文 |古轩说史
编辑 | 古轩说史
光流传感器作为一种感知技能，通过捕捉周围环境中物体在图像中的运动变革来实现对位置和速率的估计，在自主无人机的运用中，光流传感器扮演着关键角色，可以为无人机供应实时的视觉反馈，帮助其在室内或繁芜环境中实现精准的定位和导航。
与传统的GPS等定位技能比较，光流传感器在近间隔、低空和障碍物密集的环境中具有独特的上风。
这一创新性技能的核心在于其能够在不依赖环球定位系统的情形下实现无人机的定位和导航，无论是在室内、城市峡谷还是森林等繁芜环境中，光流传感器都能够为无人机供应实时的视觉反馈，帮助其精准感知和应对周围的变革。
通过结合前辈的算法和传感技能，光流传感器能够实现无人机的自主避障、定点悬停等任务，从而为无人机的运用处景拓展了更多可能性。
01光流传感器
为了实现翱翔在约1米高度的四轴翱翔器的相对位置导航，研究职员考虑了多种方案来添加指向地面的光流传感器，在选择相机传感器时，须要考虑到数据量、速率、内存和打算能力等成分，以适应四轴翱翔器的限定。
研究职员考虑了几种不同的相机传感器选项：
Tam2：具有16×16分辨率（黑白）和25fps帧速率，虽然在检测附近物体的运动方面表现良好，但由于固定镜头和低分辨率，对付较远的物体可能产生模糊效果。
Centeye：供应了带有光流算法实现的分线板，适宜检测附近物体的运动，然而，由于固定镜头和低分辨率，对付更远的物体可能不足清晰。
µCAM：具有随意马虎连接的USART接口，但最大采样率只有13fps，对付某些运用来说可能太慢。
CMUCam 4：具有开源固件和32kB内存的微掌握器板，但由于内存限定，不适宜某些运用。
OV7670：VGA（彩色）摄像头芯片，分辨率为640×480，利用STM32 F4 Discovery Board进行数据处理，但由于内存限定，处理的是320×240 QVGA图像的64×64像素子窗口，实现了30fps。
ADNS-3080：光学鼠标传感器，可用作两个自由度的光流传感器，分辨率为30×30像素，帧速率设置为2000fps，用于改进在不良照明条件下的效果。
考虑到四轴翱翔器的需求，研究职员选择了适宜特定情形的传感器，例如，ADNS-3080在改进照明条件下具有上风，但缺陷是其软件不是开源的，因此功能较难确定，OV7670供应了彩色图像，但须要处理较大的数据量。
02自主无人机
在四轴翱翔器的硬件设计中，各种硬件组件用于高度估计的目的，个中包括红外、超声波、压力和惯性传感器，这些传感器的数据被领悟在一起，以供应准确的高度估计。
为了进行位置估计，还集成了光流丈量，ADNS-3080传感器利用的参数包括2000fps的帧速率、30×30像素的分辨率、400 CPI和自动快门速率，只管在正常光照条件下提高帧速率并没有带来更好的结果。
针对每个自由度，都履行了履历优化的PID掌握器，这些PID掌握器级联在一起，形成一个六自由度的系统，高度估计和设定高度被用作高度掌握的输入，通过调度总电压来掌握四个电机，从而调节翱翔器的升力。
在掌握过程中，电机总电压被分割成四分之一电压单元，每个单元对应一个8位的值，这些电压通过姿态掌握输出分配给四个电机，这种领悟过程须要考虑电机的物理限定。
光流估计作为位置掌握器的输入，用于前向和侧向掌握，这些掌握器的第二个输入是位置的设定点，可以通过远程办法变动，这种结合使得翱翔器能够实现自主的三维翱翔。
设定点和光学估计之间的差异被视为偏差，成为两个PID位置掌握器（x轴和y轴）的输入，这些位置掌握器的输出作为横滚轴和俯仰轴姿态掌握器的设定点。
为了调试和评估四轴翱翔器的性能，研究职员开拓了一个掌握程序，利用Qt进行编程，该程序能够显示OV7670和ADNS-3080传感器的图像，并许可跟踪和变动参数。
在系统中，光学跟踪系统可用作参考，或者光流传感器在2D舆图上跟踪翱翔器的位置（以米为单位），这两个位置数据源都用于位置掌握和自主翱翔，通过鼠标点击，可以实时变动位置设定点，并通过蓝牙远程发送给翱翔器。
该系统的性能进行了广泛的评估，包括静态位置保持、大略动态测试案例下的位置变革，以及两个繁芜动态测试案例下的完备自主翱翔。
03静态位置保持
在实验中，研究职员通过手动启动四轴翱翔器，然后激活位置保持功能，对其进行了测试，在这个过程中，位置掌握器仅利用光流传感器进行操作，而光学跟踪系统则用于评估全体系统的性能。
在间隔地面1米的空中位置上，四轴翱翔器被保持静止了6分钟，在全体翱翔过程中，翱翔器的位置得到了持续的跟踪，光学跟踪和里程计（光流）的数据显示，翱翔器相对付中央的位置标准偏差约为0.1米，双标准偏差约为0.16米。
