基于多传感器融合的四旋翼无人机室内自主飞行技术

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随着无人驾驶技术的不断发展,四旋翼无人机凭借体积小、机动灵活、便于安装调试等诸多优点受到了人们的广泛青睐。目前无人机室外飞行技术已经日趋成熟,但在室内未知环境中,由于GPS信号容易受到干扰,无法提供准确的定位信息,导致无人机室内飞行受到了极大限制。因此本文设计了一种基于多传感器融合的四旋翼无人机室内飞行平台,该平台能够实时获取飞行器的位置信息并构建出前向可飞行通道,实现室内走廊的自主飞行。(1)针对室内GPS信号拒止场景和微型无人机的结构特性,对四旋翼无人机飞行平台进行了总体方案设计,并完成了硬件选型和软件平台搭建;研究了四旋翼无人机的控制模型,分析了姿态,位置控制器的控制原理,利用Simulink仿真平台验证了串级PID控制系统的稳定性。(2)对四旋翼无人机外部控制模式进行了分析,利用Gazebo仿真平台和真机飞行实验证明了外部控制方法的有效性;在宿舍走廊内完成了激光雷达点云数据的采集与处理;研究了Cartographer激光SLAM算法原理,针对原有算法在回环检测阶段出现的不足进行了改进,分别在仿真场景,室内走廊及密闭房间中进行了定位建图对比实验,结果表明改进后算法的实时性和准确性都有了明显提升。(3)构建了激光雷达与单目相机的联合标定模型,同时完成了棋盘格联合标定实验,根据标定结果求解出相机的内外参矩阵;使用边缘检测,霍夫变换等图像处理技术提取室内环境中的关键边界特征,估计出VP点在图像平面上的位置坐标,确定无人机的安全飞行区域;将点云数据与图像信息进行融合,构建出无人机的前向可飞行通道,并在实验室走廊中完成了前向飞行实验。(4)通过四旋翼无人机在Offboard模式下的圆形飞行实验证明了飞行控制系统在外部控制模式下是稳定可靠的;利用改进后的Cartographer算法完成了室内定位与建图实验,并对定位误差进行了分析,结果表明该算法的定位精度能够满足无人机的室内飞行要求;最后结合飞行通道构建方法在室内走廊场景下进行了真机飞行实验,验证了无人机室内自主飞行策略的有效性。
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