，與光流傳感器相互糾錯可將錯誤率降低，也進一步保證了室內(nèi)的安全。

五、應用及市場

四旋翼飛行器的輕量、靈活、操作靈敏的特性決定了其在物品短距離遞送中的應用前景十分廣闊，尤其是一些特殊場景下滿足特殊要求的遞送業(yè)務中，四旋翼飛行器的角色將很難替代。如今市場上已經(jīng)出現(xiàn)了四旋翼飛行器用于快遞蛋糕、書籍等服務的嘗試，而其價值可以在一些有特別需求的行業(yè)中利用本文所述的精確定位運動技術得以體現(xiàn)，如飲料精準遞送、寫字樓室內(nèi)精確快遞等領域的需求一旦被發(fā)掘，其市場潛力將會十分巨大。

六、總結(jié)

為實現(xiàn)四旋翼飛行器的精確定位及導航運動，機身需搭載的傳感器除了常規(guī)的IMU模塊（陀螺儀和加速度計）、高度計和GPS模塊以外，還可以使用光流傳感器、超聲波探測器等模塊提高測量精度。其中光流傳感器可以利用圖像匹配在修正路徑、保持懸停等動作中起到重要作用，還可以在GPS信號不可用等情況下實現(xiàn)精確定位導航；超聲波探測器在機身高度測量中普遍可以提供高于普通高度計的測量精度，為后續(xù)基于載體空間位置信息的路經(jīng)計算、姿態(tài)調(diào)整等過程提供更加精確和可靠的數(shù)據(jù)。

參考文獻：

[1]張曉東：《可量測影像與GPS/IMU融合高精度定位定姿方法研究》：《解放軍信息工程大學》 2013年

[2]王波：《淺談UWB定位技術》：《中國新技術新產(chǎn)品》 2011年23期