無人機視覺導航關鍵技術的研究

沈會龍 杜梅剛 梁東奇

摘 要：隨著我國經濟和科技的不斷發展，我國在無人機領域的研究也取得了較大進展，無人機的應用領域也越來越廣泛。本文主要介紹了利用視覺導航技術進行無人機設計可以在圓滿完成飛行任務的同時降低導航成本，因此應用范圍更為廣泛。本文通過對無人機視覺導航技術的介紹以期促進我國科技的進步。

關鍵詞：無人機；視覺導航；技術研究

無人機體積比較小，而且靈活性高，操作比較簡單，安全性比較強，因此可以廣泛應用于監控、拍攝等領域。隨著視覺導航技術的不斷發展，無人機技術的發展也越來越先進，逐漸走進人們的日常生活中。我國無人機也已經由傳統的導航精度差、飛行效率低逐漸發展為工作效率高、安全性能好的新式無人機。對無人機應用視覺導航技術可以實現對圖像的預處理，使飛行目的更為清晰，同時還能提高無人機的飛行精度以及視頻的清晰度以及穩定性，而且新式無人機實時性強，具有較強的抗干擾能力。

一、無人機及視覺導航技術簡介

無人機本質是一種無人駕駛飛行器，其依靠動力進行飛行，人們通過無線電遙控設備或者其它程序對其進行控制，實現其可以利用空氣動力進行飛行。無人機可以執行許多飛行任務，而且還可以重復使用。隨著我國科技水平的不斷提高以及人們生活質量不斷提升，無人機的應用范圍也越來越廣泛，無人機可以執行軍事偵察、遠程攻擊等軍事任務，還可以應用在航拍、火災預防監測、地圖測繪等民用領域。無人機在總體上可以分為固定翼無人機、直升無人機、以及多旋翼無人機三類。在日常生活中最常見的就是多旋翼無人機，這種無人機功能性較強，而且結構簡單、容易維修、造價較低廉，因此深受消費者喜愛，在世界上也得到了較大范圍的應用。

視覺導航技術是指應用自主導航技術，利用計算機視覺技術方面技術對無人機的航拍圖像進行分析和處理，根據無人機配置的傳感器相關參數可以得出無人機當前位置以及當前飛行狀態。將視覺導航技術應用到無人機上可以降低導航成本，同時提高導航精確度，使之在完成飛行任務的同時還具有較強的抗干擾性。目前無人機的視覺導航技術可以通過基于圖像序列的追蹤、基于自然景觀或者之前采集的圖像進行匹配定位以及IMU慣性設備和視覺計算相卡爾曼濾波這幾種方式實現，視覺導航的關鍵技術是指圖像的匹配和圖像的追蹤。在實際應用中，單單進行圖像的匹配或者圖像的追蹤不能滿足無人機的自主飛行要求，因此設計人員應當將這兩種技術進行共同設計才能提高無人機的飛行精度，進而提高無人機的工作效率及工作質量。

二、無人機視覺導航的關鍵技術分析

在進行無人機視覺導航系統設計時，首先應當進行系統結構設計，合理設計好無人機的升力系統、動力系統、飛機系統、機體以及起落架。無人機的工作原理是通過控制電機轉速的大小來改變飛機的升力進而實現飛行。無人機在進行硬件平臺的搭建時需要采集圖像信息以及無人機飛行狀態信息，導航軟件再針對這些信息進行模擬計算，將計算結果發送到無人機上，從而設計好無人機的飛行軌道。

（一）軟件設計。按照相機數量可以將無人機視覺導航系統劃分為單目視覺系統、雙目視覺系統以及多目視覺系統，按照是否需要地圖還可以將其劃分為地圖型導航以及無地圖型導航。地圖導航視覺系統是通過將當前圖和實際地圖進行匹配的方式進行定位，而無地圖導航型是基于圖像序列進行位置追蹤計算。無人機通過攝像頭進行圖像幀的獲取，然后再對圖像進行壓縮、灰度化等預處理，之后再根據無人機的飛行參數對無人機當前的飛行狀態進行估計，如果無人機正處于飛行中就應用視覺導航算法進行計算，如果正處于降落中，就應用自主降落算法進行計算。工作人員需要對無人機的飛行姿態進行實時調整，從而根據視覺追蹤和視覺匹配共同確定無人機的位置信息。在無人機進行航拍時，還要對云臺進行設計，目前無人機云臺設計已經從原本的固定式云臺發展到如今的云臺相機。云臺相機可以實現任意角度、任意位置的拍攝，即使無人機在高速飛行時也能保證視頻的清晰度以及穩定性。飛機在起飛階段時，飛行任務管理軟件依據地面命令使無人機獲取控制權，當無人機到達指定高度后再按照既定軌跡調整無人機的飛行路線，應用日志模塊進行中間結果或異常信息的保存。

（二）硬件設計。在進行無人機的硬件設計時需要考慮很多因素，例如飛行器自身機載能力、續航能力以及飛行控制等。無人機在空中飛行時，一旦出現故障將很容易墜落，這就給行人帶來巨大的安全隱患，同時還會危害人們的財產安全。因此在進行硬件設計時，首先要考慮無人機的安全性，保障機身在飛行過程中的穩定。同時還要對數據接口進行兼容性測試，保障接口在進行設備傳輸時的可靠性。在進行設計時還要考慮無人機的機身、負載重量，降低無人機的飛行功耗，同時還要保證數據采集的實時性和準確性，保證無人機工作的準確性以及高精度。無線數傳電臺是通過借助DSP技術和無線電技術來實現高質量的數據傳輸，其可以廣泛用于點對點無線控制系統以及交通控制系統。首先無人機將機載計算機的數據發送給地面站，然后地面站再將命令信息發送給機載計算機，從而實現對無人機的控制。數傳電臺的傳輸距離較大，而且具有較高的數據吞吐量以及抗干擾能力，可以實現數據傳輸。

（三）數據傳輸協議。數據傳輸協議是無人機與地面站收發數據格式的協議，常用的數據傳輸協議為MAVLink協議，其對無人機的方向、GPS值以及飛行模式等進行了規定。妙算到地面站過程涉及的數據類別為代表飛控給出的GPS坐標、無人機狀態、當前航點位置、下一個航點位置、無人機飛行模式等，地面站到妙算涉及的數據類別為代表控制命令、回家命令、設置GPS航點命令等。

三、總結

本文首先對無人機以及視覺導航及其關鍵技術進行了簡要介紹，然后重點分析了無人機視覺導航的關鍵技術。在了解無人機自主導航系統的整體需求之后進行硬件以及軟件設計，分析模塊之間的關系，從而完成系統的設計。將視覺導航技術應用到無人機上可以增強圖像視頻的清晰度以及穩定性，提高飛行效率和飛行質量，進而促進我國科技的發展以及社會的進步。

參考文獻：

[1]柳向陽，唐大全，鄧偉棟，等.無人機自主著陸過程中的視覺導航技術分析[J].兵工自動化，2018，（4）：23-27.

[2]衛俊樵.無人機飛行途中視覺導航關鍵技術研究[J].中國科技縱橫，2017，（4）：29.

[3]陶琨，王寅.視覺導航技術在小型無人機撞線回收中的應用[J].兵工自動化，2013，（7）：80-82.