【摘要】：近些年來無人機自主定位和三維感知是機器人領(lǐng)域內(nèi)非常重要的研究熱點。無人機在無GPS環(huán)境下的自主定位和感知更成為其中的關(guān)鍵技術(shù)。目前無人機的定位大都是靠GPS來實現(xiàn),在GPS信號不好或無信號時無法實現(xiàn)定位。針對此問題,國內(nèi)外很多科研機構(gòu)提出:在無人機上搭載相機和視覺慣性測量器件(IMU),利用視覺里程計實現(xiàn)無人機的視覺慣性定位。但是該方法中相機與無人機本體相固連,相機運動的自由度受到較大限制,無人機的視野只能隨著其本體的運動而改變。當無人機執(zhí)行各種任務懸停時,其視野保持固定而不能察覺到視野之外的環(huán)境,這極大限制了無人機對周圍環(huán)境的感知能力,使無人機難以應對實際動態(tài)場景。針對上述問題,本文模仿天鵝視覺定位感知結(jié)構(gòu),搭建了一套新型的無人機視覺慣性定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)模仿天鵝的視覺定位方式,將無人機下方安裝的三自由度機械臂作為“脖子”,將三自由度機械臂末端固定的相機和IMU作為無人機的“視覺慣性感知系統(tǒng)”。本文首先對不同視覺慣性傳感器的時間戳進行分析,選擇了時間戳同步性能較好的單目廣角魚眼相機和IMU組成視覺慣性傳感器,利用該視覺慣性傳感器實現(xiàn)了視覺慣性里程計。其次本文設(shè)計并搭建了具有高精度位置反饋功能的三自由度機械臂,利用機械臂正運動學將里程計定位信息傳遞至無人機本體,從而實現(xiàn)無人機視覺慣性定位。最后本文通過控制機械臂自由運動來改變相機視野,從而實現(xiàn)無人機的多自由度靈活定位。為了驗證本文方案的可行性,本文搭建了飛行實驗平臺并進行了飛行實驗。將視覺慣性里程計與運動捕捉系統(tǒng)進行對比,說明了本文中采用的視覺慣性定位算法達到了毫米級的定位精度,可以滿足無人機的位置反饋要求。將無人機的定位信息與運動捕捉系統(tǒng)進行比較,說明了本文搭建的仿天鵝視覺慣性定位系統(tǒng)具有很高的定位精度。本文所研究的仿天鵝的無人機視覺慣性定位與控制方法大大提高了無人機視覺定位的靈活性,增強了無人機對動態(tài)環(huán)境的感知能力,具有非常重要的研究意義。
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：V279;V249.1

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本文編號：2652247