沈會(huì)龍 杜梅剛 梁東奇

摘 要：隨著我國經(jīng)濟(jì)和科技的不斷發(fā)展，我國在無人機(jī)領(lǐng)域的研究也取得了較大進(jìn)展，無人機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣泛。本文主要介紹了利用視覺導(dǎo)航技術(shù)進(jìn)行無人機(jī)設(shè)計(jì)可以在圓滿完成飛行任務(wù)的同時(shí)降低導(dǎo)航成本，因此應(yīng)用范圍更為廣泛。本文通過對(duì)無人機(jī)視覺導(dǎo)航技術(shù)的介紹以期促進(jìn)我國科技的進(jìn)步。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)；視覺導(dǎo)航；技術(shù)研究

無人機(jī)體積比較小，而且靈活性高，操作比較簡單，安全性比較強(qiáng)，因此可以廣泛應(yīng)用于監(jiān)控、拍攝等領(lǐng)域。隨著視覺導(dǎo)航技術(shù)的不斷發(fā)展，無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展也越來越先進(jìn)，逐漸走進(jìn)人們的日常生活中。我國無人機(jī)也已經(jīng)由傳統(tǒng)的導(dǎo)航精度差、飛行效率低逐漸發(fā)展為工作效率高、安全性能好的新式無人機(jī)。對(duì)無人機(jī)應(yīng)用視覺導(dǎo)航技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像的預(yù)處理，使飛行目的更為清晰，同時(shí)還能提高無人機(jī)的飛行精度以及視頻的清晰度以及穩(wěn)定性，而且新式無人機(jī)實(shí)時(shí)性強(qiáng)，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。

一、無人機(jī)及視覺導(dǎo)航技術(shù)簡介

無人機(jī)本質(zhì)是一種無人駕駛飛行器，其依靠動(dòng)力進(jìn)行飛行，人們通過無線電遙控設(shè)備或者其它程序?qū)ζ溥M(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)其可以利用空氣動(dòng)力進(jìn)行飛行。無人機(jī)可以執(zhí)行許多飛行任務(wù)，而且還可以重復(fù)使用。隨著我國科技水平的不斷提高以及人們生活質(zhì)量不斷提升，無人機(jī)的應(yīng)用范圍也越來越廣泛，無人機(jī)可以執(zhí)行軍事偵察、遠(yuǎn)程攻擊等軍事任務(wù)，還可以應(yīng)用在航拍、火災(zāi)預(yù)防監(jiān)測、地圖測繪等民用領(lǐng)域。無人機(jī)在總體上可以分為固定翼無人機(jī)、直升無人機(jī)、以及多旋翼無人機(jī)三類。在日常生活中最常見的就是多旋翼無人機(jī)，這種無人機(jī)功能性較強(qiáng)，而且結(jié)構(gòu)簡單、容易維修、造價(jià)較低廉，因此深受消費(fèi)者喜愛，在世界上也得到了較大范圍的應(yīng)用。

視覺導(dǎo)航技術(shù)是指應(yīng)用自主導(dǎo)航技術(shù)，利用計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)方面技術(shù)對(duì)無人機(jī)的航拍圖像進(jìn)行分析和處理，根據(jù)無人機(jī)配置的傳感器相關(guān)參數(shù)可以得出無人機(jī)當(dāng)前位置以及當(dāng)前飛行狀態(tài)。將視覺導(dǎo)航技術(shù)應(yīng)用到無人機(jī)上可以降低導(dǎo)航成本，同時(shí)提高導(dǎo)航精確度，使之在完成飛行任務(wù)的同時(shí)還具有較強(qiáng)的抗干擾性。目前無人機(jī)的視覺導(dǎo)航技術(shù)可以通過基于圖像序列的追蹤、基于自然景觀或者之前采集的圖像進(jìn)行匹配定位以及IMU慣性設(shè)備和視覺計(jì)算相卡爾曼濾波這幾種方式實(shí)現(xiàn)，視覺導(dǎo)航的關(guān)鍵技術(shù)是指圖像的匹配和圖像的追蹤。在實(shí)際應(yīng)用中，單單進(jìn)行圖像的匹配或者圖像的追蹤不能滿足無人機(jī)的自主飛行要求，因此設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)將這兩種技術(shù)進(jìn)行共同設(shè)計(jì)才能提高無人機(jī)的飛行精度，進(jìn)而提高無人機(jī)的工作效率及工作質(zhì)量。

二、無人機(jī)視覺導(dǎo)航的關(guān)鍵技術(shù)分析

在進(jìn)行無人機(jī)視覺導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，首先應(yīng)當(dāng)進(jìn)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，合理設(shè)計(jì)好無人機(jī)的升力系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、飛機(jī)系統(tǒng)、機(jī)體以及起落架。無人機(jī)的工作原理是通過控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的大小來改變飛機(jī)的升力進(jìn)而實(shí)現(xiàn)飛行。無人機(jī)在進(jìn)行硬件平臺(tái)的搭建時(shí)需要采集圖像信息以及無人機(jī)飛行狀態(tài)信息，導(dǎo)航軟件再針對(duì)這些信息進(jìn)行模擬計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果發(fā)送到無人機(jī)上，從而設(shè)計(jì)好無人機(jī)的飛行軌道。

