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第1章 绪论1

1.1 无人机1

1.1.1 发展简史2

1.1.2 无人机的应用7

1.1.3 无人机的分类7

1.2 视觉导航研究现状17

1.3 问题描述20

1.4 主要贡献20

1.5 章节结构21

第2章 小型四旋翼无人机建模23

2.1 小型四旋翼无人机概述23

2.2 四旋翼无人机的动力学模型25

2.2.1 欧拉-拉格朗日方法25

2.2.2 牛顿-欧拉方法29

2.2.3 牛顿方程到拉格朗日方程的转换32

2.2.4 “X型”四旋翼无人机的牛顿—欧拉方法32

2.3 本章结论34

第3章 四旋翼无人机试验平台35

3.1 UAV传感技术概述35

3.2 系统结构37

3.3 地面监控站38

3.4 四旋翼无人机平台设计39

3.4.1 “十字型”四旋翼无人机设计41

3.4.2 “X型”四旋翼无人机设计42

3.4.3 “改进版X型”四旋翼无人机设计45

3.5 分层控制策略46

3.5.1 高度和偏航控制46

3.5.2 前向位置和俯仰角控制47

3.5.3 侧向位置和滚转角控制48

3.6 自主悬停飞行试验50

3.6.1 “十字型”四旋翼无人机悬停效果图50

3.6.2 “X型”四旋翼无人机悬停效果图51

3.6.3 “改进版X型”四旋翼无人机悬停效果图53

3.7 本章小结55

第4章 悬停飞行性能改善56

4.1 引言56

4.2 无刷直流电机和电子调速控制器57

4.3 改善姿态稳定性能的控制策略59

4.3.1 姿态控制59

4.3.2 电枢电流控制61

4.4 试验系统结构62

4.4.1 四旋翼无人机63

4.4.2 地面监控站63

4.5 试验结果64

4.6 本章小结66

第5章 用于状态估计的图像传感器67

5.1 摄像机模型67

5.1.1 摄像机标定71

5.2 立体成像75

5.2.1 极几何78

5.2.2 立体成像系统的标定80

5.3 光流86

5.3.1 计算方法87

5.4 四旋翼无人机成像系统的实现88

5.4.1 分离式与嵌入式系统89

5.4.2 应用单目或立体视觉系统的挑战92

5.4.3 单目成像系统的实现93

5.4.4 立体视觉系统的实现94

5.5 本章小结95

第6章 基于视觉的四旋翼无人机控制97

6.1 基于视觉的位置稳定97

6.1.1 引言97

6.1.2 视觉系统设置98

6.1.3 基于视觉的位置估计99

6.1.4 控制策略102

6.1.5 试验系统配置105

6.1.6 试验应用105

6.1.7 总结107

6.2 基于视觉反馈的非线性控制器对比108

6.2.1 引言108

6.2.2 系统组成109

6.2.3 控制策略109

6.2.4 试验应用114

6.2.5 总结118

6.3 基于视觉的高度和速度调节118

6.3.1 引言118

6.3.2 系统组成118

6.3.3 图像处理120

6.3.4 控制策略122

6.3.5 试验应用124

6.3.6 总结127

6.4 本章小结128

第7章 四旋翼无人机立体成像、惯性与高度组合传感系统129

7.1 运动估计129

7.1.1 引言130

7.1.2 系统安装131

7.1.3 试验平台概述132

7.1.4 立体视觉测程法134

7.1.5 一种简单的成像、惯性与高度数据融合策略138

7.1.6 试验结果139

7.1.7 总结141

7.2 针对四旋翼无人机控制的不同状态估计算法比较141

7.2.1 引言141

7.2.2 问题描述143

7.2.3 成像-惯性状态观测器设计144

7.2.4 试验结果147

7.2.5 总结153

7.3 本章小结153

第8章 总结与工作展望155

8.1 结论155

8.2 工作展望157

参考文献158