专利名称：四轴飞行器视觉导航系统设计的制作方法
技术领域：
本发明属于视觉导航领域，涉及一种四轴飞行器视觉导航系统设计，特别涉及一种能够实现四轴飞行器视觉信息采集、无线传输、惯性导航单元测量位置姿态、四轴飞行器飞行控制功能的设计。
背景技术：
四轴飞行器是一种形式的无人机(UAV)，无人机使用全球定位系统(GPS)导航定位和惯性导航系统(MU)。GPS的估计精度直接取决于参与定位的卫星的数量以及接收设备接收信号的质量与电台的影响。此外，相邻设备的无线电频率干扰或信道堵塞都可能导致位置估计的不可靠，而这些问题又是普遍存在且难以解决。在无法使用或获得有效GPS信号的时候，无人机的导航系统只能依靠惯性导航系统，而高精度的惯性导航系统依靠于高精度的传感器，这一方面增加了成本，一方面增加了无人机的载荷。另外，由于惯导系统的位置误差随时间的增长而积累，所以必须由外部信息校正，如果携带如无线电、激光扫描仪等设置，对于中小型无人机(MUAV)，载荷重量是一个最大限制。采用机载相机、惯性导航系统，实现在线测量，而通过无线传送的方式将采集的信息离线处理，在无线传送回机载高速处理器从而实现控制，这样解决了飞行器重量与控制精制的要求，这样又存在传输延迟的问题，因此在导航算法中应该加入延迟信息补偿。本设计提出的四轴飞行器视觉导航系统具有重要的应用价值。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，设计一种四轴飞行器视觉导航系统，实现利用视觉图像信息和惯性测量元件确定载体位置的功能。本发明所采用的技术方案是:一种四轴飞行器视觉导航系统，包括有视觉系统模块(I)，惯导测量模块(2)，视觉图像无线传输模块(3)，视觉图像处理模块(4)，飞行器运动控制模块(5)，各模块的功能描述如下:视觉系统模块(I)为机载相机和定时电路，实现视觉图像的采集和传输计时，为下一步图像处理做准备；惯导测量模块(2)利用陀螺仪和加速度计及压力传感器测量飞行器的方向、加速度、压力(高度)信息，得到后续载体位置估计的惯导数据；视觉图像无线传输模块(3)实现机载相机与图像处理计算机间、图像处理计算机与微处理器间的无线传输；视觉图像处理模块⑷由离线计算机组成，实现图像特征提取、跟踪、识别，给出基于图像信息的四轴飞行器的位置估计；飞行器运动控制模块(5)基于微处理器、控制算法实现四轴电机转速控制。采取的措施还包括:上述的视觉系统模块模块(I)中的定时器根据定时精度可选择不同位的定时器。上述的惯导测量模块⑵中的陀螺仪和加速度计均为MEMS。上述的视觉图像处理模块(4)中图像的处理采用光流分析法和快速角点法，同时引入图像传输延迟补偿。
上述的飞行器运动控制模块(5)中，采用Kalman滤波算法融合图像和惯导的位置估计，采用PID控制器实现四轴电机的转速控制。本发明的目的在于设计重量轻、成本低、功能全的四轴飞行器视觉导航系统。通过上述的5个功能模块实现视觉辅助导航，具有很强的实用性。
图1是本发明的整体结构图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步详细说明。视觉系统模块中机载相机实时捕捉目标图像，定时电路将在当前图像无线传输开始计时，当这个图像处理完成并输出微处理器后，结束计时，这个时间间隔为传输延迟，为后面滤波中传输延迟补偿使用。惯导测量模块利用MEMS陀螺仪和加速度计测量飞行器的方向和加速度信息，进而可解算出位置信息，而压力传感器测量飞行器所处高度的压力，并转化成高度值。视觉图像无线传输模块负责机载相机与图像处理计算机间、图像处理计算机与微处理器间的无线传输；视觉图像处理模块由离线计算机实现图像特征提取、跟踪、识别，给出基于图像信息的四轴飞行器的位置估计；飞行器运动控制模块基于微处理器、kalman滤波算法和PID控制算法实现四轴电机转速控制。本发明的优点在于，设计的四轴飞行器视觉导航系统结构简单，成本低廉，操作方便，功能齐全。
权利要求
1.本发明设计一种四轴飞行器视觉导航系统，实现利用视觉图像信息和惯性测量元件确定载体位置的功能。本发明所采用的技术方案是:一种四轴飞行器视觉导航系统，包括有视觉系统模块(I)，惯导测量模块(2)，视觉图像无线传输模块(3)，视觉图像处理模块(4)，飞行器运动控制模块(5)。其特征在于:视觉系统模块(I)为机载相机和定时电路，实现视觉图像的采集和传输计时，为下一步图像处理做准备；惯导测量模块(2)利用陀螺仪和加速度计及压力传感器测量飞行器的方向、加速度、压力(高度)信息，得到后续载体位置估计的惯导数据；视觉图像无线传输模块(3)实现机载相机与图像处理计算机间、图像处理计算机与微处理器间的无线传输；视觉图像处理模块(4)由离线计算机组成，实现图像特征提取、跟踪、识别，给出基于图像信息的四轴飞行器的位置估计；飞行器运动控制模块(5)基于微处理器、控制算法实现四轴电机转速控制。
2.根据权利要求1所述的一种四轴飞行器视觉导航系统，其特征在于，所述的视觉系统模块模块(I)中的定时器根据定时精度可选择不同位的定时器。
3.根据权利要求1所述的一种四轴飞行器视觉导航系统，其特征在于，所述的惯导测量模块(2)中的陀螺仪和加速度计均为MEMS。
4.根据权利要求1所述的一种四轴飞行器视觉导航系统，其特征在于，所述的视觉图像处理模块(4)中图像的处理采用光流分析法和快速角点法，同时引入图像传输延迟补m\-ΖΧ ο
5.根据权利要求1所述的一种四轴飞行器视觉导航系统，其特征在于，所述的飞行器运动控制模块(5)中，采用Kalman滤波算法融合图像和惯导的位置估计，采用PID控制器实现四轴电机的转速控制。
全文摘要
本发明属于视觉导航领域，具体为一种四轴飞行器视觉导航系统设计，包括有视觉系统模块，惯导测量模块，视觉图像无线传输模块，视觉图像处理模块，飞行器运动控制模块，采用机载相机、惯性测量元件，实现在线测量，而通过无线传送的方式将采集的信息离线处理，在无线传送回机载高速处理器从而实现控制，这样解决了飞行器重量与控制精制的要求，在导航算法中加入延迟信息补偿解决传输延迟的问题。本设计提出的四轴飞行器视觉导航系统具有重要的应用价值。
文档编号G01C21/28GK103196453SQ201310138790
公开日2013年7月10日 申请日期2013年4月19日 优先权日2013年4月19日
发明者成怡 申请人:天津工业大学