多旋翼微型無(wú)人飛行器由于具有模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,體積小巧和機(jī)動(dòng)性強(qiáng)等特點(diǎn)得到了大量研究關(guān)注。其大多數(shù)應(yīng)用離不開(kāi)兩個(gè)基本能力:感知定位能力與規(guī)劃控制能力。在傳統(tǒng)的四旋翼微型無(wú)人飛行器研究框架中,無(wú)人機(jī)的軌跡規(guī)劃往往考慮的是運(yùn)動(dòng)模型約束和避障限制,而感知定位則與圖像傳感器的種類、數(shù)量、分布和實(shí)際場(chǎng)景息息相關(guān)。然而在眾多的飛行器結(jié)構(gòu)中,傳感器與飛行器本體通常是捷聯(lián)的,這樣的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致飛行器感知模塊的信息輸入與其本身運(yùn)動(dòng)軌跡嚴(yán)重耦合。特別是由于相機(jī)對(duì)觀測(cè)角度、運(yùn)動(dòng)速度和外部環(huán)境的敏感性,增加了基于相機(jī)的觀測(cè)系統(tǒng)在各種環(huán)境下失效的風(fēng)險(xiǎn)。因此,若直接將關(guān)于這兩個(gè)能力的獨(dú)立研究成果應(yīng)用于傳感器捷聯(lián)的飛行器系統(tǒng)中,并不能完全滿足實(shí)際任務(wù)場(chǎng)景的需求。針對(duì)上述實(shí)際問(wèn)題,本文著眼于提高感知定位系統(tǒng)的穩(wěn)定性與魯棒性。受到鳥(niǎo)類視覺(jué)系統(tǒng)的啟發(fā),設(shè)計(jì)了一套新穎的仿生飛行機(jī)械頸雙魚(yú)眼慣性系統(tǒng)。將用于感知定位的視覺(jué)慣性測(cè)量模塊放置于六自由度機(jī)械頸的末端,作為仿生系統(tǒng)的頭部,利用基于末端視覺(jué)慣性設(shè)備的位姿估計(jì)器估計(jì)飛行器本體的位姿。通過(guò)這種方式,系統(tǒng)的末端感知設(shè)備可以由機(jī)械頸控制,并相對(duì)于飛行器本體獨(dú)立地運(yùn)動(dòng)。這種將飛行器本體與... 

【文章來(lái)源】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)黑龍江省 211工程院校 985工程院校

【文章頁(yè)數(shù)】：75 頁(yè)

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

無(wú)人飛行器在各行各業(yè)中的應(yīng)用

機(jī)械臂抓取任務(wù)過(guò)程中，飛行器的抓取姿態(tài)受限，此時(shí)若可使相機(jī)相對(duì)目標(biāo)抓取物體自由移動(dòng)，能夠有效提升視覺(jué)伺服系統(tǒng)感知效果；在飛行器對(duì)場(chǎng)景自主探索并建立地圖或執(zhí)行指定飛行軌跡時(shí)，由于相機(jī)感知模塊觀測(cè)的場(chǎng)景未知或者只能被動(dòng)地觀測(cè)環(huán)境，有觀測(cè)到諸如白墻、純色表面等毫無(wú)特征的場(chǎng)景的可能，因此存在視覺(jué)系統(tǒng)失效甚至飛行器墜毀的風(fēng)險(xiǎn)。而如果能夠相對(duì)于飛行器本體主動(dòng)地移動(dòng)相機(jī)感知模塊，趨利避害地主動(dòng)調(diào)整觀察環(huán)境的視角，觀察場(chǎng)景特征豐富的區(qū)域，即能降低系統(tǒng)失效的風(fēng)險(xiǎn)，有效增加飛行視覺(jué)感知系統(tǒng)的魯棒性。圖2-1鳥(niǎo)類的頸眼系統(tǒng)圖2-2飛行頸眼系統(tǒng)示意圖因此，本文將針對(duì)室內(nèi)狹窄環(huán)境的特點(diǎn)，模仿鳥(niǎo)類頸眼的結(jié)構(gòu)，構(gòu)建一套放置于六自由度機(jī)械頸末端的雙魚(yú)眼慣性測(cè)量感知模塊。2.1.2系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)系統(tǒng)整體架構(gòu)（圖2-3）由機(jī)械系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成。圖中深色矩形為機(jī)械結(jié)構(gòu)模塊，淺色矩形為軟件算法模塊，淡灰色矩形為計(jì)算單元模塊。虛線框代表軟件系統(tǒng)模塊，模塊間的箭頭鏈接線是數(shù)據(jù)流走向，無(wú)箭頭的連接線代表機(jī)械連接。其中，機(jī)械系統(tǒng)分為飛行器本體與機(jī)械頸兩部分。飛行器本體為六旋翼飛行器，有足夠的負(fù)載冗余搭載機(jī)械頸眼設(shè)備。機(jī)械頸基于[51,52]中的設(shè)計(jì)，改進(jìn)六自由度串聯(lián)機(jī)械臂的部分關(guān)節(jié)的連接結(jié)構(gòu)，作為機(jī)械頸，并將末端的機(jī)械爪替換為感知模塊。此模塊由兩個(gè)魚(yú)眼相機(jī)組成的雙魚(yú)眼相機(jī)和一個(gè)慣性測(cè)量模塊組成，作為仿生頭部，通過(guò)感知模塊的位姿估計(jì)結(jié)果來(lái)估計(jì)飛行器本體的位姿。而軟件系統(tǒng)則主要分為上層軟件系統(tǒng)和底層軟件系統(tǒng)，分別作為大腦和小腦。上層計(jì)算設(shè)備負(fù)責(zé)運(yùn)行需要大量算力的視覺(jué)里程計(jì)、主動(dòng)視覺(jué)規(guī)劃等上層算法，而底層主控設(shè)備負(fù)責(zé)飛行器的與機(jī)械頸的控制。本文將這個(gè)搭載于無(wú)人飛行器上的機(jī)械頸眼系?

