随着传感器技术,通信技术,人工智能技术等高新技术的迅速发展,微小型飞行器的自主化和智能化水平越来越高,在军事和民用领域均有广泛的应用。由于微小型飞行器的应用环境复杂多变,为保证其安全可靠飞行,需要微小型飞行器实时感应周围飞行环境,实现自主定位导航以使得微小型飞行器可以完成自主避障,路径规划等任务。为此,本文根据微小型飞行器的体积及重量限制,在光学传感器的基础上,开展了基于双目相机的三维环境感知方法及单双目结合的三维环境感知方法中的关键技术研究;同时在视觉环境感知和惯性传感器辅助的基础上,构建视觉里程计以稳定输出微小型飞行器的位姿信息,为飞行器实现可靠控制提供信息来源。为使微小型飞行器使用双目传感器有效感知三维环境,在分析了光学相机成像模型的基础上,研究了基于固定基线的平行双目立体视觉深度感知模型,针对双目感知中的立体匹配问题,分析了局部立体匹配算法框架,将视差可信度计算引入到视差优化算法中,在ADCensus匹配代价及自适应匹配窗口生成的基础上,设计了基于视差可信度的局部立体匹配算法,提高了双目立体视觉三维环境感知的准确性,使得微小型飞行器可以感知其与实时飞行环境中障碍物之间的有效距离,同时为视觉里程计位姿估计提供相应的数据基础。通过对固定基线平行双目传感器的深度估计误差特性分析可知,平行双目传感器对远距离目标感知结果会因为感知误差过大而不可信。论文在分析两帧图像间对极几何原理的基础上建立了三角测量模型,研究了图像特征点提取和特征点匹配方法,设计了基于距离阈值和RANSAC算法联合筛选的特征点误匹配剔除算法及视觉位姿估计方法,在不增加其他传感器的基础上,使用双目相机感知的三维环境信息,同时结合左摄像机采集的连续序列图像,提出了基于单/双目结合的三维环境感知建模方法,使得微小型飞行器在实时环境感知时可以突破双目传感器固定基线的限制,提高了飞行器的感知范围,使其能更有效的感知飞行环境。微小型飞行器实时估计自身位姿信息是其实现自主定位导航的基础,在卫星拒止等飞行条件下,使用传统惯性和卫星等导航方法,难以满足微小型飞行器在复杂环境中准确稳定位姿估计的需求。论文通过研究视觉里程计原理及其递推计算特性,设计了联合非线性优化的位姿估计方法,提高了视觉里程计位姿估计的准确性。针对由于微小型飞行器大机动运动,或者飞行环境突然变化导致视觉里程计不稳定的情况,设计了基于惯性辅助的视觉里程计和环境预测感知方法,使得视觉里程计可为微小型飞行器提供连续的位姿估计信息,提升视觉里程计的鲁棒性和微小型飞行器的安全性。论文使用小型六旋翼飞行器,搭载ZED双目视觉传感器,大疆公司Manifold处理器等硬件设备搭建了微小型飞行器视觉感知与自主导航方法验证平台。通过双目相机拍摄三维世界图像,运用本文所提出的双目三维环境感知及单/双目结合的三维环境感知算法进行实验并分析感知结果;通过采集真实环境下微小型飞行器的视觉里程计位姿估计结果,以及机载惯性传感器,差分GPS等传感器的实时数据分析飞行器运动轨迹,通过实验所得图像结果及实验数据验证本文所提出算法的有效性。