《Autonomous Flying Robots: Unmanned Aerial Vehicles and Micro Aerial Vehicl...
《Autonomous Flying Robots: Unmanned Aerial Vehicles and Micro Aerial Vehicles》自主飞行机器人：无人驾驶飞行器和微型飞行器
作者：
Kenzo Nonami
Farid Kendoul
Satoshi Suzuki
Wei Wang
Daisuke Nakazawa
出版社：Springer
出版时间：2010年
目录
1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 What are Unmanned Aerial Vehicles (UAVs)
andMicro Aerial Vehicles (MAVs)? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2 Unmanned Aerial Vehicles and Micro Aerial Vehicles:
Definitions, History, Classification, and Applications . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.2.1 Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.2.2 Brief History of UAVs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.2.3 Classification of UAV Platforms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.2.4 Applications.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.3 Recent Research and Development of Civil
Use Autonomous UAVs in Japan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.4 Subjects and Prospects for Control and Operation
Systems of Civil Use Autonomous UAVs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.5 Future Research and Development of Autonomous
UAVs andMAVs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.6 Objectives and Outline of the Book . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
Part I Modeling and Control of Small and Mini Rotorcraft UAVs
2 Fundamental Modeling and Control of Small
and Miniature Unmanned Helicopters .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.1 Introduction.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.2 Fundamental Modeling of Small and Miniature Helicopters.. . . . . . . . 34
2.2.1 Small and Miniature Unmanned Helicopters. . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.2.2 Modeling of Single-Rotor Helicopter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.2.3 Modeling of Coaxial-Rotor Helicopter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.3 Control System Design of Small Unmanned Helicopter . . . . . . . . . . . . . 48
2.3.1 Optimal Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.3.2 Optimal Preview Control .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
xi
xii Contents
2.4 Experiment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
2.4.1 Experimental Setup for Single-Rotor Helicopter . . . . . . . . . . . 52
2.4.2 Experimental Setup of Coaxial-Rotor Helicopter .. . . . . . . . . . 53
2.4.3 Static Flight Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
2.4.4 Trajectory-Following Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
2.5 Summary. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3 Autonomous Control of a Mini Quadrotor Vehicle
Using LQG Controllers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.1 Introduction.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.2 Description of the Experimental Platform . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
3.3 Experimental Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.3.1 Embedded Control System. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.3.2 Ground Control Station: GCS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3.4 Modeling and Controller Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.4.1 Modeling .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
3.4.2 Controller Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
3.5 Experiment and Experimental Result . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.6 Summary. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4 Development of Autonomous Quad-Tilt-Wing (QTW)
Unmanned Aerial Vehicle: Design, Modeling, and Control . . . . . . . . . . . . . . 77
4.1 Introduction.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.2 Quad Tilt Wing-Unmanned Aerial Vehicle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
4.3 Modeling of QTW-UAV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
4.3.1 Coordinate System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
4.3.2 Yaw Model .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
4.3.3 Roll and Pitch Attitude Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
4.4 Attitude Control System Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
4.4.1 Control System Design for Yaw Dynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
4.4.2 Control System Design for Roll and Pitch Dynamics . . . . . . 88
4.5 Experiment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
4.5.1 Heading Control Experiment.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
4.5.2 Roll and Pitch Attitude Control Experiments . . . . . . . . . . . . . . . 90
4.6 Control Performance Validation at Transient State . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
4.7 Summary. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
5 Linearization and Identification of Helicopter Model
for Hierarchical Control Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
5.1 Introduction.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
5.2 Modeling. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
5.2.1 Linkages.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
5.2.2 Dynamics of Main Rotor and Stabilizer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .101
Contents xiii
5.2.3 Dynamics of Fuselage Motion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .111
5.2.4 Small Helicopter Model .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .113
5.2.5 Parameter Identification and Validation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .114
5.3 Controller Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .115
5.3.1 Configuration of Control System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .115
5.3.2 Attitude Controller Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .116
5.3.3 Translational Motion Control System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .120
5.4 Experiment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .120
5.4.1 Avionics Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .121
5.4.2 Attitude Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .122
5.4.3 Hovering and Translational Flight Control . . . . . . . . . . . . . . . . . .125
5.5 Summary. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .128
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .129
Part II Advanced Flight Control Systems for Rotorcraft UAVs and MAVs
6 Analysis of the Autorotation Maneuver in Small-Scale
Helicopters and Application for Emergency Landing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .133
6.1 Introduction.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .134
