自主导航是无人机完成各种任务的基础,为了实现大范围未知环境下可靠的自主导航,研究不依赖于GPS信号的、基于视觉的导航方法具有重要的理论和实际意义。本文基于视觉里程计算法,在四旋翼无人直升机平台上实现了视觉导航,并针对视觉里程计算法可能失效的问题,根据实际飞行场景提出了两种恢复方法,最后通过飞行实验进行了验证。本文的主要工作包括:1.基于视觉里程计算法,在自主开发的四旋翼无人直升机平台上实现了视觉导航系统,具体内容包括:视觉导航程序与飞控程序之间的数据通信,基于统计迭代方法的尺度标定,基于视觉估计的水平面对齐,机体位置互补滤波等。室外飞行实验结果表明,该系统能够实现未知环境下的无人机自主导航。2.针对场景特征充足时视觉里程计算法失效的问题,提出了失效检测及重新初始化的策略,失效期间利用双视图几何关系对无人机位姿进行解算,重新初始化时利用前后两张地图中共同的地图点信息,实现了不依赖于其他传感器的尺度校正,保证了前后尺度的一致性。四旋翼无人直升机室外飞行实验结果表明,该方法可以保证视觉里程计失效后的重新初始化。3.针对场景特征不足时视觉里程计算法失效的问题,提出了基于光流的重新初始化策略,建立了基于光流的运动模型,进而估计得到视觉速度,并基于扩展卡尔曼滤波融合加速度数据,对视觉尺度及机体实际速度进行估计,从而实现了视觉里程计算法失效期间的无人机导航。四旋翼无人直升机室外飞行实验结果表明了该方法的有效性。本系统的视觉算法均在四旋翼无人直升机机载微型计算机上实时运行,无需地面站协作处理,实际飞行结果表明,能够在大范围室外环境下实现不依赖于GPS的视觉导航。