王若凝

摘 要：文章介紹了一種具有視覺和慣性運(yùn)動(dòng)估計(jì)系統(tǒng)的四旋翼機(jī)器人平臺(tái)的研制。為了提供對(duì)無人機(jī)位置和速度的精確估計(jì)，文章將立體視覺里程計(jì)和慣性測(cè)量通過卡爾曼濾波器融合在一起，在動(dòng)作感應(yīng)和自主定位上進(jìn)行實(shí)時(shí)實(shí)驗(yàn)，演示機(jī)器人平臺(tái)的性能。

關(guān)鍵詞：慣性導(dǎo)航;四翼無人機(jī);導(dǎo)航技術(shù)

1?無人機(jī)慣性導(dǎo)航概述

無人駕駛飛行器（Unmanned Aerial Vehicles，UAV）是一種可以完成民用和軍用任務(wù)而不會(huì)危及人類生命的飛行器。這種車輛的共同任務(wù)包括：搜索和救援行動(dòng)、邊遠(yuǎn)地區(qū)檢查和傳感、危險(xiǎn)物質(zhì)回收、實(shí)時(shí)森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)、敏感地區(qū)（邊界、港口、輸油管道）的監(jiān)視等。無人機(jī)可以自主或半自主飛行，此外，它們是可以犧牲的或者可以恢復(fù)的。

無人機(jī)的一個(gè)基本要求是魯棒的自主定位和導(dǎo)航。有關(guān)飛行器角度特性的信息通常是通過慣性傳感器（陀螺儀、加速度計(jì)、慣性測(cè)量單元（IMU））來估算的，而估算無人機(jī)三維位置和平移速度最常用的方法是基于全球定位系統(tǒng)定位系統(tǒng)（GPS），它可以在大多數(shù)室外環(huán)境中使用。不幸的是，當(dāng)無人機(jī)需要在室內(nèi)或城市環(huán)境中導(dǎo)航時(shí)，GPS信號(hào)可能會(huì)很吵，甚至無法使用，導(dǎo)致車輛性能差或不良。以前的情況已經(jīng)促使尋找替代的解決方案，以提供一個(gè)無人機(jī)的位置和速度估計(jì)。由一組復(fù)合傳感器提供的數(shù)據(jù)融合已被證明是一種適當(dāng)?shù)姆椒▉沓浞止烙?jì)車輛的狀態(tài)。然而，當(dāng)使用迷你無人機(jī)，比如四旋翼直升機(jī)時(shí)，由于有效載荷的限制，傳感器組和嵌入式電子設(shè)備應(yīng)該謹(jǐn)慎選擇。

本文介紹了利用立體視覺和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)相結(jié)合的方法研制一種室內(nèi)自主飛行的四旋翼無人機(jī)。關(guān)于無人機(jī)慣性傳感器，本文已經(jīng)為機(jī)器人直升機(jī)配備了一個(gè)可以提供車輛姿態(tài)的IMU。此外，還采用了反演對(duì)數(shù)速率傳感器進(jìn)行了測(cè)量。該無人機(jī)還配備了超聲波傳感器和大氣壓力傳感器，以估計(jì)直升機(jī)在低空和高空飛行時(shí)的高度。嵌入式處理器讀取無人機(jī)的位置和姿態(tài)信號(hào)，計(jì)算控制指令，完成無人機(jī)的任務(wù)。本文以開發(fā)成像和慣性傳感器復(fù)合特性為主要思想，增加了立體視覺系統(tǒng)，從而增強(qiáng)了無人機(jī)傳感器航天服的適應(yīng)能力。利用慣性傳感器可以精確地測(cè)量角速度和線加速度的快速變化。不幸的是，這些信號(hào)的集成會(huì)導(dǎo)致無限制的低頻漂移，使得自主定位和導(dǎo)航成為一項(xiàng)復(fù)雜的任務(wù)。另一方面，當(dāng)攝像機(jī)視場變化緩慢時(shí)，基于視覺的運(yùn)動(dòng)估計(jì)具有較好的準(zhǔn)確性。除了慣性傳感器和測(cè)量傳感器外，還利用超聲波測(cè)距儀對(duì)直升機(jī)的緯度進(jìn)行估計(jì)。執(zhí)行三個(gè)傳感器數(shù)據(jù)的融合，每個(gè)輸出信息可以用來補(bǔ)償其他傳感器固有的缺點(diǎn)。在本文的方法中，本文使用視覺里程測(cè)量來估計(jì)直升機(jī)的運(yùn)動(dòng)，這要求在相繼的立體圖像對(duì)上跟蹤三角化的自然地標(biāo)?；谝曈X的測(cè)量結(jié)合了Kalman濾波器中的慣性和高度傳感器信號(hào)，以提供無人機(jī)（x，y，z）位置和（x，y，z）翻轉(zhuǎn)速度的精確估計(jì)[1]。

