基于慣性導航的四翼無人機導航技術分析與應用

王若凝

摘 要：文章介紹了一種具有視覺和慣性運動估計系統(tǒng)的四旋翼機器人平臺的研制。為了提供對無人機位置和速度的精確估計，文章將立體視覺里程計和慣性測量通過卡爾曼濾波器融合在一起，在動作感應和自主定位上進行實時實驗，演示機器人平臺的性能。

關鍵詞：慣性導航;四翼無人機;導航技術

1?無人機慣性導航概述

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而不會危及人類生命的飛行器。這種車輛的共同任務包括：搜索和救援行動、邊遠地區(qū)檢查和傳感、危險物質(zhì)回收、實時森林火災監(jiān)測、敏感地區(qū)（邊界、港口、輸油管道）的監(jiān)視等。無人機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的。

無人機的一個基本要求是魯棒的自主定位和導航。有關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、慣性測量單元（IMU））來估算的，而估算無人機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，當無人機需要在室內(nèi)或城市環(huán)境中導航時，GPS信號可能會很吵，甚至無法使用，導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，以提供一個無人機的位置和速度估計。由一組復合傳感器提供的數(shù)據(jù)融合已被證明是一種適當?shù)姆椒▉沓浞止烙嬡囕v的狀態(tài)。然而，當使用迷你無人機，比如四旋翼直升機時，由于有效載荷的限制，傳感器組和嵌入式電子設備應該謹慎選擇。

本文介紹了利用立體視覺和慣性導航系統(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。關于無人機慣性傳感器，本文已經(jīng)為機器人直升機配備了一個可以提供車輛姿態(tài)的IMU。此外，還采用了反演對數(shù)速率傳感器進行了測量。該無人機還配備了超聲波傳感器和大氣壓力傳感器，以估計直升機在低空和高空飛行時的高度。嵌入式處理器讀取無人機的位置和姿態(tài)信號，計算控制指令，完成無人機的任務。本文以開發(fā)成像和慣性傳感器復合特性為主要思想，增加了立體視覺系統(tǒng)，從而增強了無人機傳感器航天服的適應能力。利用慣性傳感器可以精確地測量角速度和線加速度的快速變化。不幸的是，這些信號的集成會導致無限制的低頻漂移，使得自主定位和導航成為一項復雜的任務。另一方面，當攝像機視場變化緩慢時，基于視覺的運動估計具有較好的準確性。除了慣性傳感器和測量傳感器外，還利用超聲波測距儀對直升機的緯度進行估計。執(zhí)行三個傳感器數(shù)據(jù)的融合，每個輸出信息可以用來補償其他傳感器固有的缺點。在本文的方法中，本文使用視覺里程測量來估計直升機的運動，這要求在相繼的立體圖像對上跟蹤三角化的自然地標。基于視覺的測量結(jié)合了Kalman濾波器中的慣性和高度傳感器信號，以提供無人機（x，y，z）位置和（x，y，z）翻轉(zhuǎn)速度的精確估計[1]。

2?系統(tǒng)概覽

本節(jié)介紹小型四旋翼機器人直升機的體系結(jié)構(gòu)與一個非常適合的導航系統(tǒng)。小型四旋翼無人機擁有最大的垂直推進力，可以保持在空中飛行，這嚴重限制了可用于傳感和計算的有效載荷數(shù)量。這種有效載荷限制限制了嵌入式計算機的流行選擇，如PC-104、大口徑攝像機和高保真IMU。相反，小型航空機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。通常情況下，小型傳感器提供的設備比大型機器人平臺中的同類設備要少[2]。

2.1? 四旋翼系統(tǒng)

本文實驗采用的四旋翼飛機使用了一組非架式部件。機身框架是MK-40，有一個40 cm的距離相同的軸轉(zhuǎn)子。電動機是來自Robbe ROXXY的BL-Outrunner2827-35，連接了pro-tronik公司的toPM-30A電子速度控制器（esc）。本文選擇這個司機-摩托車組合，因為它提出了更好的性能，從不同的組合測試。能源由Pro-Tronik的12v-2，200 mAh Li-Po電池提供。角度測量采用Microbotics MIDG II INS/GPSFig提供的。利用ADXRS610MEMS模擬速率傳感器組成一組，對無人機慣性測量單元（UAVInertial Measurement Unit，UAV慣性測量單元）上的電子卡進行角速率測量。由于可以獲得更快的角速率刷新速度，使無人機的姿態(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量而不是基于IMU的測量方法。關于高度測量，直升機配備了一個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絕對壓力傳感器，用于在戶外環(huán)境下進行高度估計。在電路板上安裝了3個來自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速度和緯度角。還有一個電路用于測量蓄電池電壓，以幫助確定電源何時進入低于運行值。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TexasInstrumentsTMS320F2812 DSP模塊，它可以讀取來自上述所有部件的輸入信號。姿態(tài)穩(wěn)定控制是在飛機上實時進行的，運行頻率為500 Hz。

