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毕业论文-微小四旋翼飞行器视觉定位与避障研究，共113页，
中文摘要
近年来，随着无人机在军事和民用方面的应用需求日益增加以及微电子技术
的快速发展，提高飞行器自主性研究成为飞行器研究的热点，其中飞行器避障是
体现飞行器自主性能的典型问题，体现了飞行器飞行控制，感知环境信息，路径
规划的综合能力。
本课题基于商用的四旋翼飞行器 AR.Drone，在室内环境下对四旋翼飞行器的
视觉定位和避障问题进行了研究。本课题在室内较高位置架设了全局相机（下称
外置相机），获取飞行器飞行过程中的位置信息，实现对四旋翼飞行器的视觉定
位，利用四旋翼飞行器自带的机载相机（下称机载相机）获取飞行器飞行过程中
周围环境的信息，实现四旋翼飞行器避障。
本课题的主要成果如下：
1. 通过 Wi-Fi 无线通信方式实现四旋翼飞行器与 PC 机之间的通信，实现 PC
机接收四旋翼飞行器的惯导数据和机载相机采集的图像数据，发送四旋翼飞行器
的控制指令。
2. 通过相机标定的方法建立外置相机图像坐标与世界坐标的对应关系, 实
现对四旋翼飞行器的视觉定位。
3. 实现四旋翼飞行器的速度跟踪控制，在此基础上结合视觉定位实现四旋翼
飞行器轨迹跟踪控制。
4. 通过机载相机感知环境中的人工标记障碍物位置信息，若障碍物位置对飞
行轨迹造成影响，则重规划飞行轨迹，绕过障碍物到达目标点，实现视觉避障的
功能。
课题成功完成了四旋翼飞行器视觉定位与避障的实物实验。
关键词 ：四旋翼飞行器；视觉定位；视觉避障；飞行控制

ABSTRACT
In recent years, the research to enhance aerial vehicle autonomy has become the
hot spot with the increasing demand on UAV both in military and civil applications and
the rapid development of microelectronics technology. Besides, aerial vehicle obstacle
avoidance is an important performance of the autonomy ability of aerial vehicle, which
reflects the ability of flying control, sensing the environment, path rerouting and so on.
The project chooses commercial quadrotor AR.Drone as the experimental
platform, and studies the problem of quadrotor visual position and obstacle avoidance.
A global camera (called external camera) is set up to get the position of quadrotor and
realize visual position. The camera onboard the quadrotor (called airborne camera) is
used to get the information of flying environment to realize visual obstacle avoidance.
The main achievements of the project is listed below:
1. The communication between the quadrotor and PC is established through Wi-Fi
to receive the IMU data and camera data and send control command.
2. The visual position is realized through calibration of the external camera, which
build the relationship between the image coordinate and world coordinate.
3. The velocity track control of the quadrotor is achieved, based on which the path
track flying is realized along with the visual position.
4. The airborne camera is used to acquire environment information. If the obstacle
affects the original path, a new path is rerouted to avoid crashing into the obstacle and
get the next target point to realize the visual obstacle avoidance.
The project has successfully completed the real system experiment of the
quadrotor visual position and visual obstacle avoidance.
Keywords ： quadrotor; visual positioning; visual obstacle avoidance; flying
control

目录
第 1 章
引言 .1
1.1 四旋翼飞行器发展情况概述 .1
1.2 视觉方法应用于微小型飞行器的必要性和发展情况 .........2
1.3 课题研究的内容与论文安排 .3
第 2 章 系统整体设计与功能模块划分 .....4
2.1 课题解决的问题场景 .............4
2.2 课题硬件部分介绍 .4
2.2.1 课题选用的四旋翼飞行器介绍 ........5
2.2.2 外置定位相机介绍 ............6
2.3 系统整体设计及功能模块划分 .............8
第 3 章PC 端控制程序 ............ 10
3.1 各线程流程设计 ... 10
3.1.1 主线程 ............. 10
3.1.2 惯导数据接收与处理线程 .............. 11
3.1.3 图像数据接收与处理线程 .............. 12
3.1.4 用户输入与指令发送线程 .............. 15
3.1.5 视觉定位线程 .. 17
3.2 各线程间关系 ....... 18
3.3 程序运行界面 ....... 20
第 4 章四旋翼飞行器飞行控制 .............. 21
4.1 飞行控制需求分析 .............. 21
4.2 基于 PI 的速度跟踪飞行控制 ............. 21
4.3 跟踪飞行控制 ....... 24
4.3.1 前置相机图像处理 .......... 25
4.3.2 图像处理结果进行飞行控制 .......... 28
4.4 实际控制效果 ....... 28
第 5 章视觉定位 ...... 31
5.1 视觉定位需求分析 .............. 31
5.2 视觉定位原理 ....... 31
5.2.1 相机标定原理 .. 31
5.2.2 四旋翼飞行器标志点设定 .............. 34
5.3 视觉定位实现 ....... 35
5.3.1 相机标定 .......... 35
5.3.2 高度计测量结果修正 ...... 36
5.3.3 由标记点获取四旋翼飞行器的位置和方向信息 .......... 38
5.4 视觉定位下的四旋翼飞行器巡点飞行 .............. 42
第 6 章视觉避障 ...... 47
6.1 利用机载前置相机获取障碍物信息 ... 47
6.2 避障路径规划 ....... 53
6.3 整体避障流程 ....... 54
6.4 视觉避障实验结果 .............. 56
第 7 章总结与展望 ... 61
7.1 课题总结 .............. 61
7.2 四旋翼飞行器视觉避障展望 .............. 62
插图索引 ......... 63
表格索引 ......... 66
参考文献 ......... 67
致 谢 69
附录 A 外文资料的调研阅读报告或书面翻译 ............ 71