。
[0080] 由于采用基于光流傳感器或加速度傳感器的定位算法目的是直接或間接獲取無 人機的水平速度信息，所以本章中只考慮水平方向無人機的速度信息融合方法。
[0081] 在理想狀態(tài)下，無人機X方向的速度信息vx，y方向的速度信息vy，與其對應(yīng)加速 度信息ax，ay具有如下關(guān)系：
[0084] 但在實際測量過程中，由于傳感器自身精度及外界干擾的存在，測量結(jié)果往往包 含有大量的噪聲信號和干擾信息，這里將采用光流傳感器獲取的速度信息簡化為如下形 式：
[0087] 這里的￥_。31_)!、￥_(：31_^ )!^分別為采用光流傳感器獲得的1和7方向的測量值 和無人機水平速度X和y方向的真值，μ jP μ 別為測量噪聲，均為恒定值。
[0088] 采用互補濾波算法的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，根據(jù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，可以將系統(tǒng)的 輸出νχ〇?)寫成如下形式：
[0091] 其中其中\(zhòng)〇〇為本時間互補濾波器輸出的X方向的水平速度信息，νχ〇?1)為上一時 間互補濾波器輸出的X方向的水平速度信息，axS加速度傳感器獲得的X方向的加速度，Κ 1 為X方向的速度偏差的比例系數(shù)；vy〇i)為本時間互補濾波器輸出的y方向的水平速度信息， Vy0i υ為上一時間互補濾波器輸出的y方向水平速度信息，a ,為加速度傳感器獲得的y方向 的加速度，1(2為y方向的速度偏差的比例系數(shù)；在實際控制系統(tǒng)中，將K減K 2調(diào)整大時，濾 波器對光流傳感器的置信系數(shù)較大，反之，則對加速度傳感器的置信系數(shù)較大。
[0092] 下面給出具體的實例：
[0093] 一、系統(tǒng)硬件連接及配置
[0094] 本發(fā)明的基于視覺的四旋翼無人機自主飛行控制方法采用基于嵌入式架構(gòu)的飛 行控制結(jié)構(gòu)，所搭建的實驗平臺包括四旋翼無人機本體、地面站、遙控器等。其中四旋翼無 人機搭載了機載PX4FL0W光流傳感器、飛行控制器（內(nèi)核芯片為Freescale K60芯片并集 成了慣性導(dǎo)航單元和氣壓計模塊等）。地面站包括一臺裝有Linux操作系統(tǒng)的筆記本計算 機，用于機載程序的啟動及遠程監(jiān)控。該平臺可通過遙控器進行手動起飛和降落，并在發(fā)生 意外時緊急切換為手動模式，以確保實驗安全。
[0095] 二、飛行實驗結(jié)果
[0096] 本實施例對上述實驗平臺進行了多組飛行控制實驗，飛行實驗環(huán)境為室內(nèi)環(huán)境 中?？刂颇繕?biāo)是實現(xiàn)四旋翼無人機的室內(nèi)懸停定位功能。
[0097] 室內(nèi)手持實驗過程中無人機的數(shù)據(jù)曲線如圖3所示。其中，手持無人機保持不 動，其速度與融合速度如圖3所示，可以認(rèn)為無人機的實際速度幾乎為0,此時x軸光流傳 感器的裸數(shù)據(jù)的平均值為19. 64cm/s，融合之后的數(shù)據(jù)為6. 185cm/s，y軸的數(shù)據(jù)則分別為 27. 07cm/s和8. 34cm/s，可見融合之后的速度信息能夠消除光流傳感器的誤差等，融合算 法是有效的。此外，由圖4所示，無人機在懸停過程中目標(biāo)俯仰角pitch與實際俯仰角偏差 的絕對值均值為2. 077°，滾轉(zhuǎn)角roll的這一數(shù)據(jù)為0. 986°，控制器有著較為良好的控制 效果。
【主權(quán)項】
1. 一種加速度與光流傳感器數(shù)據(jù)融合無人機水平速度控制方法，其特征是，利用安裝 在四旋翼無人機底部的光流傳感器獲取無人機的水平速度信息，并利用飛行控制器上的加 速度傳感器獲取無人機的加速度信息，采用互補濾波器將上述數(shù)據(jù)進行融合，獲取較為精 準(zhǔn)的無人機與地面的相對速度。2. 如權(quán)利要求1所述的加速度與光流傳感器數(shù)據(jù)融合無人機水平速度控制方法，其特 征是，當(dāng)攜帶有光流傳感器的四旋翼無人機飛行時，外界影像相對于光流傳感器運動，光流 傳感器的感光平面上便形成了像素運動，其速度表示為V ciptleal，它的值正比于無人機的相對 速度vq，反比于無人機與地面的相對距離h，其關(guān)系可以表示為：通過上述關(guān)系，便可以推算出無人機相對于地面的相對速度vq。3. 