2.2? 視覺與慣性導航系統(tǒng)設計

為了進行視覺和慣性導航研究，為直升機配備了來自ids376×240px的單色uEye照相機，視野為75°。這些照相機安裝在一個35厘米基線的立體底座上，朝前放置。在立體聲工作臺的中央部分安裝了額外的3DM-GX3 IMU，用于提供加速度測量。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。這個迷你地球計算程序處理下一組任務。首先，它同步uEye相機，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)。該程序生成一個包含圖像和加速度值的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。最后，這個緩沖區(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)，就會對圖像進行解壓縮，并讀取加速值。然后，利用在2.4 GHz地面站PC上運行的VO估計應用程序?qū)D像進行處理。

2.3? 地面監(jiān)督站

監(jiān)控地面站由一臺運行監(jiān)察應用程序的電腦、一個飛行模擬器操縱桿、一個雙向無線數(shù)據(jù)傳輸鏈接和一個接收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驗中的性能，也用于發(fā)送控制指令以穩(wěn)定直升機的位置?？刂泼羁梢杂捎脩簦ㄍㄟ^飛行操縱桿）發(fā)送，也可以通過監(jiān)察應用程序發(fā)送。計算機視覺程序?qū)崟r立體圖像和視覺測量數(shù)據(jù)進行處理，以實現(xiàn)VO的估計和數(shù)據(jù)融合。該算法提取的信息被放置在一個固定的內(nèi)存段上，該內(nèi)存段與監(jiān)察應用程序共享。

3?控制實驗分析

第一個實驗是在沒有安裝視覺和慣性運動測試系統(tǒng)的情況下進行直升機的自主飛行。正如前面提到的，四旋翼的姿態(tài)不穩(wěn)定是由一個算法運行在嵌入式DSP在頻率為? ? ? ? ? ? ? ? ?500 Hz。這個工作頻率保證了平臺的歐拉角始終接近理想值。在第一個實驗中，為了驗證飛行器的性能，在誘導的偏航角、空翻角和側(cè)傾角處進行了外部擾動實驗。在直升機的適當性能得到驗證后，安裝了視覺和慣性動作檢測系統(tǒng)，并進行了一系列新的測試。本文注意到，盡管增加了額外的有效載荷，直升機的性能并沒有降低。為了評估視覺和慣性導航系統(tǒng)的性能，本文進行了一系列實時實驗。在這些測試中，當直升機在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下飛行時，平臺測量的角速度。第一個實驗是比較VO估計的歐拉角和Microbotics IMU提供的歐拉角，后者被認為是四旋翼的實際定向試驗。在這個實驗中，直升機的傾斜運動是手動產(chǎn)生的（使用操縱桿）。

接下來，本文進行了第二個實驗，由人工控制的四旋翼飛行在一個彈道上方形成一個150×300 cm的區(qū)域，高度固定在50 cm。第一個動作是向前移動150 cm。接下來，四旋翼向右流動了300 cm。此時，進行了150 cm的后向移位。最后，四旋翼向左飛行了300 cm，以便到達起飛時的同一位置。該系統(tǒng)實現(xiàn)了許可飛行器所描述的運動的可接受的計時。? 900 cm的飛行軌跡是在45 s內(nèi)完成的。

最后本文進行了第三次實驗，通過手動控制四旋翼飛機的飛行，直升機的飛行高度在50～200 cm變化。用視覺和慣性融合（連續(xù)線）估計的高度與用超聲波傳感器（虛線）估計的高度相似，但仍然存在一些差異，本文認為這些差異是VO 算法中的異常值導致的，并且仍在努力解決這些問題。在以前的實驗中，來自視覺慣性導航系統(tǒng)的數(shù)據(jù)被估計為? ? ? 13 Hz。本文實驗發(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的研制過程，該無人機裝備了可視化和非可視化導航系統(tǒng)，使直升機能夠在不使用 GPS 或人工可視地標的情況下完全估計其狀態(tài)。本文利用卡爾曼濾波器將視覺測量、慣性測量加速度數(shù)據(jù)和高度傳感器信號結(jié)合起來，以提供描述平臺行為的狀態(tài)精確估計。

[參考文獻]

[1]蔣浩.基于RTK技術的農(nóng)業(yè)機械自動導航系統(tǒng)研究[D].杭州：浙江大學，2019.

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

[3]方崢.長航無人機多源信息融合自主導航及其仿真關鍵技術研究[D].南京：南京航空航天大學，2014.

（編輯 傅金睿）