低空跟蹤地面目標的機載云臺運動仿生控制.pdf

1、地面目標低空跟蹤系統(tǒng)指的是這樣一種系統(tǒng)：在低空飛行的無人機上，攜帶攝像機的云臺運動控制系統(tǒng)利用攝像機獲得的視覺信息，自動調(diào)整機載云臺的旋轉(zhuǎn)和俯仰角度，使被跟蹤的地面移動目標始終保持在攝像機的圖像中心，并將圖像和位置信息傳回地面指揮中心。它是一個典型的光機電一體化系統(tǒng)，涉及圖像處理、計算機視覺、自動控制、機械、電子、模式識別等諸多領域，可廣泛應用于交通監(jiān)管、車輛追蹤、災害救援等場合，具有廣闊的應用前景。 地面目標低空跟蹤系統(tǒng)中，無

2、人機、攝像機和目標三者均在運動。目前，系統(tǒng)的研究焦點集中在圖像處理方面，而機載云臺的控制方法一般是負反饋控制。跟蹤過程中，容易因無人機的飛行姿態(tài)變化引起攝像機視野偏離，導致目標丟失，或因無人機的飛行速度高而引起圖像模糊，或因云臺的速度波動大，導致圖像跳動，不能連續(xù)穩(wěn)定地跟蹤目標。 在機器人技術的研究中，仿生技術日益受到關注。在對運動物體的跟蹤方面，人眼具有獨特的優(yōu)勢。人眼具有許多特殊的功能，如前庭動眼反射能自動快速補償因頭部運動

3、引起的視線偏離，視動反射使人能看清運動背景里的物體，人眼的平滑追蹤運動能使視線平滑地跟蹤注視目標，等等。這些功能是由眼球運動中不同的運動形式實現(xiàn)的。人眼的這些功能為解決地面目標跟蹤系統(tǒng)中上述機載云臺運動控制的問題提供了啟示。解剖學家、生理學家對眼球運動的神經(jīng)信號傳遞回路的充分研究和國內(nèi)外眼球運動控制的仿生研究為機載云臺運動的仿生控制研究提供了堅實的研究基礎和理論依據(jù)。 本論文從仿生的角度出發(fā)，根據(jù)人眼生理學和解剖學的基本特性和構

4、造，利用現(xiàn)代控制理論來分析眼球運動控制神經(jīng)系統(tǒng)，在建立了眼球三維運動控制系統(tǒng)模型的基礎上，將其應用到地面目標低空跟蹤系統(tǒng)的機載云臺運動控制系統(tǒng)，對機載攝像機和無人機進行協(xié)調(diào)控制，將眼球的前庭動眼反射應用到自動補償因無人機姿態(tài)變化引起的攝像機光軸偏離，將眼球的視動反射應用到高速運動背景里的目標跟蹤，將眼球的平滑追蹤運動應用到攝像機對地面目標的平滑跟蹤，盡量使機載攝像機象人眼一樣，連續(xù)、平滑、清晰、穩(wěn)定地跟蹤目標。本論文的研究工作主要有：

5、 1.首先，對國內(nèi)外地面目標跟蹤系統(tǒng)的研究方法和現(xiàn)狀進行了綜述，分析和總結(jié)了現(xiàn)有系統(tǒng)的不足;然后，綜述了國內(nèi)外眼球運動仿生控制研究的方法、進展和現(xiàn)狀，總結(jié)了研究的特點； 2.在人眼生理學和解剖學研究的基礎上，根據(jù)控制眼球運動的神經(jīng)回路，利用現(xiàn)代控制理論建立了能實現(xiàn)前庭動眼反射、視動反射、平滑追蹤運動和復合運動的單眼眼球一維運動控制系統(tǒng)模型； 3.在眼球一維運動控制系統(tǒng)模型的基礎上，根據(jù)目標三維運動與相應的眼球運動之

