视觉辅助的交叉双旋翼无人直升机自主降落控制系统

为了使交叉双旋翼无人直升机在全球定位系统(Global Positioning System,GPS)信号干扰的情况下实现平稳的自主降落,采用AprilTags视觉基准系统中的TAG36H11图像作为降落地标,并基于该降落地标设计了一种视觉辅助的交叉双旋翼无人直升机自主降落控制系统。对降落地标进行图像预处理,基于Canny边缘检测、Hough变换直线检测和矩形检测,提取降落地标的特征信息,然后通过相机成像原理和坐标系转换解算出无人直升机的相对位姿信息,针对GPS信号干扰的情况下提出了一种利用Hough变换直线检测解算偏航角的算法,最后设计了一种串级PID控制结构的位姿控制算法,位置控制中设计了一种开方控制器,用于限制无人直升机的极限期望位置和最大加速度。同时,在姿态控制中设计了一种交叉双旋翼无人直升机姿态控制机构,通过6个数字舵机控制倾斜盘的倾角实现交叉双旋翼的周期变距,改变无人直升机的飞行姿态。通过Mission Planner飞控地面站进行仿真验证,将视觉处理系统与飞行控制系统组合,仿真结果表明,视觉辅助的飞行控制系统可以很好地跟踪无人直升机的期望位置。经过实验验证,姿态角度偏移量控制在4°以内,位置偏移量控制在0.05 m以内,可以实现交叉双旋翼无人直升机视觉辅助的自主降落。

基于ORB的交叉双旋翼无人直升机视觉跟踪控制系统

为了使交叉双旋翼无人直升机在全球定位系统(Global positioning system,GPS)信号不稳定的情况下实现对目标的视觉跟踪,设计了一种交叉双旋翼无人直升机视觉跟踪控制系统。首先,设计了一种视觉模块,对跟踪目标进行图像处理,利用基于方向性快速的特征点检测和旋转BRIEF(Oriented FAST and rotated BRIEF,ORB)描述子特征匹配和矩形检测,获取跟踪目标的中心点像素坐标,通过相机模型和旋转矩阵解算出跟踪目标的中心点实际位置。然后,设计了一种跟踪控制模块,采用串级比例积分微分(Proportional-integral-derivative,PID)加前馈的控制结构,为了限制极限位置和最大加速度,位置控制中采用平方根控制器,姿态控制中设计了一种交叉双旋翼姿态控制机构。之后,通过飞控地面站搭建仿真环境,对添加视觉模块的飞行控制系统进行仿真验证,结果表明,无人直升机可以很好地跟踪到视觉模块输出的期望位置。最后,进行实验验证,在设定最大飞行速度为1 m/s的条件下,姿态角最大为8°左右,位置与期望位置之间的误差最大为0.08 m,可以实现交叉双旋翼无人直升机对目标的视觉跟踪。