四旋翼飞行器 定位 IMU GPS 光流 UWB

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一、引言
　　四旋翼飞行器具有机械结构简单、运动灵活、姿态多样、可扩展性好和易维护等优点，因而其在勘探、测绘、救援、航拍等领域扮演越来越重要的角色。而这些领域无一不要求相当的精确度、可靠性和自主性，这些都对飞行器的控制系统提出了苛刻的要求。系统中的传感器给控制系统提供各种参数，控制系统处理这些参数后改变电机转速从而改变飞行器的飞行姿态。常规四旋翼平台搭载的实现自主定位导航的传感器是GPS模块，辨识方向的是罗盘模块，进行飞行控制的是惯性测量模块（IMU），用于测量高度的是压力传感器，另有超声波测距仪、激光测距仪等传感器用于探测航路中的障碍物进而在飞行中动态避障。机器视觉系统是一套通过图像摄取装置将被摄取目标转换成图像信号，通过专用的图像处理系统，将像素分布及颜色、亮度等信息转变为数字信号传送给图像处理系统进行各种运算来抽取目标的特征，进而根据判别的结果来控制设备动作的一套系统。机器视觉具有被动性和轻量化的特性，同时可依靠单一传感器实现大量信息的采集和处理，在四旋翼飞行器这一对精度要求很高、数据量大、但空间有限的平台上的应用有十分广阔的前景。光流传感器便是一种可以实现机器视觉的简单装置，主要由一个装载在机身上的低像素摄像头组成，它与IMU及飞行控制计算机等配合，对摄像头所得图像进行实时计算和解读，还原出当前所处的三位动态结构图。
　　本文重点探究基于机载小型GPS模块及光流传感器的四旋翼飞行器精确定位运动及其应用展望。
　　二、GPS定位系统
　　GPS模块是实现四旋翼飞行器定位和导航的首选，搭建平台时可利用GPS模块测定飞行器所在位置的经纬度坐标信息，并利用高度计和超声波传感器结合进行飞行高度的测定，同时用IMU模块（三维陀螺仪和加速度计）在GPS导航模块的支持下实现四旋翼飞行器的惯性导航自主飞行。
　　运作时向机载单片机输入一系列点的GPS坐标，同时通过机载GPS系统得到当前载体的定位数据，并与存储的定位坐标做实时比对，由机载飞行控制计算机计算生成对应最优航线，并根据IMU模块及高度计、超声波传感器得到的数据实时修正航线，同时将定位坐标实时发回地面站，由地面计算机处理并显示当前位置、线路及飞行状态。
　　三、光流技术
　　一般而言，光流是由于场景中前景目标本身的移动、相机的运动，或者两者的共同运动所产生的，当人的眼睛观察运动物体时，物体的景象在人眼的视网膜上形成一系列连续变化的图像，这一系列连续变化的信息不断“流过”视网膜（成像平面），像一种光的“流”，故称之为光流。光流表达了图像的变化，由于它包含了目标物体运动的信息，因此可被观察者用以确定目标的运动情况。
　　光流的概念由Gibson在1950年提出，指空间运动中的物体在观察成像平面上的像素运动的瞬时速度，光流技术就是利用图像序列中像素在时间域上的变化及相邻帧之间的相关性来找到上一帧与当前帧之间存在的对应关系，从而计算出相邻帧之间物体的运动信息的一种方法。研究光流场的目的就是从图片序列中近似得到不能直接得到的运动场。其中运动场可理解为物体在三维真实世界中的运动，光流场是运动场在二维图像平面（人眼或者摄像头）的投影。
　　从生物学中昆虫飞行时将光流用于3D飞行控制的行为得到启发，光流技术被应用在了飞行器的动态定位和导航中。四旋翼飞行器搭载的光流传感器所利用的摄像头有分辨率低、帧率高的特点，可以实现较快的数据处理与更新。利用光流传感器对捕捉的图像进行分析，实时获取飞行器自身位置及运动情况，并将测得数据信息实时传输回地面站PC机分析处理。
　　为计算出物体的运动信息，如今已发展出了很多确定当前时刻下一帧的被测物位置的光流计算方法。由二维速度场与灰度的联系，引入光流约束方程，可得到光流计算的基本算法，接下来基于不同的理论基础，各种光流计算方法被创造出来，如今利用OpenCV库代码向单片机系统的移植可以比较容易地实现所需的光流计算。
　　四、空间定位技术
　　在室内不具备室外的开扩环境，因此定位也出现了许多困难。人们通常使用电磁波进行定位，常见的定位方式有时差定位技术、信号到达角度测量技术、到达时间定位和到达时间差定位等。近年来随着科技的发展又产生了UWB定位技术，它的频带从3.1GHz到10.6GHz，如此高的频率非常适合于短距离快速通讯，非常适合室内这种环境。在接收到精确的位置以及物体分布后便可在狭窄的室内计算出导航路线。这种探测方式在一定程度上弥补了光流传感器不能提前预知周围环境的不足，与光流传感器相互纠错可将错误率降低，也进一步保证了室内的安全。
　　五、应用及市场
　　四旋翼飞行器的轻量、灵活、操作灵敏的特性决定了其在物品短距离递送中的应用前景十分广阔，尤其是一些特殊场景下满足特殊要求的递送业务中，四旋翼飞行器的角色将很难替代。如今市场上已经出现了四旋翼飞行器用于快递蛋糕、书籍等服务的尝试，而其价值可以在一些有特别需求的行业中利用本文所述的精确定位运动技术得以体现，如饮料精准递送、写字楼室内精确快递等领域的需求一旦被发掘，其市场潜力将会十分巨大。
　　六、总结
　　为实现四旋翼飞行器的精确定位及导航运动，机身需搭载的传感器除了常规的IMU模块（陀螺仪和加速度计）、高度计和GPS模块以外，还可以使用光流传感器、超声波探测器等模块提高测量精度。其中光流传感器可以利用图像匹配在修正路径、保持悬停等动作中起到重要作用，还可以在GPS信号不可用等情况下实现精确定位导航；超声波探测器在机身高度测量中普遍可以提供高于普通高度计的测量精度，为后续基于载体空间位置信息的路经计算、姿态调整等过程提供更加精确和可靠的数据。