[發明專利]一種基于IMU姿態補償的多旋翼無人機光流懸停方法

有效

• 申請號: 201710632847.5
• 申請日: 2017-07-28
• 公開（公告）號: CN107390704B
• 公開（公告）日: 2020-12-04
• 發明（設計）人: 雍旭東;閆志敏
• 申請（專利權）人: 西安因諾航空科技有限公司
• 主分類號: G05D1/04
• 分類號: G05D1/04;G05D1/08;G01C21/16;G01C11/08;G06T7/246;G06T7/269;G06T7/13;G06T7/77
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 徐文權

本發明提供的一種基于IMU姿態補償的多旋翼無人機懸停方法，在光流結果基礎上加入了IMU姿態補償，很好地保證了無人機實際懸停的準確性；采用FAST角點作為特征點提取方法，能夠適用于紋理相對較弱的環境且不需要依賴任何先驗知識，很好地提升了無人機的適應性；以光流法作為基礎，在保證精度的前提下有效地控制了計算量，保證了算法的實時性，在嵌入式上的實際處理速度可達到50Hz。

技術領域

本發明屬于無人機視覺導航技術領域，特別涉及一種基于IMU姿態補償的多旋翼無人機光流懸停方法。

背景技術

隨著無人機逐漸進入人們的生活，基于無人機平臺的應用也越來越多，特別是視覺系統的引入，不僅大大降低了用戶門檻，提升了飛行安全性，還極大地豐富了用戶體驗，帶給飛行更多樂趣。懸停定位作為多旋翼無人機區別于固定翼無人機的一個重要特點，在定點拍攝和電力巡線等領域都有著廣闊的應用前景，特別是當室外GPS信號較弱或室內沒有GPS信號時，能保證無人機穩定懸停于指定位置就顯得尤為重要。

目前，無人機室外定位主要利用飛機上的GPS模塊，根據高速運動的衛星瞬間位置作為已知的起算數據，采用空間測距交會定點原理確定無人機的水平位置，并利用氣壓計的狀態保持無人機的垂直位置。GPS的定位精度和搜索到的衛星數量有關，雖然應用非常廣泛，但整體的定位精度和輸出頻率較低，且容易受到環境因素影響，特別是在樓宇間或室內等GPS信號強度較弱的環境下，基本無法實現無人機定位。

除了采用GPS方式實現定位，專利201610538663.8提出了一種結合陀螺儀和多個超聲波模塊的室內定位裝置，通過超聲波模塊捕捉不同方向的距離值確定無人機空間位置，并利用陀螺儀保證無人機的飛行姿態。該方法計算簡單且實時性高，可以在沒有GPS的情況下實現四旋翼無人機的室內定位，但該裝置對硬件傳感器的精度要求較高，對數據跳變或測量誤差的容忍度較差，普適性不強。

而基于圖標的懸停定位方法，如專利201610454292.5則通過視覺圖像處理方式檢測具有方向性的Marker，利用Perspective n-Points(PnP)算法從二維相機坐標系恢復出三維世界坐標系中無人機的位置和姿態，從而實現對飛機的定位。該方法定位精度較高，但缺點也較為突出，即如果沒有放置特定的圖標則無人機將無法懸停，在不同環境下的適用性不強。

另外，基于單目或雙目相機的視覺里程計(Visual Odometry)隨著SLAM技術的興起而逐漸進入人們視野，該方法主要用于實現定位功能，主要思想是通過直接法或特征點法建立相鄰幀的運動軌跡，并通過光束平差法(Bundle Adjustment)來消除相鄰幀的累積誤差。該方法定位精度很高，但計算量較大，在嵌入式系統上運行的實時性很難得到保證。

因此，對于GPS信號較弱的室外或室內場景，尋找一種精度高、適應性強、實時性好的無人機懸停定位方法就顯得格外重要。

發明內容

本發明的目的在于提供一種基于IMU姿態補償的多旋翼無人機光流懸停方法，解決了現有無人機在GPS信號較弱的室外或室內場景內，無法準確懸停，且對環境的適應性差、實時性差的問題。

為了達到上述目的，本發明采用的技術方案具體是：

本發明提供的一種基于IMU姿態補償的多旋翼無人機光流懸停方法，首先對光流攝像頭拍攝的所有圖像幀提取FAST角點；然后利用金字塔LK光流法匹配前后幀提取到的FAST角點，并建立特征點對，接著通過特征點對求取前后圖像幀的光流結果；再通過獲取的IMU數據對光流結果進行補償；接著使用RANSAC隨機采樣一致性的方式計算飛機水平方向的主體偏移量；最終將計算結果發送給飛控裝置保持飛機懸停狀態。

優選地，在提取FAST角點，首先需要通過調整候選特征點p與周圍點之間像素差的閾值ε；然后通過公式(1)提取FAST角點：