农田地形感知概述
为什么无人机需要仿地飞行？地形感知技术的核心价值与行业痛点。
地形感知传感器原理
激光雷达(LiDAR)、毫米波雷达、双目视觉、RTK-GNSS的工作原理与选型对比。
数字高程模型(DEM)基础
DEM数据来源、分辨率概念、坐标系与投影、常见格式(GeoTIFF, ASCII Grid)。
点云数据获取与预处理
无人机载LiDAR点云采集流程、点云去噪、滤波(统计滤波、半径滤波)、下采样。
点云配准与拼接
ICP算法原理、NDT算法、多站点点云拼接实战、配准精度评估。
地形特征提取
坡度、坡向、粗糙度、曲率的计算原理与Python实现。
DEM插值算法
反距离权重(IDW)、克里金(Kriging)、样条插值、不规则三角网(TIN)生成。
地形分割与分类
基于高程的阈值分割、基于坡度的区域分割、机器学习(随机森林、SVM)在地形分类中的应用。
实时地形建图
TSDF、OctoMap、ESDF的原理与对比。
仿地飞行路径规划
基于DEM的离线路径规划、Dijkstra与A*算法在地形跟随中的应用、代价函数设计。
动态路径重规划
RRT、RRT*、Informed RRT*在复杂地形中的实时重规划。
无人机动力学模型
四旋翼运动学与动力学方程、控制分配矩阵、推力与扭矩模型。
仿地飞行控制器设计
PID控制器在地形跟随中的应用、前馈补偿、串级PID结构。
模型预测控制(MPC)在仿地飞行中的应用
MPC原理、约束处理、非线性MPC与线性MPC对比。
惯性导航系统(INS)
IMU原理、加速度计与陀螺仪模型、捷联惯导解算、INS误差传播。
GPS/INS组合导航
松耦合与紧耦合架构、卡尔曼滤波(KF)与扩展卡尔曼滤波(EKF)在组合导航中的应用。
视觉惯性里程计(VIO)
VINS-Mono算法原理、IMU预积分、视觉特征跟踪、滑动窗口优化。
激光雷达惯性里程计(LIO)
LIO-SAM算法原理、因子图优化、IMU与LiDAR紧耦合。
多传感器融合定位
图优化框架(g2o, GTSAM)、因子图融合GPS/LiDAR/IMU/视觉、鲁棒核函数。
地形感知中的深度学习
PointNet/PointNet++用于点云分割、深度估计网络(Monodepth2)、语义分割在地形理解中的应用。
仿真环境搭建
Gazebo + PX4 + ROS仿真平台搭建、地形场景生成、传感器仿真(激光雷达、相机、IMU)。
硬件系统集成
机载计算机选型(NVIDIA Jetson, Intel NUC)、传感器安装与标定、飞控与计算机通信(MAVLink, ROS2)。
传感器标定
相机内参标定(张正友法)、LiDAR与相机联合标定、IMU与相机标定、LiDAR与IMU标定。
实时操作系统与中间件
RT-Linux与PREEMPT_RT补丁、ROS2实时性配置、DDS通信机制。
仿地飞行安全机制
地形碰撞检测算法、安全距离保持策略、紧急避障与降落逻辑、故障树分析(FTA)。
飞行试验与数据采集
试飞前检查清单、试飞流程设计、数据记录(ROS bag)、飞行日志分析(ULog, Flight Review)。
性能评估指标
仿地飞行精度(高程误差均值与标准差)、地形跟随响应延迟、能耗分析、鲁棒性测试。
农业应用案例
丘陵茶园仿地植保、梯田地形变量喷洒、果树行间自主导航与地形跟随。
电力巡检应用案例
山区输电线路仿地巡检、铁塔地形自适应飞行、线路走廊三维重建。
未来趋势与挑战
多机协同地形感知、端到端仿地飞行(深度强化学习)、星载地形数据融合、法规与适航挑战。