2?系統(tǒng)概覽

本節(jié)介紹小型四旋翼機(jī)器人直升機(jī)的體系結(jié)構(gòu)與一個(gè)非常適合的導(dǎo)航系統(tǒng)。小型四旋翼無人機(jī)擁有最大的垂直推進(jìn)力，可以保持在空中飛行，這嚴(yán)重限制了可用于傳感和計(jì)算的有效載荷數(shù)量。這種有效載荷限制限制了嵌入式計(jì)算機(jī)的流行選擇，如PC-104、大口徑攝像機(jī)和高保真IMU。相反，小型航空機(jī)器人依賴于超聲波傳感器，重量輕但質(zhì)量較低的IMU，以及具有限制攝像頭和視野的微型攝像機(jī)。通常情況下，小型傳感器提供的設(shè)備比大型機(jī)器人平臺(tái)中的同類設(shè)備要少[2]。

2.1? 四旋翼系統(tǒng)

本文實(shí)驗(yàn)采用的四旋翼飛機(jī)使用了一組非架式部件。機(jī)身框架是MK-40，有一個(gè)40 cm的距離相同的軸轉(zhuǎn)子。電動(dòng)機(jī)是來自Robbe ROXXY的BL-Outrunner2827-35，連接了pro-tronik公司的toPM-30A電子速度控制器（esc）。本文選擇這個(gè)司機(jī)-摩托車組合，因?yàn)樗岢隽烁玫男阅?，從不同的組合測(cè)試。能源由Pro-Tronik的12v-2，200 mAh Li-Po電池提供。角度測(cè)量采用Microbotics MIDG II INS/GPSFig提供的。利用ADXRS610MEMS模擬速率傳感器組成一組，對(duì)無人機(jī)慣性測(cè)量單元（UAVInertial Measurement Unit，UAV慣性測(cè)量單元）上的電子卡進(jìn)行角速率測(cè)量。由于可以獲得更快的角速率刷新速度，使無人機(jī)的姿態(tài)穩(wěn)定性得到更好的改善，因此本文更傾向于采用模擬測(cè)量而不是基于IMU的測(cè)量方法。關(guān)于高度測(cè)量，直升機(jī)配備了一個(gè)lv maxsonarez4型超聲波傳感器，最大范圍為6.45 m[3]。此外，它還配備了飛思卡爾mpxh6115a絕對(duì)壓力傳感器，用于在戶外環(huán)境下進(jìn)行高度估計(jì)。在電路板上安裝了3個(gè)來自MEMSIC的軸向加速度傳感器MXR9500MZ，用于在不久的將來估算較高速率下的平動(dòng)速度和緯度角。還有一個(gè)電路用于測(cè)量蓄電池電壓，以幫助確定電源何時(shí)進(jìn)入低于運(yùn)行值。Digi國際公司生產(chǎn)的XBEE09P 數(shù)字調(diào)制解調(diào)器能夠?qū)崿F(xiàn)四軸飛行器和遠(yuǎn)程監(jiān)控地面站PC之間的雙向無線通信。最后，該板還包括一個(gè)TexasInstrumentsTMS320F2812 DSP模塊，它可以讀取來自上述所有部件的輸入信號(hào)。姿態(tài)穩(wěn)定控制是在飛機(jī)上實(shí)時(shí)進(jìn)行的，運(yùn)行頻率為500 Hz。

2.2? 視覺與慣性導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了進(jìn)行視覺和慣性導(dǎo)航研究，為直升機(jī)配備了來自ids376×240px的單色uEye照相機(jī)，視野為75°。這些照相機(jī)安裝在一個(gè)35厘米基線的立體底座上，朝前放置。在立體聲工作臺(tái)的中央部分安裝了額外的3DM-GX3 IMU，用于提供加速度測(cè)量。攝像頭和IMU連接到由Ascending Technologies開發(fā)的嵌入式飛行上網(wǎng)本板。這個(gè)迷你地球計(jì)算程序處理下一組任務(wù)。首先，它同步uEye相機(jī)，讀取它們的圖像并以jpeg格式壓縮它們。其次，它與IMU通信，讀取加速度數(shù)據(jù)。該程序生成一個(gè)包含圖像和加速度值的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。最后，這個(gè)緩沖區(qū)通過無線通信發(fā)送到監(jiān)控的地面站PC。一旦接收到緩沖區(qū)，就會(huì)對(duì)圖像進(jìn)行解壓縮，并讀取加速值。然后，利用在2.4 GHz地面站PC上運(yùn)行的VO估計(jì)應(yīng)用程序?qū)D像進(jìn)行處理。

