[科普中国]-一键返航

背景

近年来旋翼飞行器因为其机动性能强、可执行任务丰富等许多优点而受到了广泛应用，发展迅猛。旋翼飞行器已经不再仅仅是航模爱好者们的玩物，与我们生活最接近的就是无人机大量应用于航拍，如湖南卫视综艺节目、中央电视台关于美食的大型纪录片中，都能看到旋翼无人机的身影或出现旋翼机航拍得到的画面；某些快递公司与电商正在大力开展研究并尝试使用无人机送货；某些田间地头已经开始用旋翼无人机喷洒农药。另外在军事应用、危险地域勘察、抗震救灾等方面，旋翼无人机都有其独特的性能优势与发展潜力。

对于无人机各方面的研究也蓬勃发展，主要分为控制算法、导航、制导三方面。控制算法即无人机底层根据其物理模型设计出的姿态控制算法，在自动化控制领域有许多线性、非线性的算法可供尝试。关于导航的研究，一类是通过卫星导航信号、惯导传感器型号或摄像头、距离传感器等来确定无人机精确的位置姿态，从而完成各种导航任务；一类是仅仅需要感知周围环境以实现动态避障、地图构建等功能。对于制导的研究主要包括路径规划、任务规划、多机合作等等。

目前市售的多旋翼无人机产品的飞控系统提供基于 GPS 信号的一键返航功能，一般原理为在初始化时记录初卫星定位坐标，如果人为切换至返航模式或 者检测到遥控器失联，则以记录的初始点为目标航点飞行，到达初始点后缓慢降落。1在卫星定位信号不能正常使用时，例如室内或者复杂的城市环境， 则利用无人机的视觉系统来实现一键返航的功能。

分类目前一键返航功能主要有两种方法来实现，一是基于GPS的一键返航功能，另一种是基于图像匹配的一键返航功能。

基于图像匹配的一键返航当没有卫星定位信号且对环境未知时，单目SLAM算法(simultaneouslocalization and mapping)可以实时构建地图并定位无人机，实现定点悬停、轨迹跟随等功能。如果能构建地图，实现无人机自主返航自然不在话下，只需要记录无人机在地图中的运动轨迹即可控制其返回起点。SLAM 算法以实现减小漂移为目的，把传感器轨迹和随时间推移跟踪得到的三维地标之间的几何约束条件考虑在内，从而形成一个地图映射。该算法实现的主要困难在于计算的实时性：在获取到完整的信息之前，方位参照位置及无人机的轨迹必须不断地完善。理想情况下 SLAM 算法在每一时刻必须对前一时刻获取的参数进行改善，这样的运算复杂度过大。于是大量的滤波器在 SLAM 文献中被提及，比如非线性卡尔曼滤波器或粒子滤波器。

从实验结果看来，SLAM算法运算复杂度较大，且当轨迹产生回环时可以发现地图构建时发生的误差，说明对相机角度有旋转的情况处理不够好。如果预先记录一系列向前摄像头图像关键帧，在无人机飞行过程中可以比较当前图像的描述子与图像序列的描述子求解当前位置与哪一关键帧最接近。再通过图像匹配的方法确定当前图像与关键帧之间特征点匹配关系，计算基础矩阵之后可以求解两个摄像机位置之间的相对偏移与旋转矩阵。利用这个过程可以控制无人机依次到达关键帧拍摄位置，完成一条轨迹。但需要存储的图像比较密集，且对于复杂路径的鲁棒性尚待验证。使用底部摄像头，可以非常直观地用 BRISK 等地复杂度图像匹配算法实现定点悬停；若要使用SURF、SIFT等效果更好但复杂度高的匹配算法可用 GPU 加速 ，以达到无人机实时处理的要求。

基于GPS的一键返航随着无入机运用领域的扩大和需求的提高，采用遥控飞行方式的无人机越来越不能满足对无人机的要求。设计无人机实现自主导航，自主飞行的飞行控制系统越来越受到重视；计算机技术和导航技术的发展。自主导航作为无人机的重要功能之一。得到了充分的重视和快速发展。全球定位系统(GPS)，由于具有定位精度高、实时效果佳、使用方便等优点，广泛地被采用。2

在无人机的遥控信号断连，且GPS信号良好时，就可以利用无人机的GPS自主导航功能规划返航航线，并指导无人机按照所规划的航线返回返航点。自主导航返航的基本思想是根据机载全球定位系统(GPS)接收机提供的无人机经、纬度、时间等信息。作为规划的航线信息的反馈数据，结合其它参数共同作为控制参数，主要针对无人机的升降舵和副翼舵进行控制，改变无人机飞行姿态，从而使无人机按规划航线自主飞行，返回返航点。

拥有一键返航功能的无人机大疆：

INSPIRE 2 T560

“悟” INSPIRE 1 T600

PHANTOM 3 系列

PHANTOM 4 PRO

其他：

福奇FQ777-X410A

捣蛋鬼S501

澄星CX20

优迪U818S

美嘉欣X300C

福奇FQ777-X428

福奇FQ777-X410A红色

伟力V686G双电标配

环奇897c

宝贝星T40

威典T40

Fineco FX-6C

猛攻天幕鹰眼