討校?尚釁韉淖ト∽頌?芟蓿?聳比艨墑瓜嗷?嘍閱勘曜ト∥鍰遄?由移動(dòng)，能夠有效提升視覺(jué)伺服系統(tǒng)感知效果；在飛行器對(duì)場(chǎng)景自主探索并建立地圖或執(zhí)行指定飛行軌跡時(shí)，由于相機(jī)感知模塊觀測(cè)的場(chǎng)景未知或者只能被動(dòng)地觀測(cè)環(huán)境，有觀測(cè)到諸如白墻、純色表面等毫無(wú)特征的場(chǎng)景的可能，因此存在視覺(jué)系統(tǒng)失效甚至飛行器墜毀的風(fēng)險(xiǎn)。而如果能夠相對(duì)于飛行器本體主動(dòng)地移動(dòng)相機(jī)感知模塊，趨利避害地主動(dòng)調(diào)整觀察環(huán)境的視角，觀察場(chǎng)景特征豐富的區(qū)域，即能降低系統(tǒng)失效的風(fēng)險(xiǎn)，有效增加飛行視覺(jué)感知系統(tǒng)的魯棒性。圖2-1鳥(niǎo)類的頸眼系統(tǒng)圖2-2飛行頸眼系統(tǒng)示意圖因此，本文將針對(duì)室內(nèi)狹窄環(huán)境的特點(diǎn)，模仿鳥(niǎo)類頸眼的結(jié)構(gòu)，構(gòu)建一套放置于六自由度機(jī)械頸末端的雙魚(yú)眼慣性測(cè)量感知模塊。2.1.2系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)系統(tǒng)整體架構(gòu)（圖2-3）由機(jī)械系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成。圖中深色矩形為機(jī)械結(jié)構(gòu)模塊，淺色矩形為軟件算法模塊，淡灰色矩形為計(jì)算單元模塊。虛線框代表軟件系統(tǒng)模塊，模塊間的箭頭鏈接線是數(shù)據(jù)流走向，無(wú)箭頭的連接線代表機(jī)械連接。其中，機(jī)械系統(tǒng)分為飛行器本體與機(jī)械頸兩部分。飛行器本體為六旋翼飛行器，有足夠的負(fù)載冗余搭載機(jī)械頸眼設(shè)備。機(jī)械頸基于[51,52]中的設(shè)計(jì)，改進(jìn)六自由度串聯(lián)機(jī)械臂的部分關(guān)節(jié)的連接結(jié)構(gòu)，作為機(jī)械頸，并將末端的機(jī)械爪替換為感知模塊。此模塊由兩個(gè)魚(yú)眼相機(jī)組成的雙魚(yú)眼相機(jī)和一個(gè)慣性測(cè)量模塊組成，作為仿生頭部，通過(guò)感知模塊的位姿估計(jì)結(jié)果來(lái)估計(jì)飛行器本體的位姿。而軟件系統(tǒng)則主要分為上層軟件系統(tǒng)和底層軟件系統(tǒng)，分別作為大腦和小腦。上層計(jì)算設(shè)備負(fù)責(zé)運(yùn)行需要大量算力的視覺(jué)里程計(jì)、主動(dòng)視覺(jué)規(guī)劃等上層算法，而底層主控設(shè)備負(fù)責(zé)飛行器的與機(jī)械頸的控制。本文將這個(gè)搭載于無(wú)人飛行器上的機(jī)械頸眼系統(tǒng)稱為飛行機(jī)械頸眼系


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