无人机视觉导航关键技术的研究

沈会龙 杜梅刚 梁东奇

摘 要：随着我国经济和科技的不断发展，我国在无人机领域的研究也取得了较大进展，无人机的应用领域也越来越广泛。本文主要介绍了利用视觉导航技术进行无人机设计可以在圆满完成飞行任务的同时降低导航成本，因此应用范围更为广泛。本文通过对无人机视觉导航技术的介绍以期促进我国科技的进步。

关键词：无人机；视觉导航；技术研究

无人机体积比较小，而且灵活性高，操作比较简单，安全性比较强，因此可以广泛应用于监控、拍摄等领域。随着视觉导航技术的不断发展，无人机技术的发展也越来越先进，逐渐走进人们的日常生活中。我国无人机也已经由传统的导航精度差、飞行效率低逐渐发展为工作效率高、安全性能好的新式无人机。对无人机应用视觉导航技术可以实现对图像的预处理，使飞行目的更为清晰，同时还能提高无人机的飞行精度以及视频的清晰度以及稳定性，而且新式无人机实时性强，具有较强的抗干扰能力。

一、无人机及视觉导航技术简介

无人机本质是一种无人驾驶飞行器，其依靠动力进行飞行，人们通过无线电遥控设备或者其它程序对其进行控制，实现其可以利用空气动力进行飞行。无人机可以执行许多飞行任务，而且还可以重复使用。随着我国科技水平的不断提高以及人们生活质量不断提升，无人机的应用范围也越来越广泛，无人机可以执行军事侦察、远程攻击等军事任务，还可以应用在航拍、火灾预防监测、地图测绘等民用领域。无人机在总体上可以分为固定翼无人机、直升无人机、以及多旋翼无人机三类。在日常生活中最常见的就是多旋翼无人机，这种无人机功能性较强，而且结构简单、容易维修、造价较低廉，因此深受消费者喜爱，在世界上也得到了较大范围的应用。

视觉导航技术是指应用自主导航技术，利用计算机视觉技术方面技术对无人机的航拍图像进行分析和处理，根据无人机配置的传感器相关参数可以得出无人机当前位置以及当前飞行状态。将视觉导航技术应用到无人机上可以降低导航成本，同时提高导航精确度，使之在完成飞行任务的同时还具有较强的抗干扰性。目前无人机的视觉导航技术可以通过基于图像序列的追踪、基于自然景观或者之前采集的图像进行匹配定位以及IMU惯性设备和视觉计算相卡尔曼滤波这几种方式实现，视觉导航的关键技术是指图像的匹配和图像的追踪。在实际应用中，单单进行图像的匹配或者图像的追踪不能满足无人机的自主飞行要求，因此设计人员应当将这两种技术进行共同设计才能提高无人机的飞行精度，进而提高无人机的工作效率及工作质量。

二、无人机视觉导航的关键技术分析

在进行无人机视觉导航系统设计时，首先应当进行系统结构设计，合理设计好无人機的升力系统、动力系统、飞机系统、机体以及起落架。无人机的工作原理是通过控制电机转速的大小来改变飞机的升力进而实现飞行。无人机在进行硬件平台的搭建时需要采集图像信息以及无人机飞行状态信息，导航软件再针对这些信息进行模拟计算，将计算结果发送到无人机上，从而设计好无人机的飞行轨道。

（一）软件设计。按照相机数量可以将无人机视觉导航系统划分为单目视觉系统、双目视觉系统以及多目视觉系统，按照是否需要地图还可以将其划分为地图型导航以及无地图型导航。地图导航视觉系统是通过将当前图和实际地图进行匹配的方式进行定位，而无地图导航型是基于图像序列进行位置追踪计算。无人机通过摄像头进行图像帧的获取，然后再对图像进行压缩、灰度化等预处理，之后再根据无人机的飞行参数对无人机当前的飞行状态进行估计，如果无人机正处于飞行中就应用视觉导航算法进行计算，如果正处于降落中，就应用自主降落算法进行计算。工作人员需要对无人机的飞行姿态进行实时调整，从而根据视觉追踪和视觉匹配共同确定无人机的位置信息。在无人机进行航拍时，还要对云台进行设计，目前无人机云台设计已经从原本的固定式云台发展到如今的云台相机。云台相机可以实现任意角度、任意位置的拍摄，即使无人机在高速飞行时也能保证视频的清晰度以及稳定性。飞机在起飞阶段时，飞行任务管理软件依据地面命令使无人机获取控制权，当无人机到达指定高度后再按照既定轨迹调整无人机的飞行路线，应用日志模块进行中间结果或异常信息的保存。

（二）硬件设计。在进行无人机的硬件设计时需要考虑很多因素，例如飞行器自身机载能力、续航能力以及飞行控制等。无人机在空中飞行时，一旦出现故障将很容易坠落，这就给行人带来巨大的安全隐患，同时还会危害人们的财产安全。因此在进行硬件设计时，首先要考虑无人机的安全性，保障机身在飞行过程中的稳定。同时还要对数据接口进行兼容性测试，保障接口在进行设备传输时的可靠性。在进行设计时还要考虑无人机的机身、负载重量，降低无人机的飞行功耗，同时还要保证数据采集的实时性和准确性，保证无人机工作的准确性以及高精度。无线数传电台是通过借助DSP技术和无线电技术来实现高质量的数据传输，其可以广泛用于点对点无线控制系统以及交通控制系统。首先无人机将机载计算机的数据发送给地面站，然后地面站再将命令信息发送给机载计算机，从而实现对无人机的控制。数传电台的传输距离较大，而且具有较高的数据吞吐量以及抗干扰能力，可以实现数据传输。

（三）数据传输协议。数据传输协议是无人机与地面站收发数据格式的协议，常用的数据传输协议为MAVLink协议，其对无人机的方向、GPS值以及飞行模式等进行了规定。妙算到地面站过程涉及的数据类别为代表飞控给出的GPS坐标、无人机状态、当前航点位置、下一个航点位置、无人机飞行模式等，地面站到妙算涉及的数据类别为代表控制命令、回家命令、设置GPS航点命令等。

三、总结

本文首先对无人机以及视觉导航及其关键技术进行了简要介绍，然后重点分析了无人机视觉导航的关键技术。在了解无人机自主导航系统的整体需求之后进行硬件以及软件设计，分析模块之间的关系，从而完成系统的设计。将视觉导航技术应用到无人机上可以增强图像视频的清晰度以及稳定性，提高飞行效率和飞行质量，进而促进我国科技的发展以及社会的进步。

参考文献：

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