（一）軟件設(shè)計(jì)。按照相機(jī)數(shù)量可以將無人機(jī)視覺導(dǎo)航系統(tǒng)劃分為單目視覺系統(tǒng)、雙目視覺系統(tǒng)以及多目視覺系統(tǒng)，按照是否需要地圖還可以將其劃分為地圖型導(dǎo)航以及無地圖型導(dǎo)航。地圖導(dǎo)航視覺系統(tǒng)是通過將當(dāng)前圖和實(shí)際地圖進(jìn)行匹配的方式進(jìn)行定位，而無地圖導(dǎo)航型是基于圖像序列進(jìn)行位置追蹤計(jì)算。無人機(jī)通過攝像頭進(jìn)行圖像幀的獲取，然后再對(duì)圖像進(jìn)行壓縮、灰度化等預(yù)處理，之后再根據(jù)無人機(jī)的飛行參數(shù)對(duì)無人機(jī)當(dāng)前的飛行狀態(tài)進(jìn)行估計(jì)，如果無人機(jī)正處于飛行中就應(yīng)用視覺導(dǎo)航算法進(jìn)行計(jì)算，如果正處于降落中，就應(yīng)用自主降落算法進(jìn)行計(jì)算。工作人員需要對(duì)無人機(jī)的飛行姿態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，從而根據(jù)視覺追蹤和視覺匹配共同確定無人機(jī)的位置信息。在無人機(jī)進(jìn)行航拍時(shí)，還要對(duì)云臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，目前無人機(jī)云臺(tái)設(shè)計(jì)已經(jīng)從原本的固定式云臺(tái)發(fā)展到如今的云臺(tái)相機(jī)。云臺(tái)相機(jī)可以實(shí)現(xiàn)任意角度、任意位置的拍攝，即使無人機(jī)在高速飛行時(shí)也能保證視頻的清晰度以及穩(wěn)定性。飛機(jī)在起飛階段時(shí)，飛行任務(wù)管理軟件依據(jù)地面命令使無人機(jī)獲取控制權(quán)，當(dāng)無人機(jī)到達(dá)指定高度后再按照既定軌跡調(diào)整無人機(jī)的飛行路線，應(yīng)用日志模塊進(jìn)行中間結(jié)果或異常信息的保存。

（二）硬件設(shè)計(jì)。在進(jìn)行無人機(jī)的硬件設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮很多因素，例如飛行器自身機(jī)載能力、續(xù)航能力以及飛行控制等。無人機(jī)在空中飛行時(shí)，一旦出現(xiàn)故障將很容易墜落，這就給行人帶來巨大的安全隱患，同時(shí)還會(huì)危害人們的財(cái)產(chǎn)安全。因此在進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)時(shí)，首先要考慮無人機(jī)的安全性，保障機(jī)身在飛行過程中的穩(wěn)定。同時(shí)還要對(duì)數(shù)據(jù)接口進(jìn)行兼容性測試，保障接口在進(jìn)行設(shè)備傳輸時(shí)的可靠性。在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)還要考慮無人機(jī)的機(jī)身、負(fù)載重量，降低無人機(jī)的飛行功耗，同時(shí)還要保證數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，保證無人機(jī)工作的準(zhǔn)確性以及高精度。無線數(shù)傳電臺(tái)是通過借助DSP技術(shù)和無線電技術(shù)來實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的數(shù)據(jù)傳輸，其可以廣泛用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無線控制系統(tǒng)以及交通控制系統(tǒng)。首先無人機(jī)將機(jī)載計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)發(fā)送給地面站，然后地面站再將命令信息發(fā)送給機(jī)載計(jì)算機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)無人機(jī)的控制。數(shù)傳電臺(tái)的傳輸距離較大，而且具有較高的數(shù)據(jù)吞吐量以及抗干擾能力，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

（三）數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議是無人機(jī)與地面站收發(fā)數(shù)據(jù)格式的協(xié)議，常用的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議為MAVLink協(xié)議，其對(duì)無人機(jī)的方向、GPS值以及飛行模式等進(jìn)行了規(guī)定。妙算到地面站過程涉及的數(shù)據(jù)類別為代表飛控給出的GPS坐標(biāo)、無人機(jī)狀態(tài)、當(dāng)前航點(diǎn)位置、下一個(gè)航點(diǎn)位置、無人機(jī)飛行模式等，地面站到妙算涉及的數(shù)據(jù)類別為代表控制命令、回家命令、設(shè)置GPS航點(diǎn)命令等。

三、總結(jié)

本文首先對(duì)無人機(jī)以及視覺導(dǎo)航及其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了簡要介紹，然后重點(diǎn)分析了無人機(jī)視覺導(dǎo)航的關(guān)鍵技術(shù)。在了解無人機(jī)自主導(dǎo)航系統(tǒng)的整體需求之后進(jìn)行硬件以及軟件設(shè)計(jì)，分析模塊之間的關(guān)系，從而完成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。將視覺導(dǎo)航技術(shù)應(yīng)用到無人機(jī)上可以增強(qiáng)圖像視頻的清晰度以及穩(wěn)定性，提高飛行效率和飛行質(zhì)量，進(jìn)而促進(jìn)我國科技的發(fā)展以及社會(huì)的進(jìn)步。

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