目錄
前言
第1章 緒論 1
1.1 無人機(jī)自主導(dǎo)航與運(yùn)動(dòng)規(guī)劃研究現(xiàn)狀 1
1.1.1 相關(guān)研究項(xiàng)目概述 2
1.1.2 導(dǎo)航拒止環(huán)境下無人機(jī)自主導(dǎo)航方法研究現(xiàn)狀 6
1.1.3 多障礙環(huán)境下無人機(jī)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法研究現(xiàn)狀 13
1.2 導(dǎo)航拒止環(huán)境下無人機(jī)自主導(dǎo)航與運(yùn)動(dòng)規(guī)劃難點(diǎn)分析 18
1.2.1 不依賴外部傳感器信息的無人機(jī)自主導(dǎo)航 18
1.2.2 考慮避障與傳感器視場(chǎng)約束的無人機(jī)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃 19
1.2.3 面向復(fù)雜導(dǎo)航拒止環(huán)境的無人機(jī)自主飛行 19
1.3 本書主要內(nèi)容 19
參考文獻(xiàn) 21
第2章 坐標(biāo)系定義與坐標(biāo)變換 27
2.1 無人機(jī)坐標(biāo)系定義 27
2.1.1 參考坐標(biāo)系 27
2.1.2 機(jī)體坐標(biāo)系 27
2.1.3 相機(jī)坐標(biāo)系 28
2.1.4 激光雷達(dá)坐標(biāo)系 28
2.2 坐標(biāo)系間的變換關(guān)系 29
2.2.1 旋轉(zhuǎn)矩陣 29
2.2.2 旋轉(zhuǎn)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(guān)系 40
2.3.4 李代數(shù)雅可比 43
2.4 本章小結(jié) 47
參考文獻(xiàn) 47
第3章 基于視覺的無人機(jī)自主導(dǎo)航方法 48
3.1 概述 48
3.1.1 相關(guān)工作 48
3.1.2 基于視覺的無人機(jī)自主導(dǎo)航方法結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 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(jī)模型與畸變校正方法 52
3.2.2 雙目相機(jī)模型 57
3.2.3 慣性測(cè)量單元 61
3.3 基于視覺的無人機(jī)自主導(dǎo)航前端數(shù)據(jù)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(diǎn)深度恢復(fù) 69
3.4 基于濾波后端的無人機(jī)自主導(dǎo)航方法 71
3.4.1 狀態(tài)變量定義 71
3.4.2 濾波預(yù)測(cè)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(jī)自主導(dǎo)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(gòu)建 85
3.5.3 非線性優(yōu)化問題求解 90
3.6 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 92
3.7 本章小結(jié) 94
參考文獻(xiàn) 94
第4章 基于激光雷達(dá)的無人機(jī)自主導(dǎo)航方法 97
4.1 概述 97
4.1.1 相關(guān)工作 97
4.1.2 基于激光雷達(dá)的無人機(jī)自主導(dǎo)航方法結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 98
4.1.3 問題描述 99
4.2 基于激光雷達(dá)的無人機(jī)自主導(dǎo)航前端數(shù)據(jù)處理 103
4.2.1 傳感器模型 103
4.2.2 點(diǎn)云畸變產(chǎn)生的原因與畸變校正方法 105
4.2.3 點(diǎn)云特征提取 108
4.3 基于激光雷達(dá)點(diǎn)云地圖后端的無人機(jī)自主導(dǎo)航方法 111
4.3.1 特征點(diǎn)云地圖構(gòu)建 111
4.3.2 殘差函數(shù)構(gòu)建 112
4.3.3 非線性優(yōu)化問題求解 116
4.4 基于激光雷達(dá)體素地圖后端的無人機(jī)自主導(dǎo)航方法 123
4.4.1 體素地圖構(gòu)建 124
4.4.2 殘差函數(shù)構(gòu)建 126
4.4.3 非線性優(yōu)化問題求解 128
4.5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 130
4.6 本章小結(jié) 132
參考文獻(xiàn) 133
第5章 基于多傳感器融合的無人機(jī)自主導(dǎo)航方法 135
5.1 概述 135
5.1.1 相關(guān)工作 135
5.1.2 基于多傳感器融合的無人機(jī)自主導(dǎo)航方法結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 136
5.1.3 問題描述 137
5.2 基于視覺雷達(dá)融合的無人機(jī)自主導(dǎo)航前端數(shù)據(jù)處理 138
5.2.1 視覺與激光雷達(dá)融合的時(shí)間同步方法 138
5.2.2 視覺與激光雷達(dá)融合的空間同步方法 140
5.2.3 視覺特征點(diǎn)深度恢復(fù) 145
5.3 基于視覺雷達(dá)融合的無人機(jī)自主導(dǎo)航方法 147
5.3.1 基于視覺雷達(dá)松耦合的無人機(jī)自主導(dǎo)航方法 147