2.3? 地面監(jiān)督站

監(jiān)控地面站由一臺(tái)運(yùn)行監(jiān)察應(yīng)用程序的電腦、一個(gè)飛行模擬器操縱桿、一個(gè)雙向無線數(shù)據(jù)傳輸鏈接和一個(gè)接收Flying netbook發(fā)送的數(shù)據(jù)的WiFi鏈接組成。無線數(shù)據(jù)鏈用于接收和保存飛行器定期發(fā)送的信息，這有助于描述其在實(shí)驗(yàn)中的性能，也用于發(fā)送控制指令以穩(wěn)定直升機(jī)的位置。控制命令可以由用戶（通過飛行操縱桿）發(fā)送，也可以通過監(jiān)察應(yīng)用程序發(fā)送。計(jì)算機(jī)視覺程序?qū)?shí)時(shí)立體圖像和視覺測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以實(shí)現(xiàn)VO的估計(jì)和數(shù)據(jù)融合。該算法提取的信息被放置在一個(gè)固定的內(nèi)存段上，該內(nèi)存段與監(jiān)察應(yīng)用程序共享。

3?控制實(shí)驗(yàn)分析

第一個(gè)實(shí)驗(yàn)是在沒有安裝視覺和慣性運(yùn)動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的情況下進(jìn)行直升機(jī)的自主飛行。正如前面提到的，四旋翼的姿態(tài)不穩(wěn)定是由一個(gè)算法運(yùn)行在嵌入式DSP在頻率為? ? ? ? ? ? ? ? ?500 Hz。這個(gè)工作頻率保證了平臺(tái)的歐拉角始終接近理想值。在第一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，為了驗(yàn)證飛行器的性能，在誘導(dǎo)的偏航角、空翻角和側(cè)傾角處進(jìn)行了外部擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)。在直升機(jī)的適當(dāng)性能得到驗(yàn)證后，安裝了視覺和慣性動(dòng)作檢測(cè)系統(tǒng)，并進(jìn)行了一系列新的測(cè)試。本文注意到，盡管增加了額外的有效載荷，直升機(jī)的性能并沒有降低。為了評(píng)估視覺和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的性能，本文進(jìn)行了一系列實(shí)時(shí)實(shí)驗(yàn)。在這些測(cè)試中，當(dāng)直升機(jī)在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下飛行時(shí)，平臺(tái)測(cè)量的角速度。第一個(gè)實(shí)驗(yàn)是比較VO估計(jì)的歐拉角和Microbotics IMU提供的歐拉角，后者被認(rèn)為是四旋翼的實(shí)際定向試驗(yàn)。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，直升機(jī)的傾斜運(yùn)動(dòng)是手動(dòng)產(chǎn)生的（使用操縱桿）。

接下來，本文進(jìn)行了第二個(gè)實(shí)驗(yàn)，由人工控制的四旋翼飛行在一個(gè)彈道上方形成一個(gè)150×300 cm的區(qū)域，高度固定在50 cm。第一個(gè)動(dòng)作是向前移動(dòng)150 cm。接下來，四旋翼向右流動(dòng)了300 cm。此時(shí)，進(jìn)行了150 cm的后向移位。最后，四旋翼向左飛行了300 cm，以便到達(dá)起飛時(shí)的同一位置。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了許可飛行器所描述的運(yùn)動(dòng)的可接受的計(jì)時(shí)。? 900 cm的飛行軌跡是在45 s內(nèi)完成的。

最后本文進(jìn)行了第三次實(shí)驗(yàn)，通過手動(dòng)控制四旋翼飛機(jī)的飛行，直升機(jī)的飛行高度在50～200 cm變化。用視覺和慣性融合（連續(xù)線）估計(jì)的高度與用超聲波傳感器（虛線）估計(jì)的高度相似，但仍然存在一些差異，本文認(rèn)為這些差異是VO 算法中的異常值導(dǎo)致的，并且仍在努力解決這些問題。在以前的實(shí)驗(yàn)中，來自視覺慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的數(shù)據(jù)被估計(jì)為? ? ? 13 Hz。本文實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，這種工作頻率適用于位置控制。

4?結(jié)語

綜上，本文介紹了一種四旋翼無人機(jī)的研制過程，該無人機(jī)裝備了可視化和非可視化導(dǎo)航系統(tǒng)，使直升機(jī)能夠在不使用 GPS 或人工可視地標(biāo)的情況下完全估計(jì)其狀態(tài)。本文利用卡爾曼濾波器將視覺測(cè)量、慣性測(cè)量加速度數(shù)據(jù)和高度傳感器信號(hào)結(jié)合起來，以提供描述平臺(tái)行為的狀態(tài)精確估計(jì)。

[參考文獻(xiàn)]

[1]蔣浩.基于RTK技術(shù)的農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2019.

[2]林睿喆.基于慣性/GPS/光流的無人機(jī)組合導(dǎo)航研究[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2018.

[3]方崢.長航無人機(jī)多源信息融合自主導(dǎo)航及其仿真關(guān)鍵技術(shù)研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2014.

（編輯 傅金睿）