四旋翼飞行器室内自主导航研究现状

沈宝国 王彩凤 梁佩佩 廖泽宇

（1.江苏航空职业技术学院 镇江市无人机应用创新重点实验室，镇江 212134；2.盐城工学院机械工程学院优集学院，盐城 224051）

多旋翼飞行器是一种能够垂直起的飞行器，具有结构简单、控制灵活和垂直起降等特点，凭借其良好的机动性、悬停能力以及低速飞行性能受到广泛关注，在民用和军用领域得到了广泛应用[1]。按飞行器旋翼个数多旋翼飞行器可分为四旋翼、六旋翼和八旋翼，其中使用频率最高的是四旋翼飞行器，同时它是世界无人机发展的主要方向[2]。

四旋翼飞行器在室内能够自主飞行，可以完成室内营救、防恐侦查等活动。因此对四旋翼飞行器室内自主导航进行研究具有重要研究意义和应用价值。无人机自主导航借助全球导航卫星系统和惯性测量单元组合导航系统来完成导航任务。全球导航卫星系统是支撑无人机自主导航、安全飞行的关键技术，而室内场景受到建筑物遮挡以及多路径效应影响，使全球导航卫星系统信号快速衰减甚至完全消失，导致无法达到室内导航定位需求。所以近年来为了解决在全球导航卫星系统信号缺失情况下无人机自主飞行问题，越来越多的研究人员将单目/双目视觉、光流传感器及激光雷达引入无人机室内自主导航研究领域。本文分别就以上三种技术概念、原理及常用算法进行介绍分析，进而对三种技术优势进行组合，实现无人机室内自主飞行。

1 基于单目/双目视觉的自主导航

单、双目视觉自主导航主要利用计算机来模拟人眼功能，从客观存在事物的图像中提取有价值图像信息，对其进行图像分割、特征提取、目标识别及场景理解，最终提取目标物的有价值导航参数信息[3]。

单目视觉主要依靠摄像机来标定，在结构化环境中，采取特定对象辅助恢复三维场景结构。具体实现步骤如下：首先在地面铺设与地面颜色有差别的参考线辅助下，利用摄像头采集图像；其次进行参考线特征提取，确定参考线与机体的相对位置，并与微惯性测量单元数据融合；最后，给出四旋翼飞行器的位置[4-6]。

双目视觉又称为立体视觉，作为计算机视觉重要分支，具有隐蔽性好、功耗低、信息量丰富及可以确定场景中的三维深度信息等优势[7]。具体实现步骤如下：首先，使用安装在四旋翼飞行器机身上两个摄像头从多个不同方位获取图像，并根据双目视觉原理恢复其周围环境特征点的三维坐标值；然后利用角点匹配算法换算视差值，实现无人机在走廊横向坐标位置信息提取；最后采用区域灰度算法进行立体匹配获取视差图，从视差图上检测出障碍物，并给出避障导航路线。该方法通过两个摄像头获取左右两个相机采集到的图像像位差，同时结合相机模型建立空间投影关系得到位置信息[8-10]。双目立体视觉系统算法流程如图1所示。

图1 双目立体视觉算法流程

2 基于光流传感器的自主导航

光流概念由Gibson在1950年首先提出，具体是指图像中灰度模式表面运动可看作是带有灰度的像素点在成像平面图像上运动产生的瞬时速度场，可利用素灰度时域变化和相关性确定各个像素点运动速度[11-13]。

光流传感器将图像采集系统和数字信号处理器整合到一个芯片上，并内嵌光流算法一体式视觉传感器[14]。光流传感器通过图像采集系统，以一定速率连续采集物体表面图像，再由数字信号处理器对所产生的图像数字矩阵进行分析。由于相邻两幅图像会存在相同特征，通过对比这些特征点的位置变化信息，判断出物体表面特征平均运动，该分析结果最终被转换为二维的坐标偏移量，并以像素数形式存储在特定寄存器中，实现对特定运动物体的检测。

本文以小型四旋翼无人机作为实验平台建立光流数学模型，在分析光流测量误差后，提出了利用双光流传感器测量飞行器高度及速度数据；采用两组性能一样的光流模块作为光流传感器，传感器间隔为0.1m，光流传感器坐标系与飞行器机体坐标系对齐[14]。双光流检测几何关系如图2所示。

图2 双光流检测几何关系

3 基于激光雷达的自主导航

激光雷达是传统雷达技术与现代激光技术相结合的产物，是一种主动式现代光学遥感技术。激光具有高亮度性、高方向性、高单色性和高相干性等独特优势，因此激光雷达具有角分辨率高、距离分辨率高、速度分辨率高、测速范围广、能获得目标的多种图像以及抗干扰能力强等优点[15]。

利用激光雷达进行室内导航，具体流程如下：首先，使用激光雷达对室内场景进行激光探测，获取周围障碍物距离探测点相对坐标数值；其次，构建以探测点为中心、以雷达扫描半径为最大区域的环境地图；最后，在车辆行驶过程中连续使用激光雷达进行探测，获取以当前位置为中心的环境信息，与地图中特征点进行对比后确定车辆在地图中所处位置，从而达到自主导航目的[16]。

在微惯性和激光雷达组合导航系统中，微惯性系统可辅助解决激光雷达探测信息运动学推算问题；而在特征细节丰富区域，通过激光雷达，可获得精确的相对定位信息，从而抑制微惯性系统导航定位参数发散问题，其所构成的微惯性/激光雷达组合导航系统如图3所示[17-19]。

图3 系统硬件设计连接框图

4 结论

室内导航技术是近些年来兴起的一个热点技术，是在室内完成四旋翼飞行器自主飞行的关键技术之一。四旋翼无人机室内自主飞行研究工作主要采用单目/双目视觉、光流传感器及激光雷达等三种技术。这三种技术虽然都能实现室内自主飞机，但是各自都存在一定问题，具体问题总结如下：

（1）基于单目/双目视觉的自主导航技术，信息量大、处理距离算法比较复杂，容易导致导航要求实时性不高；

（2）基于光流传感器的自主导航技术，视觉信息解算速度和光流可靠程度仍待提高；

（3）基于激光雷达的自主导航技术价格较高，且极易受到强光干扰。

因此，结合三种技术优势进行信息融合才能获得精度较高的导航信息，从而进一步促进室内无人机自主飞行技术发展。