视觉/GPS的四旋翼无人机自主降落系统设计

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在此章节中，介绍了设计中所采用的基于视觉/GPS的无人机自主降落系统硬件平台。考虑到无人机在实际降落过程的实时性，选择机载嵌入式组合导航方式并设计了对应的降落地标。根据设计过程，阐述了无人机硬件模块的设计选型和自主降落的工作过程。
1.1基于视觉/GPS的四旋翼无人机自主降落系统设计
1.1.1 组合导航方式
基于视觉和GPS的组合导航方式可以有效地提高四旋翼无人机自主降落系统的性能和鲁棒性。下面是一个可能的组合导航方式的设计：
（1）视觉导航：使用视觉传感器如本文所使用的D435相机，进行视觉导航，包括地标识别、姿态估计和位置估计。通过分析摄像头捕获的图像，无人机可以识别地面标记或特定的纹理特征，并使用视觉算法进行姿态估计和位置估计。这种方法在室内或有明显特征的室外环境中特别有效。
（2）GPS导航：GPS模块用于获取全球位置信息。虽然GPS信号在室内或城市环境中可能受到干扰，但在开阔空地或具备良好GPS信号覆盖的区域，GPS可以提供精确的位置和速度估计。因此，在适用的情况下，结合GPS数据进行导航可以提供更可靠的位置信息。
（3）传感器融合：将视觉和GPS数据进行传感器融合，结合滤波器或优化算法，可以获得更准确和稳定的无人机状态估计。这些算法可以将视觉和GPS数据进行融合，从而提供更精确的姿态和位置估计。
（4）降落控制：基于视觉和GPS的组合导航信息，控制算法可以计算出无人机的控制指令，实现精准的降落。PID控制算法是一种常用的降落控制方法，可以根据当前位置和目标位置的偏差来计算合适的控制指令，使无人机稳定降落。
视觉和GPS的组合导航方式可以相互补充，提高导航的准确性和鲁棒性。当GPS信号不稳定或不可用时，视觉导航可以提供可靠的定位和姿态估计。反之亦然，当视觉传感器无法获得足够的环境信息时，GPS可以提供位置和速度的估计。因此，在设计组合导航方式时，需要考虑不同传感器的优势和局限，并使用适当的融合算法将它们结合起来，以实现可靠的自主
2.1.2 降落地标设计

地标设计的原则是确保地标在视觉识别和定位方面具有高度可靠性和鲁棒性。以下是一些地标设计的常见原则：

（1）独特性：地标应具有独特的外观特征，以便能够与其他物体或结构进行区分。这有助于确保无人机能够准确地检测和识别地标，避免与其他物体混淆。

（2）高对比度：地标的颜色、纹理或图案应具有高对比度，使其在不同光照条件下都能够清晰可见。高对比度可以提高地标的检测和识别能力。

（3）大尺寸：地标的尺寸应足够大，以便在远距离和高海拔条件下仍能够被无人机的摄像头准确捕捉和识别。尺寸较大的地标可以提供更多的特征点，增加视觉定位的准确性。

（4）二维码/条码：二维码和条码是一种常见的地标设计选择。它们具有独特的编码结构，可以通过识别特定的模式和数据来定位和识别地标。二维码和条码具有较高的容错性，可以在一定程度上抵抗模糊、部分遮挡或变形。

本文中采用的地标是二维码，这是一种基于特定编码结构的地标设计。二维码具有独特的模式和数据编码，可以通过识别这些编码来定位和识别地标。二维码设计灵活且容易生成，可以根据需要自定义大小、容错级别和数据内容。二维码的特点使得它们在视觉导航系统中具有广泛的应用，特别是在无人机自主降落系统中提供高精度的定位和识别能力。

2.1.3系统硬件总体设计

四旋翼无人机上的机身通常由两块中心板组成，中心板可连接四个机臂，放置电池、飞控和GPS等载荷，是四旋翼无人机上主要的受力部分。在结构强度允许的情况下，可适当设计减重孔和固定载荷的凹槽。