6.2 Autorotation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .135
6.2.1 Aerodynamic Force at Blade Element . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .135
6.2.2 Aerodynamics in Autorotation .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .135
6.3 Nonlinear Autorotation Model Based on Blade Element Theory .. . .136
6.3.1 Thrust . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .137
6.3.2 Torque .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .137
6.3.3 Induced Velocity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .138
6.4 Validity of Autorotation Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .140
6.4.1 Experimental Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .140
6.4.2 Verification of AutorotationModel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .140
6.4.3 Improvement in Induced Velocity Approximation .. . . . . . . . .141
6.4.4 Validity of Approximated Induced Velocity. . . . . . . . . . . . . . . . .142
6.4.5 Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .144
6.5 Experiment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .145
6.5.1 Autorotation Landing Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .145
6.5.2 Vertical Velocity Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .146
6.6 Linearization.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .147
6.6.1 Discrete State Space Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .147
6.6.2 Determination of Parameters by a Neural Network .. . . . . . . .148
6.6.3 Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .149
6.7 Summary. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .150
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .150
xiv Contents
7 Autonomous Acrobatic Flight Based on Feedforward
Sequence Control for Small Unmanned Helicopter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .151
7.1 Introduction.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .151
7.2 Hardware Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .152
7.3 Manual Maneuver Identification.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .153
7.4 Trajectory Setting and Simulation .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .155
7.5 Execution Logic and Experiment.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .156
7.6 Height and Velocity During Maneuver .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .157
7.7 Summary. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .159
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .160
8 Mathematical Modeling and Nonlinear Control of VTOL
Aerial Vehicles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .161
8.1 Introduction.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .161
8.2 Dynamic Model of Small and Mini VTOL UAVs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .163
8.2.1 Rigid Body Dynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .164
8.2.2 Aerodynamics Forces and Torques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .167
8.3 Nonlinear Hierarchical Flight Controller: Design and Stability . . . . .168
8.3.1 Flight Controller Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .169
8.3.2 Stability Analysis of the Complete
Closed-Loop System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .172
8.4 UAV System Integration: Avionics and Real-Time Software . . . . . . . .175
8.4.1 Air Vehicle Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .175
8.4.2 Navigation Sensors and Real-Time Architecture . . . . . . . . . . .176
8.4.3 Guidance, Navigation and Control Systems
and Their Real-Time Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .178
8.5 Flight Tests and Experimental Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .180
8.5.1 Attitude Trajectory Tracking .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .180
8.5.2 Automatic Take-off, Hovering and Landing.. . . . . . . . . . . . . . . .181
8.5.3 Long-Distance Flight . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .182
8.5.4 Fully AutonomousWaypoint Navigation . . . . . . . . . . . . . . . . . . .184
8.5.5 Arbitrary Trajectory Tracking .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .186
8.6 Summary. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .189
Appendix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .189
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .191
9 Formation Flight Control of Multiple Small Autonomous
Helicopters Using Predictive Control.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .195
9.1 Introduction.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .195
9.2 Configuration of Control System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .196
9.3 Leader–Follower Path Planner Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .197
9.4 Guidance Controller Design by Using Model Predictive Control . . .198
9.4.1 Velocity Control System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .198
9.4.2 Position Model .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .200
9.4.3 Model Predictive Controller Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .202
9.4.4 Observer Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .205
Contents xv
9.5 Simulations and Experiments .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .207
9.5.1 Simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .207
9.5.2 Experiment .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .207
9.5.3 Constraint and Collision Avoidance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .209
9.5.4 Robustness Against Disturbance .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .213
9.6 Summary. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .214
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .214
Part III Guidance and Navigation of Short-Range UAVs
10 Guidance and Navigation Systems for Small Aerial Robots . . . . . . . . . . . . .219
10.1 Introduction.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .219
10.2 Embedded Guidance System for Miniature Rotorcraft UAVs . . . . . . .222
10.2.1 Mission Definition and Path Planning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .223
10.2.2 Flight Mode Management .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .223
10.2.3 Safety Procedures and Flight Termination System. . . . . . . . . .224
10.2.4 Real-Time Generation of Reference Trajectories . . . . . . . . . . .225
10.3 Conventional Navigation Systems for Aerial Vehicles . . . . . . . . . . . . . . .227
10.3.1 Attitude and Heading Reference System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .227
10.3.2 GPS/INS for Position and Velocity Estimation . . . . . . . . . . . . .228
10.3.3 Altitude Estimation Using Pressure Sensor
and INS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .229