6、間的關系，以及人的頭部繞三個軸旋轉(zhuǎn)時，半規(guī)管與前庭眼動反射之間的關系，建立了單眼眼球三維運動控制系統(tǒng)模型； 4.對本論文建立的眼球運動控制系統(tǒng)模型在與生理學實驗相同的條件下，用Matlab分別進行了前庭動眼反射、視動反射和平滑追蹤運動及復合運動的仿真實驗。仿真實驗的結(jié)果與生理學實驗結(jié)果基本一致，證明了本論文建立的眼球運動控制系統(tǒng)模型是可行的。該模型根據(jù)頭部運動和目標運動的不同情況，可實現(xiàn)人眼的前庭動眼反射、視動反射、平滑追蹤運動

7、和復合運動; 5.將本論文建立的眼球運動控制系統(tǒng)模型用于云臺運動控制，進行了生理學實驗類似條件下的前庭動眼反射、視動反射和平滑追蹤運動對比實驗，實驗結(jié)果說明本論文建立的眼球運動控制系統(tǒng)模型用于實際機電系統(tǒng)后能產(chǎn)生類似生理學上的前庭動眼反射、視動反射和平滑追蹤運動； 6.根據(jù)現(xiàn)代控制理論將本論文建立的眼球運動控制系統(tǒng)模型離散化，以便用微處理器編程，實時控制機載云臺運動。然后，根據(jù)機載要求合作設計并構建了云臺運動控制系統(tǒng)的硬

8、件平臺，同時完成了云臺運動控制系統(tǒng)的軟件編程工作； 7.建立了超小型無人旋翼機地面目標低空跟蹤實驗驗證系統(tǒng)，先后進行了固定臺面實驗、移動導軌實驗和野外跟蹤實驗。經(jīng)過不斷調(diào)試和改進，采用眼球運動控制系統(tǒng)模型的機載云臺運動仿生控制系統(tǒng)實現(xiàn)了對機載攝像機和無人機的協(xié)調(diào)控制，機載攝像機能連續(xù)、穩(wěn)定、清晰地跟蹤地面移動目標； 8.為了對比采用眼球運動控制系統(tǒng)的仿生控制跟蹤系統(tǒng)與傳統(tǒng)的視覺反饋控制跟蹤系統(tǒng)的跟蹤效果，特別進行了前庭動眼反射、

9、視動反射、平滑跟蹤三組對比實驗，實驗結(jié)果表明采用眼球運動控制系統(tǒng)的仿生控制跟蹤系統(tǒng)的跟蹤效果優(yōu)于傳統(tǒng)的視覺反饋控制跟蹤系統(tǒng)。 本論文的特色和創(chuàng)新點主要有： 1.將具有人眼生理學特性的眼球運動控制系統(tǒng)模型用于超小型無人機的機載云臺運動控制系統(tǒng)，用人眼的前庭動眼反射補償因無人機振動引起的視線偏離，用人眼的視動性反射跟蹤運動背景里的目標，用人眼的平滑性眼球運動使視線平滑地跟蹤目標。采用眼球運動控制系統(tǒng)模型的云臺運動仿生控制系統(tǒng)

10、考慮了無人機的飛行對機載攝像機的影響，實現(xiàn)了攝像機與無人機的協(xié)調(diào)控制； 2.在人眼生理學和解剖學研究的基礎上，根據(jù)控制眼球運動的神經(jīng)回路，利用現(xiàn)代控制理論首先建立了能實現(xiàn)前庭動眼反射、視動反射、平滑追蹤運動和復合運動的單眼眼球一維運動控制系統(tǒng)模型；進而根據(jù)目標三維運動與相應的眼球運動之間的關系，以及人的頭部繞三個軸旋轉(zhuǎn)時，半規(guī)管與前庭眼動反射之間的關系，建立了單眼眼球三維運動控制系統(tǒng)模型； 3.目前眼球運動控制系統(tǒng)模型都