如權(quán)利要求1所述的加速度與光流傳感器數(shù)據(jù)融合無人機水平速度控制方法，其 特征是，由于采用基于加速度傳感器和光流法的算法只能直接或間接獲取無人機的水平的 速度信息，所以只考慮水平方向無人機的水平速度信息融合方法，無人機的機體坐標(biāo)系的X 方向上： 在理想狀態(tài)下，無人機X方向的水平速度信息Vx與其對應(yīng)加速度信息a具有如下關(guān) 系：ax為加速度信息a的X方向的加速度，上式符號上方的點表示一階導(dǎo)數(shù)，在實際測量過 程中，由于傳感器自身精度及外界干擾的存在，測量結(jié)果往往包含有大量的噪聲信號和干 擾信息，這里將由光流法獲取的速度信息簡化為如下形式：這里的Vciptw xS光流傳感器讀取的速度值，^為無人機傳感器相對于地面的相對速 度真值；μ x為測量噪聲，為恒定值； 飛行控制器獲取的無人機的飛行狀態(tài)信息是離散的信息，每一時間點的融合后的水平 位置速度信息可以表示為vxW，其中η為無人機信息的采樣次數(shù)。4. 如權(quán)利要求2所述的加速度與光流傳感器數(shù)據(jù)融合無人機水平速度控制方法，其特 征是，采用互補濾波器將上述數(shù)據(jù)進行融合：令第一次的融合速度值與光流傳感器的裸數(shù) 據(jù)值相等，BP :在第一個時間點后，在時域上的互補濾波器的輸出值Vx〇i)，即融合后的水平速度寫成 如下形式：其中νχ〇?)為本時間互補濾波器輸出的X方向的水平速度信息，Vx0i υ為上一時間互補 濾波器輸出的X方向的水平速度信息，ax為加速度信息a的X方向的加速度，K X方向的 速度偏差的比例系數(shù)；該濾波器利用光流傳感器的裸數(shù)據(jù)Vciptlral_x與上一時間的輸出V x0i 1} 做差作為并與比例系數(shù)K1構(gòu)造比例反饋，以加速度傳感器的數(shù)據(jù)a .的積分作為前向通道， 利用反饋通道補償積分得到的速度信息，通過測量值與上一時間點做差，消去光流傳感器 測量的速度值的測量噪聲μx，從而得到一個較為準(zhǔn)確的X方向的速度信息。5. 如權(quán)利要求4所述的加速度與光流傳感器數(shù)據(jù)融合無人機水平速度控制方法，其特 征是，在實際控制系統(tǒng)中，通過調(diào)節(jié)K1的大小，改變無人機互補濾波器對加速度傳感器和光 流傳感器的置信系數(shù)；當(dāng)K 1較大時，對于光流傳感器的置信系數(shù)較大，反之，對加速度傳感 器的置信系數(shù)較大。6. 如權(quán)利要求4所述的加速度與光流傳感器數(shù)據(jù)融合無人機水平速度控制方法，其特 征是，對于無人機的機體坐標(biāo)系y方向，采用與X方向相同的速度融合算法，表述如下： 光流法獲得的y方向的速度?目息可以表不為：這里的￥_。&為光流傳感器讀取的速度值，'為無人機傳感器相對于地面的相對速 度真值；μ y為測量噪聲，為恒定值； 同樣，在融合算法中，令第一次的融合速度值與光流傳感器的裸數(shù)據(jù)值相等，BP :在第一個時間點后，在時域上的互補濾波器的輸出值Vy〇i)，即融合后的水平速度寫成 如下形式：其中vy〇i)為本時間互補濾波器輸出的y方向的水平速度信息，Vy0i υ為上一時間互補 濾波器輸出的y方向水平速度信息，ays加速度傳感器獲得的y方向的加速度，K 2為y方 向的速度偏差的比例系數(shù)。與機體坐標(biāo)系的X方向類似，通過改變通過調(diào)節(jié)K2的大小，可 以調(diào)節(jié)濾波器對于光流傳感器與加速度傳感器的置信系數(shù)。
【專利摘要】本發(fā)明涉及無人機定位方法，為提供一種新的基于方向信息的自適應(yīng)二次噪聲點檢測方法，該方法可以有效地降低了非噪聲點的誤判概率，并且能夠更有效地去除圖像中的椒鹽噪聲，對不同強度噪聲去噪的魯棒性較強。為此，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是，加速度與光流傳感器數(shù)據(jù)融合無人機水平速度控制方法，利用安裝在四旋翼無人機底部的光流傳感器獲取無人機的水平速度信息，并利用飛行控制器PCB板上的加速度傳感器獲取無人機的加速度信息，采用互補濾波器將上述數(shù)據(jù)進行融合，獲取較為精準(zhǔn)的無人機與地面的相對速度。本發(fā)明主要應(yīng)用于無人機定位。
【IPC分類】G01C21/20, G01C21/00
【公開號】CN105352495
【申請?zhí)枴緾N201510789452
【發(fā)明人】鮮斌, 金鑫
【申請人】天津大學(xué)
【公開日】2016年2月24日
【申請日】2015年11月17日