近年來隨著計算機視覺、傳感器技術(shù)、人工智能等領(lǐng)域的快速發(fā)展,無人機技術(shù)水平取得了長足的發(fā)展,為國家及社會的安全與便利提供了保障。為保證無人機飛行的安全性與可靠性,無人機實時定位與規(guī)劃避障技術(shù)顯得愈發(fā)重要,已逐步引起了研究者的關(guān)注。面對無人機實際飛行需要和新的難點挑戰(zhàn),本文利用多傳感器融合技術(shù)進行位姿跟蹤并設(shè)計了兩種三維空間的路徑規(guī)劃方法。首先,針對單一傳感器即時定位與地圖構(gòu)建技術(shù)(SimultaneousLocalization and Mapping,SLAM)在精度方面的不足,本文在分析權(quán)衡各類傳感器優(yōu)缺點的基礎(chǔ)上,使用全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System,GNSS)、慣性測量單元(Inertial Measurement Unit,IMU)、雙目立體視覺(Stereo Visual)共同構(gòu)建了多傳感器融合的位姿跟蹤系統(tǒng)。利用GNSS提供全局定位信息進行校準,利用IMU提供載體運動信息進行輔助定位,利用Stereo Visual獲取圖像信息進行視覺位姿跟蹤,充分發(fā)揮傳感器間的互補優(yōu)勢,為系統(tǒng)帶來了較強的魯棒性。此外,本文設(shè)計了 GNSS-IMU、GNSS-IMU-Stereo Visual兩大功能模塊,協(xié)同完成對無人機位姿的跟蹤定位工作,相比傳統(tǒng)視覺SLAM方法在定位精度方面有著更好的表現(xiàn)。在獲取無人機精確位姿信息之后,結(jié)合傳感器感知獲取的三維環(huán)境信息,可進行環(huán)境初步建模。進一步的,本文利用組合濾波去噪方法和去冗余地圖拼接方法共同完成三維空間模型的構(gòu)建,并利用八叉樹結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換得到了三維空間柵格地圖。在此基礎(chǔ)上,本文設(shè)計了兩種適用于無人機的路徑規(guī)劃方法,能夠在保障無人機運動的靈活性的同時快速魯棒地完成路徑規(guī)劃任務(wù),進一步保證了無人機飛行的安全性和執(zhí)行任務(wù)的高效性。
【學位單位】：浙江大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：V279;V249;TP212
【部分圖文】：

并帶來極大的便利，智能無人機作為其中的一個重要方面，已經(jīng)逐步發(fā)展出了軍逡逑用級，工業(yè)級，消費級多層次的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，為國家及社會的安全與便利提供了保逡逑障。具體的，如圖１．１所示，軍用領(lǐng)域的無人機更為注重飛行速度與打擊能力；逡逑農(nóng)林植保，線路巡檢所使用的無人機更傾向于在長時間滯空的情況下解決專業(yè)問逡逑題；而城市中的消費級無人機則需要解決在城市復(fù)雜的飛行條件下的精準定位與逡逑實施避障問題，并在此基礎(chǔ)上利用人臉識別、行為分析等技術(shù)完成與用戶的人機逡逑交互。逡逑ＥｍｕＨＨ邋：逡逑圖１．１各領(lǐng)域的智能無人機逡逑無人機的靈活應(yīng)用與部署離不開精確的環(huán)境感知與位姿追蹤，迅速發(fā)展的傳逡逑感器科學為此提供了保障。對于戶外工作的軍民用中大型無人機而言，全球衛(wèi)星逡逑定位系統(tǒng)（Ｇｌｏｂａｌ邋Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ邋Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ邋Ｓｙｓｔｅｍ，邋ＧＮＳＳ）是無人機跟蹤定位的主要逡逑信息源，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合可見光相機便可對環(huán)境進行充分感知。然而，這對于逡逑以城市環(huán)境為主要應(yīng)用場景的消費級無人機而言卻困難的多。由于城市內(nèi)建筑物逡逑繁多，遮擋嚴重，ＧＮＳＳ的定位數(shù)據(jù)不再絕對可靠。而且由于城市內(nèi)光

僅僅依靠可見光相機也顯得有些力不從心。近年來，隨著傳感器科學的逡逑發(fā)展，設(shè)備工藝水平的不斷提高，傳感器的高精度化、小型化、便攜化已成為大逡逑勢所趨（如圖１．２所示）�？蒲腥藛T開始聚焦于融合多傳感器信息進行環(huán)境感知逡逑以求獲得更為全面的環(huán)境感知數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上利用即時定位與地圖構(gòu)建逡逑（ＳｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓＬｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎａｎｄＭａｐｐｉｎｇ，ＳＬＡＭ）技術(shù)更好的跟蹤無人機、無人逡逑車等設(shè)備的位姿軌跡，保障運行安全。逡逑圖１．２邋ＭＥＭＳ傳感器與］６線激光雷達逡逑此外對于無人機而言，路徑規(guī)劃技術(shù)同樣是保證其靈活性與實用性的關(guān)鍵技逡逑術(shù)。無人機的路徑規(guī)劃技術(shù)是在三維環(huán)境中，綜合考慮環(huán)境威脅、無人機物理條逡逑件、飛行區(qū)域限制等諸多因素，為無人機規(guī)劃出最優(yōu)的全局路徑，亦或是最安全逡逑的局部飛行路徑，使無人機能夠避開各類危險，完成預(yù)定任務(wù)目標。與機器人、逡逑無人車等設(shè)備路徑規(guī)劃不同的是

并在優(yōu)化求解的同時不斷更新。作為第一個可以實時運行的ＳＬＡＭ系統(tǒng)，逡逑ＭｏｎｏＳＬＡＭ為視覺ＳＬＡＭ的發(fā)展做出了巨大貢獻，可以稱得上是里程碑式的工逡逑作。圖１．３是ＭｏｎｏＳＬＡＭ運行時的截圖，其中左圖表示對圖像中的特征點進行逡逑追蹤，右圖表示觀測到的三維空間中的路標信息。這里，使用了橢球來表示路標逡逑的均值和不確定度。由于單目相機提取得到的深度信息并不準確，所以路標點在逡逑相機Ｚ方向上不確定性較大。逡逑，／ｙ逡逑圖１．３邋ＭｏｎｏＳＬＡＭ效果展示逡逑此外，Ｋｌｅｉｎ，邋Ｄａｖｉｄ等人提出了另一個重要的視覺ＳＬＡＭ系統(tǒng)框架ＰＴＡＭ逡逑（Ｐａｒａｌｌｅｌ邋Ｔｒａｃｋｉｎｇ邋ａｎｄ邋Ｍａｐｐｉｎｇ邋）［１６］，這個框架是針對增強現(xiàn)實（Ａｕｇｍｅｎｔｅｄ邋Ｒｅａｌｉｔｙ，逡逑ＡＲ）領(lǐng)域開發(fā)，是ＳＬＡＭ技術(shù)與ＡＲ技術(shù)的第一次結(jié)合。ＰＴＡＭ第一次為ＳＬＡＭ逡逑系統(tǒng)引入了前后端的概念，同時提出了跟蹤與建圖過程的并行化，這一思路被后逡逑續(xù)ＳＬＡＭ廣泛采納。此外

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本文編號：2822045