目錄
前言
第1章 緒論 1
1.1 無人機自主導航與運動規(guī)劃研究現(xiàn)狀 1
1.1.1 相關研究項目概述 2
1.1.2 導航拒止環(huán)境下無人機自主導航方法研究現(xiàn)狀 6
1.1.3 多障礙環(huán)境下無人機運動規(guī)劃方法研究現(xiàn)狀 13
1.2 導航拒止環(huán)境下無人機自主導航與運動規(guī)劃難點分析 18
1.2.1 不依賴外部傳感器信息的無人機自主導航 18
1.2.2 考慮避障與傳感器視場約束的無人機運動規(guī)劃 19
1.2.3 面向復雜導航拒止環(huán)境的無人機自主飛行 19
1.3 本書主要內容 19
參考文獻 21
第2章 坐標系定義與坐標變換 27
2.1 無人機坐標系定義 27
2.1.1 參考坐標系 27
2.1.2 機體坐標系 27
2.1.3 相機坐標系 28
2.1.4 激光雷達坐標系 28
2.2 坐標系間的變換關系 29
2.2.1 旋轉矩陣 29
2.2.2 旋轉向量 30
2.2.3 歐拉角 30
2.2.4 四元數(shù) 32
2.2.5 變換矩陣 34
2.3 李群與李代數(shù) 35
2.3.1 李群 35
2.3.2 李代數(shù) 37
2.3.3 李群與李代數(shù)間的映射關系 40
2.3.4 李代數(shù)雅可比 43
2.4 本章小結 47
參考文獻 47
第3章 基于視覺的無人機自主導航方法 48
3.1 概述 48
3.1.1 相關工作 48
3.1.2 基于視覺的無人機自主導航方法結構設計 49
3.1.3 問題描述 50
3.2 傳感器工作原理 52
3.2.1 針孔相機模型與畸變校正方法 52
3.2.2 雙目相機模型 57
3.2.3 慣性測量單元 61
3.3 基于視覺的無人機自主導航前端數(shù)據處理 63
3.3.1 圖像特征提取 64
3.3.2 圖像特征匹配 66
3.3.3 特征點深度恢復 69
3.4 基于濾波后端的無人機自主導航方法 71
3.4.1 狀態(tài)變量定義 71
3.4.2 濾波預測模型 73
3.4.3 濾波更新模型 77
3.5 基于優(yōu)化后端的無人機自主導航方法 83
3.5.1 狀態(tài)變量定義 84
3.5.2 非線性優(yōu)化問題構建 85
3.5.3 非線性優(yōu)化問題求解 90
3.6 實驗驗證 92
3.7 本章小結 94
參考文獻 94
第4章 基于激光雷達的無人機自主導航方法 97
4.1 概述 97
4.1.1 相關工作 97
4.1.2 基于激光雷達的無人機自主導航方法結構設計 98
4.1.3 問題描述 99
4.2 基于激光雷達的無人機自主導航前端數(shù)據處理 103
4.2.1 傳感器模型 103
4.2.2 點云畸變產生的原因與畸變校正方法 105
4.2.3 點云特征提取 108
4.3 基于激光雷達點云地圖后端的無人機自主導航方法 111
4.3.1 特征點云地圖構建 111
4.3.2 殘差函數(shù)構建 112
4.3.3 非線性優(yōu)化問題求解 116
4.4 基于激光雷達體素地圖后端的無人機自主導航方法 123
4.4.1 體素地圖構建 124
4.4.2 殘差函數(shù)構建 126
4.4.3 非線性優(yōu)化問題求解 128
4.5 實驗驗證 130
4.6 本章小結 132
參考文獻 133
第5章 基于多傳感器融合的無人機自主導航方法 135
5.1 概述 135
5.1.1 相關工作 135
5.1.2 基于多傳感器融合的無人機自主導航方法結構設計 136
5.1.3 問題描述 137
5.2 基于視覺雷達融合的無人機自主導航前端數(shù)據處理 138
5.2.1 視覺與激光雷達融合的時間同步方法 138
5.2.2 視覺與激光雷達融合的空間同步方法 140
5.2.3 視覺特征點深度恢復 145
5.3 基于視覺雷達融合的無人機自主導航方法 147
5.3.1 基于視覺雷達松耦合的無人機自主導航方法 147
5.3.2 基于視覺雷達緊耦合的無人機自主導航方法 156
5.4 實驗驗證 164
5.4.1 基于視覺雷達松耦合的無人機自主導航方法實驗驗證 164
5.4.2 基于視覺雷達緊耦合的無人機自主導航方法實驗驗證 166
5.5 本章小結 167
參考文獻 167
第6章 感知受限條件下的無人機實時局部運動規(guī)劃方法 169
6.1 概述 169
6.1.1 相關工作 169
6.1.2 無人機局部運動規(guī)劃方法結構設計 170
6.1.3 無人機局部運動規(guī)劃問題廣義表達形式 171
6.1.4 并行化地圖更新 176
6.2 基于模型預測路徑積分控制的軌跡規(guī)劃 178
6.2.1 路徑積分控制理論推導 178
6.2.2 路徑積分控制具體步驟 182
6.2.3 模型預測控制實現(xiàn) 185
6.3 有限視場角范圍約束的自主飛行 188
6.3.1 有限視場角約束 189
6.3.2 未探索區(qū)域安全性約束 191
6.3.3 實驗驗證 193
6.4 稀疏特征場景下的自主感知飛行 198
6.4.1 興趣點觀測約束 199
6.4.2 實驗驗證 201
6.5 本章小結 204
參考文獻 204
第7章 面向未知環(huán)境的無人機自主探測運動規(guī)劃方法 206
7.1 概述 206
7.1.1 相關工作 206
7.1.2 無人機自主探測方法結構設計 207
7.2 基于前端邊界的探測引導路徑生成 208
7.2.1 相關概念定義 209
7.2.2 邊界增量式更新 212
7.2.3 信息結構更新 214
7.2.4 旅行商問題構建與求解 219
7.3 基于邊界增益約束的后端局部運動規(guī)劃 224
7.3.1 邊界體素濾波 226
7.3.2 邊界約束設計 227
7.4 實驗驗證 230
7.4.1 仿真分析 230
7.4.2 實物驗證 236
7.5 本章小結 238
參考文獻 238
第8章 面向室外復雜環(huán)境的無人機自主飛行系統(tǒng) 240
8.1 概述 240
8.1.1 相關工作 240
8.1.2 面向室外復雜環(huán)境的無人機自主飛行系統(tǒng)結構設計 241
8.2 感知系統(tǒng)設計 244
8.2.1 多傳感器融合狀態(tài)估計 244
8.2.2 全局-局部地圖構建 249
8.3 運動規(guī)劃系統(tǒng)設計 250
8.3.1 全局-局部運動規(guī)劃策略 251
8.3.2 無人機局部初始軌跡解算 252
8.3.3 無人機局部軌跡規(guī)劃 256
8.4 控制系統(tǒng)設計 259
8.4.1 多旋翼無人機動力學模型建立 260
8.4.2 外環(huán)軌跡跟蹤控制器設計 261
8.4.3 內環(huán)姿態(tài)控制器設計 264
8.5 實驗驗證 265
8.5.1 感知系統(tǒng)驗證實驗 265
8.5.2 運動規(guī)劃系統(tǒng)驗證實驗 267
8.5.3 無人機控制系統(tǒng)驗證實驗 269
8.5.4 導航拒止環(huán)境下無人機自主飛行驗證實驗 272
8.6 本章小結 275
參考文獻 275