5.3.2 基于視覺雷達(dá)緊耦合的無人機(jī)自主導(dǎo)航方法 156
5.4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 164
5.4.1 基于視覺雷達(dá)松耦合的無人機(jī)自主導(dǎo)航方法實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 164
5.4.2 基于視覺雷達(dá)緊耦合的無人機(jī)自主導(dǎo)航方法實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 166
5.5 本章小結(jié) 167
參考文獻(xiàn) 167
第6章 感知受限條件下的無人機(jī)實(shí)時(shí)局部運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法 169
6.1 概述 169
6.1.1 相關(guān)工作 169
6.1.2 無人機(jī)局部運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 170
6.1.3 無人機(jī)局部運(yùn)動(dòng)規(guī)劃問題廣義表達(dá)形式 171
6.1.4 并行化地圖更新 176
6.2 基于模型預(yù)測(cè)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(dǎo) 178
6.2.2 路徑積分控制具體步驟 182
6.2.3 模型預(yù)測(cè)控制實(shí)現(xiàn) 185
6.3 有限視場(chǎng)角范圍約束的自主飛行 188
6.3.1 有限視場(chǎng)角約束 189
6.3.2 未探索區(qū)域安全性約束 191
6.3.3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 193
6.4 稀疏特征場(chǎng)景下的自主感知飛行 198
6.4.1 興趣點(diǎn)觀測(cè)約束 199
6.4.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 201
6.5 本章小結(jié) 204
參考文獻(xiàn) 204
第7章 面向未知環(huán)境的無人機(jī)自主探測(cè)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法 206
7.1 概述 206
7.1.1 相關(guān)工作 206
7.1.2 無人機(jī)自主探測(cè)方法結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 207
7.2 基于前端邊界的探測(cè)引導(dǎo)路徑生成 208
7.2.1 相關(guān)概念定義 209
7.2.2 邊界增量式更新 212
7.2.3 信息結(jié)構(gòu)更新 214
7.2.4 旅行商問題構(gòu)建與求解 219
7.3 基于邊界增益約束的后端局部運(yùn)動(dòng)規(guī)劃 224
7.3.1 邊界體素濾波 226
7.3.2 邊界約束設(shè)計(jì) 227
7.4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 230
7.4.1 仿真分析 230
7.4.2 實(shí)物驗(yàn)證 236
7.5 本章小結(jié) 238
參考文獻(xiàn) 238
第8章 面向室外復(fù)雜環(huán)境的無人機(jī)自主飛行系統(tǒng) 240
8.1 概述 240
8.1.1 相關(guān)工作 240
8.1.2 面向室外復(fù)雜環(huán)境的無人機(jī)自主飛行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 241
8.2 感知系統(tǒng)設(shè)計(jì) 244
8.2.1 多傳感器融合狀態(tài)估計(jì) 244
8.2.2 全局-局部地圖構(gòu)建 249
8.3 運(yùn)動(dòng)規(guī)劃系統(tǒng)設(shè)計(jì) 250
8.3.1 全局-局部運(yùn)動(dòng)規(guī)劃策略 251
8.3.2 無人機(jī)局部初始軌跡解算 252
8.3.3 無人機(jī)局部軌跡規(guī)劃 256
8.4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 259
8.4.1 多旋翼無人機(jī)動(dòng)力學(xué)模型建立 260
8.4.2 外環(huán)軌跡跟蹤控制器設(shè)計(jì) 261
8.4.3 內(nèi)環(huán)姿態(tài)控制器設(shè)計(jì) 264
8.5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 265
8.5.1 感知系統(tǒng)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn) 265
8.5.2 運(yùn)動(dòng)規(guī)劃系統(tǒng)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn) 267
8.5.3 無人機(jī)控制系統(tǒng)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn) 269
8.5.4 導(dǎo)航拒止環(huán)境下無人機(jī)自主飛行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn) 272
8.6 本章小結(jié) 275
參考文獻(xiàn) 275