2015全国大学生电子设计大赛控制类四旋翼赛题预测及想法

“具有AV端子输出的彩色摄像头”的想法

首先，电赛涉及四旋翼的控制多半在室内进行，室外很多情况下易受天气影响，且赶上习大大阅兵，禁飞令很早都发啦，故可确定为室内飞行控制。

在未知环境中，四旋翼没有什么参照物，只能依靠自己并不十分准确的传感器来获取外界信息，如同一个盲人在一个陌生环境中摸索的情况。这种情况下，定位是比较困难的。已有的研究中对这类问题的解决方法可分为两类：

一类是相对定位的方法：利用自身携带的多种内部传感器(包括里程仪、罗盘、加速度计等)，通过多种传感信息的融合减少定位的误差，使用的融合算法多为基于卡尔曼滤波的方法。通过给定初始位姿，来测量相对于机器人初始位姿的距离和方向来确定当前机器人的位姿，这类方法由于没有参考外部信息，在长时间的漫游后误差的积累会比较大。

另一类是绝对定位的方法：主要采用主动或被动标识(Active or Passive Beacons)、地图匹配(Map Matching)、全球定位系统(Global Positioning System,GPS)、进行定位。

对于四旋翼来说，最重要的要数姿态控制（俯仰角、横滚角、偏航角）及位置控制（三维空间中的位置坐标x,y,z），这些量的测量一般借助于9轴传感器可以实现，那么赛题中偏偏又加了“具有AV端子输出的彩色摄像头（彩色制式不限）”这个用来干什么呢？个人感觉有两种用途：

1、作为悬挂于室内的传感器，为四旋翼提供姿态及位置信息

2、作为机载传感器，运用SLAM算法，获取位置信息。

下面详细分析一下：

1、鉴于天大实验室这边有成型的Optitrack三维红外运动捕捉系统，虽然不是AV端子输出，但有一定参考价值。

在室内环境下，由于GPS信号的接收限制，因此缺乏高精度的飞行定位方法。2010年，美国宾夕法尼亚大学GRASP（抓取）实验室利用三维红外运动捕捉系统率先解决了室内飞行定位的难题，这种方法精度高且稳定可靠，受到国内外的多旋翼无人机的研究机构或专业公司的特别关注，如瑞士联邦理工学院、北京航空航天大学、百度、大疆等。

该方案需要给多旋翼无人机上布置被动标记点（近红外光线下反光）或主动标记点（主动发射近红外光线），红外运动捕捉系统通过识别标记点来认知无人机，实时捕获无人机飞行姿态和位置信息。标记点如图1中的白色荧光点。

图1

整套系统的工作流程如图2所示，控制计算机通过WIFI、蓝牙或无线数传等数据传输模块输出飞行控制指令给无人机，无人机接收到飞行指令后自主飞行。运动捕捉系统实时捕捉到无人机的六自由度信息，并传回控制计算机。控制计算机根据预设的飞行轨迹和实际的飞行轨迹的差别，修正飞行参数，并重新发送飞行控制指令给无人机，从而控制无人机高精度的、平稳的、无偏差的飞行。

图2

介绍完我们实验室运动捕捉系统的工作原理之后，我们可以尝试把红外摄像头更换为“具有AV端子输出的彩色摄像头”，能否完成相似的功能呢？这样我们就可以得到四旋翼的位置。

2、如果“具有AV端子输出的彩色摄像头”质量比较轻，可以由四旋翼直接搭载，运用视觉SLAM（simultaneous localization and mapping即时定位与地图构建）算法，就可以知道位置信息。下面详细介绍一下SLAM算法：

即时定位与地图构建（Simultaneous Localization And Mapping）指的是机器人在自身位置不确定的条件下,在完全未知环境中创建地图,同时利用地图进行自主定位和导航。

SLAM问题可以描述为:机器人在未知环境中从一个未知位置开始移动,在移动过程中根据位置估计和传感器数据进行自身定位,同时建造增量式地图。

（1）定位(localization)：机器人必须知道自己在环境中位置。

（2）建图(mapping)：机器人必须记录环境中特征的位置（如果知道自己的位置）

（3）SLAM：机器人在定位的同时建立环境地图。其基本原理是运过概率统计的方法，通过多特征匹配来达到定位和减少定位误差的。

SLAM的三个基本问题：Leonard和 Durrant-Whyte将移动机器人完成任务定义为三个问题“Where am I?”、“Where am I going?”和“How do I get there?”，就是定位、目标识别和路径规划，为了能实现导航，移动机器人需要靠本体感知传感器和环境感知传感器来实现对本体位姿估计和外部环境位姿的定位。

从以上分析，个人认为，借助于摄像头（不管悬挂室内还是机载）给四旋翼提供精确位置信息。同时涉及到定位，目标识别，及路径规划

至于接下来的控制任务，个人想法：

1、类似于倒立杆的平衡：杆上有类似于荧光的标记物，利用万向节将杆放置与四旋翼的上方，利用悬挂室内的摄像头，控制四旋翼实现对杆的平衡控制。并且完成规定的路径飞行。可参考视频“四旋翼直升机的惊人运动机能”（视频中第2:30---4:30的部分）

2、抓取：利用机载的摄像头，不仅获取自身的位置，同时还能获取地面上杆的位置（可能竖直放置，或一定高度的水平放置），万向节可连接到四旋翼的下方，利用控制算法实现对杆的抓取及搬运。这方面的论文很多，有时间，我传至群里。

个人拙见，望对大家有用！

雨小晨

2015/8/6