無人機視覺導(dǎo)航關(guān)鍵技術(shù)的研究

沈會龍 杜梅剛 梁東奇

摘 要：隨著我國經(jīng)濟和科技的不斷發(fā)展，我國在無人機領(lǐng)域的研究也取得了較大進展，無人機的應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣泛。本文主要介紹了利用視覺導(dǎo)航技術(shù)進行無人機設(shè)計可以在圓滿完成飛行任務(wù)的同時降低導(dǎo)航成本，因此應(yīng)用范圍更為廣泛。本文通過對無人機視覺導(dǎo)航技術(shù)的介紹以期促進我國科技的進步。

關(guān)鍵詞：無人機；視覺導(dǎo)航；技術(shù)研究

無人機體積比較小，而且靈活性高，操作比較簡單，安全性比較強，因此可以廣泛應(yīng)用于監(jiān)控、拍攝等領(lǐng)域。隨著視覺導(dǎo)航技術(shù)的不斷發(fā)展，無人機技術(shù)的發(fā)展也越來越先進，逐漸走進人們的日常生活中。我國無人機也已經(jīng)由傳統(tǒng)的導(dǎo)航精度差、飛行效率低逐漸發(fā)展為工作效率高、安全性能好的新式無人機。對無人機應(yīng)用視覺導(dǎo)航技術(shù)可以實現(xiàn)對圖像的預(yù)處理，使飛行目的更為清晰，同時還能提高無人機的飛行精度以及視頻的清晰度以及穩(wěn)定性，而且新式無人機實時性強，具有較強的抗干擾能力。

一、無人機及視覺導(dǎo)航技術(shù)簡介

無人機本質(zhì)是一種無人駕駛飛行器，其依靠動力進行飛行，人們通過無線電遙控設(shè)備或者其它程序?qū)ζ溥M行控制，實現(xiàn)其可以利用空氣動力進行飛行。無人機可以執(zhí)行許多飛行任務(wù)，而且還可以重復(fù)使用。隨著我國科技水平的不斷提高以及人們生活質(zhì)量不斷提升，無人機的應(yīng)用范圍也越來越廣泛，無人機可以執(zhí)行軍事偵察、遠程攻擊等軍事任務(wù)，還可以應(yīng)用在航拍、火災(zāi)預(yù)防監(jiān)測、地圖測繪等民用領(lǐng)域。無人機在總體上可以分為固定翼無人機、直升無人機、以及多旋翼無人機三類。在日常生活中最常見的就是多旋翼無人機，這種無人機功能性較強，而且結(jié)構(gòu)簡單、容易維修、造價較低廉，因此深受消費者喜愛，在世界上也得到了較大范圍的應(yīng)用。

視覺導(dǎo)航技術(shù)是指應(yīng)用自主導(dǎo)航技術(shù)，利用計算機視覺技術(shù)方面技術(shù)對無人機的航拍圖像進行分析和處理，根據(jù)無人機配置的傳感器相關(guān)參數(shù)可以得出無人機當前位置以及當前飛行狀態(tài)。將視覺導(dǎo)航技術(shù)應(yīng)用到無人機上可以降低導(dǎo)航成本，同時提高導(dǎo)航精確度，使之在完成飛行任務(wù)的同時還具有較強的抗干擾性。目前無人機的視覺導(dǎo)航技術(shù)可以通過基于圖像序列的追蹤、基于自然景觀或者之前采集的圖像進行匹配定位以及IMU慣性設(shè)備和視覺計算相卡爾曼濾波這幾種方式實現(xiàn)，視覺導(dǎo)航的關(guān)鍵技術(shù)是指圖像的匹配和圖像的追蹤。在實際應(yīng)用中，單單進行圖像的匹配或者圖像的追蹤不能滿足無人機的自主飛行要求，因此設(shè)計人員應(yīng)當將這兩種技術(shù)進行共同設(shè)計才能提高無人機的飛行精度，進而提高無人機的工作效率及工作質(zhì)量。

二、無人機視覺導(dǎo)航的關(guān)鍵技術(shù)分析

在進行無人機視覺導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計時，首先應(yīng)當進行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計，合理設(shè)計好無人機的升力系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、飛機系統(tǒng)、機體以及起落架。無人機的工作原理是通過控制電機轉(zhuǎn)速的大小來改變飛機的升力進而實現(xiàn)飛行。無人機在進行硬件平臺的搭建時需要采集圖像信息以及無人機飛行狀態(tài)信息，導(dǎo)航軟件再針對這些信息進行模擬計算，將計算結(jié)果發(fā)送到無人機上，從而設(shè)計好無人機的飛行軌道。