这表示在95%的情形下，翱翔器的位置变革范围在直径为96厘米（64 + 2×16）的圆内（个中64厘米是螺旋桨末端到末端的间隔）。
实验中检测到一个小的差异，这与翱翔器的偏航变革略有关联，实验开始时和进行到365秒时，翱翔器的俯视图分别被拍摄下来，在实验过程中，翱翔器在偏航轴上发生了约13°的旋转。
这种征象的阐明与陀螺仪的积分漂移有关，由于系统没有利用磁力计来进行偏航补偿，以是偏航轴上的漂移未得到补偿，从而发生了旋转，光流打算假设仅存在平移变换而没有旋转，因此这些旋转会导致光流打算中的偏差。
为了证明这一点，研究职员手动旋转了翱翔器，结果光流传感器阐明为位置变革，掌握器试图补偿这种缺点的丈量，将翱翔器飞向附近缺点的位置。
这些结果表明，虽然光流传感器在翱翔器的平移方向上供应了良好的性能，但在涉及旋转的情形下可能会涌现问题，因此，在利用光流传感器进行位置估计时，须要考虑旋转对丈量的影响，以确保系统的稳定性和准确性。
04动态掌握
为了深入研究系统的掌握行为，一项实验被设计出来，旨在测试四轴翱翔器对阶跃相应的反应，在这个实验中，翱翔器最初位于坐标点p0 = (x = 0, y = 0)处，并保持其位置稳定，一个新的设定点p1 = (x = 2m, y = 0)被远程设置，哀求翱翔器做出相应的位置调度。
通过实验结果的图表可以清楚地证明了掌握器的稳定性，新的设定点在大约3秒的上升韶光内被快速达到，系统的超调量约为15%（大约0.3米），而稳定韶光则在7秒至9秒之间。
终极的位置偏差仍旧约为0.15米，只管这可能部分是由于缩放偏差造成的，但进一步的不雅观察表明这不是大略的线性转换导致的，研究职员认为缺点的根源可能存在于其他方面。
翱翔器在实现新位置时绕其俯仰轴旋转，这会在x轴上引入一个偏移，由于光流传感器对付丈量位置变革的精确性受到俯仰旋转的影响，这可能是一个合理的阐明。
实验结果中存在一个明显的差异，即在85秒时两条曲线之间的变革，这个韶光点正是翱翔器收到新设定点并开始俯仰动作的时候。
俯仰动作（绕俯仰轴的旋转）会导致光流丈量产生缺点，只管光学跟踪显示翱翔器正在向前移动，但里程计却缺点地显示相反的情形，这个不雅观察结果进一步支持了翱翔器在俯仰动作中可能导致光流丈量缺点的假设。
在末了一个实验中，研究职员进一步扩展了自主翱翔的观点，将其运用于自主起飞和着陆的动作，在这项实验中，四轴翱翔器被授予一个包含六个航路点的列表，然后通过PC远程发送启动命令，翱翔器从地面开始启动，依次按照航路点列表进行翱翔，并在末了一个航路点进行自主着陆。
这些航路点，以米为单位，分别是w1 = (x = 0, y = 0)、w2 = (x = -0.4, y = 0)、w3 = (x = -0.8, y = 0)、w4 = (x = -1.2, y = 0)、w5 = (x = -1.2, y = 0) 和w6 = (x = -2.0, y = 0)。
为了实现这种翱翔动作，利用了一个包含三个状态的翱翔掌握状态机：启动、翱翔和着陆，在启动状态下，翱翔器掌握其高度并保持位置，直到达到1米的翱翔高度，然后，它切换到翱翔状态，按照航路点列表进行翱翔。
当翱翔器到达末了一个航路点时，它会切换到着陆状态，并开始实行自主着陆，通过将终极设定位置与翱翔器着陆后在地面上的位置进行比较，可以丈量位置偏差，多次实验结果表明，四轴翱翔器能够成功实行这一系列动作。
翱翔器还可以通过自主飞越障碍物（如地面上的椅子）来展示其高等功能，实验结果显示了八个障碍物位置的丈量结果，以及多次运行中发送远程命令和完成着陆所需的韶光。
综合评估表明，在实验完成后，翱翔器的终极位置偏差约为0.3米，全体动作所需的韶光约为30秒，翱翔器始终能够在间隔目标45厘米以内的地方着陆，且所有偏差具有相同的符号和相似的量，可以考虑存在系统偏差须要进一步调查。
系统在丈量和掌握光流的同时，还须要改变起飞和着陆的高度（沿z轴方向的平移），这可能是位置偏差的一个阐明，所利用的算法假设在空中（着陆前）以14厘米的公差到达航路点。
终极位置偏差也可以通过减小这种公差并改进起飞和着陆动作来减少，这也是偏差的来源，更繁芜的航路点列表，也得到了实现并呈现了类似的结果，这再次验证了一个假设：起飞和着陆过程中的操纵偏差是终极位置偏差的紧张根源。
事实证明，利用光流传感器进行自主翱翔是可能的，所提出的系统能够在所有三个几何维度上实行从起飞到着陆的完全翱翔，无需人工干预，因此不须要光学跟踪或 GPS 等外部参考系统。
