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小型无人直升机自主着陆视觉导航系统设计及仿真

作　者: 阮利锋
导　师: 盛焕烨
学　校: 上海交通大学
专　业: 计算机应用技术
关键词: 视觉导航系统计算机视觉摄像机标定无人直升机
分类号: TN966
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

具有自主飞行能力的小型无人直升机具有重要的军事、民用和科学研究价值。无人直升机的自主着陆阶段是飞行任务中的重要阶段之一,同时也是一个安全事故的多发阶段。因为该阶段对导航系统的要求相对于其他阶段而言,除了具有较高的导航精度、实时性及可靠性外,还需要尽可能地提供无人直升机距离地面的实时高度,以防止在垂直方向上降落过快而导致与地面发生强烈碰撞并引发安全事故。因此,设计一种适合于无人直升机自主着陆阶段的导航系统具有重要的研究价值,同时也具有重大的现实意义。本文以上海交通大学“天行者”小型无人直升机为主要应用对象,采用基于计算机视觉的视觉导航技术,设计了一种符合无人直升机自主着陆阶段特殊要求的视觉导航系统。鉴于目前缺乏某些硬件条件而不具备进行实际自主飞行试验的能力,且实际飞行试验具有较高的安全风险,本文将在完成计算机视觉测量试验的基础上,结合“天行者”小型无人直升机自主飞行控制系统,在Matlab仿真环境中对利用视觉导航系统进行导航的自主着陆过程进行仿真研究,验证该导航系统的可行性、正确性及鲁棒性等系统性能。本文的主要内容包括以下两个方面:1)基于计算机视觉原理的位姿测量试验:设计着陆平台图案,并由摄像机捕获着陆平台所在环境的数字图像。通过图像分析和处理过程,提取特征图形中所隐含特征点,计算摄像机相对与着陆平台所处的位姿参数。2)基于Matlab的小型无人直升机自主着陆视觉导航系统仿真:建立构成视觉导航系统的摄像机及其云台模型,并通过引入随机误差使模型更接近于现实。结合“天行者”小型无人直升机自主飞行控制算法,构建基于视觉导航系统的自主着陆仿真平台,并在此基础上验证该导航系统的可行性、正确性及鲁棒性。此外,本文采用虚拟现实建模语言(VRML)建立了仿真场景,使仿真结果更直观、形象,增强了系统的表现力。本文采用计算机仿真的形式设计并验证了应用于无人直升机自主着陆阶段的视觉导航系统,为该系统走向实际应用提供了有力的支持。但仿真环境与现实环境之间毕竟存在着一定的差异,有待进行进一步的研究和探索。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-12
第1章绪论  12-23
  1.1 无人机及其自主着陆方式  12-14
    1.1.1 无人机简介  12-13
    1.1.2 无人机自主着陆方式  13-14
  1.2 自主导航技术  14-18
    1.2.1 无线电导航技术  14-15
    1.2.2 惯性导航技术  15
    1.2.3 GPS/DGPS 导航技术  15-16
    1.2.4 INS/GPS 组合导航技术  16
    1.2.5 视觉导航技术  16-18
    1.2.6 小型无人直升机自主着陆对导航系统的要求  18
  1.3 小型无人直升机自主着陆视觉导航技术研究现状  18-21
    1.3.1 国外研究现状  19-20
    1.3.2 国内研究现状  20-21
  1.4 论文工作介绍  21-23
第2章摄像机模型及其标定  23-32
  2.1 摄像机模型及其坐标系统  23-27
    2.1.1 摄像机成像模型  23-24
    2.1.2 坐标系统及其相互关系  24-27
  2.2 摄像机畸变  27-28
  2.3 摄像机标定  28-31
    2.3.1 摄像机标定方法简介  29
    2.3.2 Matlab 摄像机标定工具箱  29-31
  2.4 本章小结  31-32
第3章计算机视觉位姿测量  32-50
  3.1 着陆平台图案设计及分析  32-35
    3.1.1 特征图案设计  33
    3.1.2 特征图案分析  33-35
  3.2 特征点提取及区分  35-39
    3.2.1 特征直线提取  35-38
    3.2.2 特征点计算及区分  38-39
  3.3 位姿参数计算  39-48
    3.3.1 摄像机外部参数计算  39-46
    3.3.2 线性矛盾方程组求解  46-47
    3.3.3 摄像机位置和姿态角计算  47-48
  3.4 实验结果及分析  48-49
  3.5 本章小结  49-50
第4章自主着陆视觉导航系统仿真  50-71
  4.1 摄像机建模  50-52
    4.1.1 摄像机参数  51-52
    4.1.2 摄像机模型设计  52
  4.2 直升机位姿参数计算  52-53
  4.3 摄像机云台建模  53-57
    4.3.1 摄像机云台  53-54
    4.3.2 摄像机云台模型设计  54-57
  4.4 导航参数及着陆轨迹  57-59
    4.4.1 导航参数  57-59
    4.4.2 着陆轨迹  59
  4.5 仿真系统架构  59-63
    4.5.1 Simulink 简介  59-60
    4.5.2 系统架构  60-63
  4.6 仿真结果及分析  63-70
    4.6.1 摄像机云台功能分析  63-64
    4.6.2 自主着陆控制功能分析  64-70
  4.7 本章小结  70-71
第5章自主着陆仿真场景建模  71-75
  5.1 VRML 语言简介  71-72
  5.2 仿真场景建模  72-74
    5.2.1 直升机模型  72-73
    5.2.2 仿真环境模型  73-74
    5.2.3 自主着陆动画展现  74
  5.3 本章小结  74-75
第6章总结与展望  75-77
  6.1 总结  75-76
  6.2 展望  76-77
参考文献  77-82
致谢  82-83
攻读硕士学位期间发表的论文  83-86
答辩决议书  86

小型无人直升机自主着陆视觉导航系统设计及仿真

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