（一）軟件設(shè)計。按照相機數(shù)量可以將無人機視覺導(dǎo)航系統(tǒng)劃分為單目視覺系統(tǒng)、雙目視覺系統(tǒng)以及多目視覺系統(tǒng)，按照是否需要地圖還可以將其劃分為地圖型導(dǎo)航以及無地圖型導(dǎo)航。地圖導(dǎo)航視覺系統(tǒng)是通過將當前圖和實際地圖進行匹配的方式進行定位，而無地圖導(dǎo)航型是基于圖像序列進行位置追蹤計算。無人機通過攝像頭進行圖像幀的獲取，然后再對圖像進行壓縮、灰度化等預(yù)處理，之后再根據(jù)無人機的飛行參數(shù)對無人機當前的飛行狀態(tài)進行估計，如果無人機正處于飛行中就應(yīng)用視覺導(dǎo)航算法進行計算，如果正處于降落中，就應(yīng)用自主降落算法進行計算。工作人員需要對無人機的飛行姿態(tài)進行實時調(diào)整，從而根據(jù)視覺追蹤和視覺匹配共同確定無人機的位置信息。在無人機進行航拍時，還要對云臺進行設(shè)計，目前無人機云臺設(shè)計已經(jīng)從原本的固定式云臺發(fā)展到如今的云臺相機。云臺相機可以實現(xiàn)任意角度、任意位置的拍攝，即使無人機在高速飛行時也能保證視頻的清晰度以及穩(wěn)定性。飛機在起飛階段時，飛行任務(wù)管理軟件依據(jù)地面命令使無人機獲取控制權(quán)，當無人機到達指定高度后再按照既定軌跡調(diào)整無人機的飛行路線，應(yīng)用日志模塊進行中間結(jié)果或異常信息的保存。

（二）硬件設(shè)計。在進行無人機的硬件設(shè)計時需要考慮很多因素，例如飛行器自身機載能力、續(xù)航能力以及飛行控制等。無人機在空中飛行時，一旦出現(xiàn)故障將很容易墜落，這就給行人帶來巨大的安全隱患，同時還會危害人們的財產(chǎn)安全。因此在進行硬件設(shè)計時，首先要考慮無人機的安全性，保障機身在飛行過程中的穩(wěn)定。同時還要對數(shù)據(jù)接口進行兼容性測試，保障接口在進行設(shè)備傳輸時的可靠性。在進行設(shè)計時還要考慮無人機的機身、負載重量，降低無人機的飛行功耗，同時還要保證數(shù)據(jù)采集的實時性和準確性，保證無人機工作的準確性以及高精度。無線數(shù)傳電臺是通過借助DSP技術(shù)和無線電技術(shù)來實現(xiàn)高質(zhì)量的數(shù)據(jù)傳輸，其可以廣泛用于點對點無線控制系統(tǒng)以及交通控制系統(tǒng)。首先無人機將機載計算機的數(shù)據(jù)發(fā)送給地面站，然后地面站再將命令信息發(fā)送給機載計算機，從而實現(xiàn)對無人機的控制。數(shù)傳電臺的傳輸距離較大，而且具有較高的數(shù)據(jù)吞吐量以及抗干擾能力，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

（三）數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議是無人機與地面站收發(fā)數(shù)據(jù)格式的協(xié)議，常用的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議為MAVLink協(xié)議，其對無人機的方向、GPS值以及飛行模式等進行了規(guī)定。妙算到地面站過程涉及的數(shù)據(jù)類別為代表飛控給出的GPS坐標、無人機狀態(tài)、當前航點位置、下一個航點位置、無人機飛行模式等，地面站到妙算涉及的數(shù)據(jù)類別為代表控制命令、回家命令、設(shè)置GPS航點命令等。

三、總結(jié)

本文首先對無人機以及視覺導(dǎo)航及其關(guān)鍵技術(shù)進行了簡要介紹，然后重點分析了無人機視覺導(dǎo)航的關(guān)鍵技術(shù)。在了解無人機自主導(dǎo)航系統(tǒng)的整體需求之后進行硬件以及軟件設(shè)計，分析模塊之間的關(guān)系，從而完成系統(tǒng)的設(shè)計。將視覺導(dǎo)航技術(shù)應(yīng)用到無人機上可以增強圖像視頻的清晰度以及穩(wěn)定性，提高飛行效率和飛行質(zhì)量，進而促進我國科技的發(fā)展以及社會的進步。

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