中心板上板按市面上大多四旋翼无人机的规格，采用边长为100mm的正方形，四个直各做35mm的倒角得到主要轮廓，厚度为2mm。
中心板下板的轮廓与中心板上板类似，厚度也为2mm，此外四条外边还增加一段宽度为10mm的悬臂梁，用于开铰链孔，铰链孔圆心距外边20mm，孔径5mm。
旋翼无人机的机臂是指连接无人机中心主体和电机/螺旋桨的臂状结构。四旋翼无人机通常具有四个机臂，每个机臂上搭载一个电机和螺旋桨，用于产生升力和控制无人机的姿态。不同类型的四旋翼无人机具有不同的机臂设计。例如，一些专业级的四旋翼无人机可能具有可折叠的机臂设计，以便于携带和储存。而一些消费级的无人机可能采用固定的机臂结构，以降低成本和复杂性。机臂的设计与无人机的应用和性能要求密切相关。
2.2系统硬件选型
2.2.1四旋翼无人机
对于四旋翼无人机的系统硬件选型主要有以下几个方面：相机的类型，GPS模块的选择，气压计与传感器的使用，以及飞控系统的选择。
本文使用的相机类型为深度相机D435，它是一款具有深度感知功能的相机，适用于环境感知、视觉导航和地标识别等应用。它可以提供RGB图像和深度图像，为无人机提供丰富的视觉信息。D435相机由Intel RealSense系列生产，具有可靠的性能和广泛的支持。
使用GPS模块用于获取全球位置信息，以实现定位和导航功能。选择具有高精度和稳定性的GPS模块，以确保无人机的位置估计和航迹规划的准确性。在选型时可以考虑市场上常用的GPS模块，例如u-blox、Trimble等品牌的产品。
气压计用于测量气压变化，以获取无人机的高度信息。它可以与其他传感器，如加速度计结合使用，提供更精确的高度测量。常见的气压计模块包括MS5611和BMP280等。
另外本文采用了Pixhawk2.4.8开源飞控系统，具有广泛的应用意义。它基于Pixhawk项目开发，并且是一种可靠和稳定的飞控选择。Pixhawk2.4.8支持多种传感器和功能扩展，并提供丰富的飞行控制算法和接口。它适用于各种类型的无人机，包括四旋翼、多旋翼和固定翼。
除了上述硬件选型，还需要选择适合的电机、螺旋桨、电调、电池和机架等组件，以构建完整的四旋翼无人机系统。这些组件的选型应根据无人机的负载要求、飞行性能和预算等因素进行评估和选择。
2.2.2 视觉导航模块

视觉导航模块是指在无人机系统中使用视觉传感器和相关算法来实现位置估计、姿态估计和环境感知等功能。

常用的视觉传感器包括摄像头、深度相机和立体视觉系统等。它们可以捕捉图像或深度信息，为无人机提供环境感知能力。根据应用需求和性能要求，可以选择适合的传感器，如本文所使用的D435深度相机。

另外，视觉导航模块的选择应根据具体应用需求、环境条件和算法性能进行评估和选择。

2.3系统软件设计


系统软件设计

图 姿态参考系统程序流程图

由上图能够看出姿态参考系统的主要工作流程：首先需要进行的是

本系统的具体工作流程为：首先进行系统初始化步骤，启动系统并进行传感器校准、设置降落点位置和降落条件参数。然后进入起飞和导航阶段，无人机起飞并通过GPS导航到预定的降落点上空附近区域。在地标识别与定位步骤，无人机使用相机获取地标图像之后运行图像处理算法对地标进行识别和跟踪，根据地标在图像中的位置计算无人机相对于地标的姿态和位置。在得出姿态控制与跟踪之后，根据目标姿态和位置与当前姿态和位置之间的差异，生成姿态控制指令。控制指令用于调整无人机的姿态，使其保持相对于地标的正确位置和姿态。最后进行降落条件检测，检测无人机与地标之间的距离和姿态的稳定性，判断其是否满足降落条件，例如距离地标的高度和水平偏差的阈值。在降落条件检测之后进行降落姿态调整，当无人机距离地标上空0.5米时，系统调整无人机的姿态，以准备进入降落模式。在降落执行时，根据控制指令，无人机执行降落操作，控制无人机下降速度和姿态，使其平稳地降落到指定区域。最后，当无人机成功降落并稳定在地面上时，降落过程结束，关闭系统，完成任务。

PID控制算法设计

根据四旋翼飞机的工作原理，由于其结构对称，改变电机的速度差可以实现控制飞行姿态，但是通常来说飞行姿态的变化以及电机的总升才是其位置控制的决定性因素。控制系统主要包括了对飞行器两方面的控制，姿态信息和位置信息。在飞行器控制系统中通常都会将外环控制器设定为位置控制器，将内环控制器设定为姿态控制器，这主要是因为飞行器的位置通常是由姿态信息来决定的。[16]本次采用的控制形式为PID算法，即：

式（1）

使用的控制算法为PID算法。并且对于偏航角、滚转角以及俯仰角的控制是一样的规律。如在控制俯仰角时，如图所示，其中

图2.x 串级PID控制图

对于系统姿态的控制过程为：对飞行器实际的姿态角进行测量，并计算与预期姿态角的差值，借助于PID算法对调节量进行测量，然后将所获得的调节数据传送至电机中，控制电机的速度，从而实现对飞行器姿态的控制，最终实现姿态最小化以及闭环控制系统。

2.4本章小结
本文，采用了一套基于视觉和GPS的四旋翼无人机自主降落系统。通过选用合适的硬件，如D435深度相机、GPS模块和Pixhawk飞控，我们实现了无人机的位置估计、导航和控制功能。系统的工作流程分为程序启动、姿态跟踪与控制、降落模式三个阶段。
在启动阶段，系统进行初始化并通过GPS引导无人机到降落点附近区域。接下来，在姿态跟踪与控制阶段，通过视觉传感器获取地标图像，并利用组合算法对无人机相对于地标的位置进行实时跟踪识别，逐步引导降落。当满足降落条件时，在距离地标上空一定距离时，系统调整无人机的最终降落姿态，进入降落模式，完成精准降落。
本系统采用二维码作为地标图案，通过图像处理算法进行识别和定位，为无人机提供准确的位置信息。同时，姿态参考系统的程序流程图提供了姿态估计和控制的框架，保证了无人机的稳定飞行和降落。

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