电力巡检四旋翼无人机自主着陆系统研究

• 作 者: 杨婷
• 出 处: 电子科技大学
• 发表日期: 2019年12期
• 关键词: 四旋翼无人机 自主着陆 角点检测 位姿估计 PID控制

四旋翼无人机因其突出的可操控性、相对低廉的价格、灵活的飞行特点,在如今诸多如航拍、侦查、救灾、电力巡检等领域被广泛使用。为解决四旋翼无人机在电力巡检这种特殊环境下,因地面情况复杂、可供着落位置有限,且GPS信号易受干扰而无法提供正确的着陆引导信号的问题,本文将计算机视觉技术引入其中,通过图像信息提供无人机的着陆导航数据,使其实现定点自主着陆。本文的主要研究内容如下:首先,为了更好地实现无GPS情况下无人机的定点自主着陆,降低图像处理复杂度,本文设计了便于特征提取的“H”型着陆目标图案。在传统图像预处理的基础上,为解决复杂环境背景的干扰,加入连通域删除的操作,并通过统一像素值,最大化突出所需的标志图案。在特征点提取过程中,在与常用角点检测算法对比的基础上,本文结合轮廓与角点的提取,通过判断轮廓上一点的尖锐度来确定是否为所需角点,并验证了此方法的正确性与较好的时间性能。其次,根据四旋翼无人机及摄像机模型,建立所需坐标系,得到其间的转换关系。通过空间点在各坐标系下的坐标关系,建立位姿估计模型。通过标定获取相机的内部内参,并得到两帧图像间的单应性矩阵。分解单应性矩阵,结合提取到的角点信息,便可估算出无人机相对于着陆标志的位姿数据。最后,对本文研究的自主着陆系统设计控制算法,采用位置、姿态双闭环PID控制,并分别对其完成控制算法的设计。在MATLAB上完成仿真实验,通过给定不同初始值及控制率参数,姿态角的上升时间在0.5s内,且均能达到稳定值,满足控制需求,验证了算法的有效性。同时,考虑电力巡检的环境特点,模拟真实风力,设计风力补偿算法,并加入到控制系统中验证其抑制风扰的能力。最后,将无人机实际飞行数据与位姿估计数据进行对比,得到位置和姿态角估计值的最大误差分别在0.52m和6.22°,基本能够满足无人机的着陆要求,以此验证位姿估计算法的可行性。