10.4 Visual Navigation in GPS-Denied Environments .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .229
10.4.1 Flight Control Using Optic Flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .230
10.4.2 Visually-Driven Odometry by Features Tracking .. . . . . . . . . .236
10.4.3 Color-Based Vision System for Target Tracking .. . . . . . . . . . .237
10.4.4 Stereo Vision-Based System for Accurate
Positioning and Landing ofMicro Air Vehicles. . . . . . . . . . . . .242
10.5 Summary. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .249
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .249
11 Design and Implementation of Low-Cost Attitude
Quaternion Sensor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .251
11.1 Introduction.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .251
11.2 Coordinate System and Quaternion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .252
11.2.1 Definition of Coordinate System. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .252
11.2.2 Quaternion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .253
11.3 Attitude and Heading Estimation Algorithms.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .256
11.3.1 Construction of Process Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .256
11.3.2 Extended Kalman Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .259
11.3.3 Practical Application . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .260
11.4 Application and Evaluation .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .261
11.5 Summary. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .265
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .265
xvi Contents
12 Vision-Based Navigation and Visual Servoing of Mini
Flying Machines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .267
12.1 Introduction.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .268
12.1.1 Related Work on Visual Aerial Navigation .. . . . . . . . . . . . . . . . .269
12.1.2 Description of the Proposed Vision-Based Autopilot .. . . . . .270
12.2 Aerial Visual Odometer for Flight Path Integration . . . . . . . . . . . . . . . . . .271
12.2.1 Features Selection and Tracking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .272
12.2.2 Estimation of the Rotorcraft Pseudo-motion
in the Image Frame . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .272
12.2.3 Rotation Effects Compensation .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .274
12.3 Adaptive Observer for Range Estimation
and UAVMotion Recovery . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .275
12.3.1 Mathematical Formulation of the Adaptive
Visual Observer .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .275
12.3.2 Generalities on the Recursive-Least-Squares Algorithm . . .277
12.3.3 Application of RLS Algorithm to Range
(Height) Estimation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .278
12.3.4 Fusion of Visual Estimates, Inertial
and Pressure Sensor Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .280
12.4 Nonlinear 3D Flight Controller: Design and Stability . . . . . . . . . . . . . . . .280
12.4.1 Rotorcraft Dynamics Modelling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .280
12.4.2 Flight Controller Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .281
12.4.3 Closed-Loop System Stability and Robustness . . . . . . . . . . . . .282
12.5 Aerial Robotic Platform and Software Implementation . . . . . . . . . . . . . .286
12.5.1 Description of the Aerial Robotic Platform . . . . . . . . . . . . . . . . .286
12.5.2 Implementation of the Real-Time Software . . . . . . . . . . . . . . . . .288
12.6 Experimental Results of Vision-Based Flights. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .290
12.6.1 Static Tests for Rotation Effects
Compensation and Height Estimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .290
12.6.2 Outdoor Autonomous Hovering
with Automatic Take-off and Landing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .292
12.6.3 Automatic Take-off, Accurate Hovering
and Precise Auto-landing on Some Arbitrary Target .. . . . . .293
12.6.4 Tracking a Moving Ground Target
with Automatic Take-off and Auto-landing . . . . . . . . . . . . . . . . .294
12.6.5 Velocity-Based Control for Trajectory
Tracking Using Vision. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .296
12.6.6 Position-Based Control for Trajectory
Tracking Using Visual Estimates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .297
12.6.7 GPS-Based Waypoint Navigation
and Comparison with the Visual Odometer Estimates . . . . . .297
12.6.8 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .299
12.7 Summary. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .300
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .300
Contents xvii
13 Autonomous Indoor Flight and Precise
Automated-Landing Using Infrared and Ultrasonic Sensors . . . . . . . . . . . .303
13.1 Introduction.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .303
13.2 System Configuration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .305
13.2.1 Description of the Experimental Platform . . . . . . . . . . . . . . . . . . .305
13.2.2 Movable Range Finding System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .305
13.2.3 MAV Operation System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .306
13.3 Principle of Position Measurement .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .306
13.3.1 Basic Principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .308
13.3.2 Definition of Coordinate System. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .309
13.3.3 Edge Detection. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .309
13.3.4 Position Calculation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .311
13.4 Modeling and Controller Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .312
13.4.1 Configuration of the Control System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .312
13.4.2 Modeling .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .313
13.4.3 Parameter Identification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .314
13.4.4 Controller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .316
13.5 Experiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .316
13.5.1 Autonomous Hovering Experiment.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .316
13.5.2 Automated Landing Experiment .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .318
13.6 Summary. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .321
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .321
Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .323
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