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Davide Scaramuzza
瑞士苏黎世大学，机器人与感知小组
6.1 简介
无人机（UAV）是指一种没有人驾驶的飞机。国际民用航空组织（ICAO）将无人侦察机分为两类：自主飞机和遥控飞机。无人机最初是为军事应用而设计的，但近年来，我们也看到越来越多的民用应用，如执法和消防、安全和监视、农业、航空摄影、检查和搜索救援。
6.1.1 微型飞行器
术语微型飞行器（MAV）是指尺寸小于 1m1\mathrm{m} 1 m 、重量小于 2kg2\mathrm{kg} 2 kg 的微型UAV。一些MAV甚至可以小到几厘米，重量只有几克（MA等，2013；Troiani等，2013）。
MAV 可以看作是地面移动机器人的逻辑延伸。它们的飞行能力使它们能够轻松地避开地面上的障碍物，并拥有极好的鸟瞰视野。多用途飞行器可分为旋翼机（或旋转翼）、固定翼、扑翼、混合翼（见图 6.1）。
6.1.2 微型旋翼机
微型旋翼机与基于固定机翼的旋翼机相比有几个优点：它们能够垂直起降、原地盘旋，甚至可以停靠在水面（Kumar和Michael，2012）。这种能力使它们能够在非结构化的室内环境中轻松导航（Shen等，2012），可以通过窗户（Achtelik等，2009）、穿过狭窄的走廊（Zingg等，2010）、爬楼梯（Bills等，2011），并通过或越过受损建筑物进行救援或检查（Faessler等，2015；Michael等，2012年）。因此，它们是搜索救援和远程检查场景中勘探、测绘和监测任务的理想平台。
多旋翼 MAV 通常以四旋翼机、六旋翼机或八旋翼机的形式出现，并有一组对向旋转的旋翼。转子的数量越少，飞行器的效率就越高。另一方面，可以通过更多的螺旋桨和较小的转子表面与总重量之比来增强可实现的动力，从而提高飞行器的机动性（Achtelik 等，2012）。此外，六旋翼机和八旋翼机提供了防止单旋翼故障的冗余。然而，四旋翼机由于其相对简单的设计，现在已经非常成功。
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图6.1 MAV示例：a）senseFly eBee。b）DJI Phantom。
c）hybridXPlusOne。d）FESTOBioniCope
6.2 GPS导航失效
到目前为止，大多数自主式多用途飞行器都依靠GPS在室外导航。然而，在低卫星覆盖率或多径情况下，GPS可能不可靠，例如，在城市环境中或在低海拔和靠近建筑物飞行时，这两种现象非常常见。此外，GPS在室内完全不可用，因此限制了无人机在搜救或远程检查行动中的使用。在目前的状态下，大多数用于搜救和远程检查场景的MAV都是在操作员的直接视线下进行远程操作的（Murphy，2014）。如果能够保持与MAV的无线通信，则有可能通过将车载摄像机的视频流传输给操作员来远程操作MAV。然而，在室内环境下，视频流的远程操作是非常具有挑战性的。此外，无线通信在一定的范围内是无法保证的。由于这些原因，人们非常需要能够自主导航的飞行机器人，而无需任何用户干预。
MAV导航的关键问题是姿态和位置控制。今天的系统使用本体感测器很好地处理姿态控制，如惯性测量单元（IMU）。然而，如果没有位置控制，则它们很容易随时间漂移。在GPS失效的环境中，这可以通过非车载传感器（如运动捕捉系统）或车载传感器（如摄像机和激光测距仪）来解决。运动捕捉系统（如Vicon或OptiTrack）由一组安装在天花板上的外部摄像机组成，这些摄像机以亚毫米精度和高帧频（超过 350Hz350\mathrm{Hz} 350 Hz
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