基于視覺的小型無人直升機(jī)地面目標(biāo)跟蹤技術(shù)研究.pdf

1、小型無人直升機(jī)可以垂直起飛降落,而且它還可以實(shí)現(xiàn)懸停、橫飛、倒飛、慢速巡航以及超低空飛行等多種飛行方式。由于這些優(yōu)勢(shì),小型無人直升機(jī)可以較為方便地完成航拍、搜救、地形勘測(cè)、軍事偵察等任務(wù),具有非常廣闊的應(yīng)用前景。安裝了視覺傳感器的小型無人直升機(jī)系統(tǒng)具有對(duì)地面目標(biāo)的空中監(jiān)視、跟蹤飛行等功能,是完成反恐防暴、交通監(jiān)控、抗災(zāi)救援等任務(wù)的理想平臺(tái)。因此,針對(duì)基于視覺的無人機(jī)地面目標(biāo)跟蹤技術(shù)的研究得到了控制學(xué)與機(jī)器人學(xué)專家的極大關(guān)注,成為該領(lǐng)域當(dāng)

2、前最活躍的研究方向之一。
　　 基于視覺的無人機(jī)地面目標(biāo)跟蹤是指在低空飛行的小型無人直升機(jī)上,安裝的云臺(tái)控制系統(tǒng)利用獲得的視覺信息自動(dòng)調(diào)整機(jī)載云臺(tái)的旋轉(zhuǎn)和俯仰角度,使被跟蹤的地面目標(biāo)始終保持在攝像機(jī)的圖像中心,同時(shí)利用視覺信息對(duì)動(dòng)態(tài)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行估計(jì),并將其作為反饋信號(hào)來控制無人機(jī)跟蹤目標(biāo)飛行。無人機(jī)地面目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)中,視覺傳感器的主要任務(wù)是獲得目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),然而,由于攝像機(jī)的平移和旋轉(zhuǎn),所拍攝的視頻圖像中的背景是動(dòng)態(tài)變化

3、的,在動(dòng)態(tài)背景圖像中對(duì)目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)并定位是目前視覺跟蹤問題中的一個(gè)難點(diǎn)。小型無人直升機(jī)是一個(gè)多變量、非線性、強(qiáng)耦合的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng),穩(wěn)定性差,容易受到陣風(fēng)等外力的干擾,如何實(shí)現(xiàn)其穩(wěn)定地自主飛行仍然是無人機(jī)領(lǐng)域的一個(gè)難題,使其跟蹤具有較強(qiáng)機(jī)動(dòng)性的地面目標(biāo)難度更大。除此之外,由于無人機(jī)的飛行空間比較大,很容易使目標(biāo)偏離于攝像機(jī)的視野之外,如何快速準(zhǔn)確地調(diào)整攝像機(jī)的姿態(tài)是跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)中另一大難題。
　　 本論文針對(duì)基于視覺的無人機(jī)地面目標(biāo)

4、跟蹤系統(tǒng)進(jìn)行了深入研究。研究內(nèi)容主要包括以下三個(gè)方面:
　　 (1)基于視覺的動(dòng)態(tài)目標(biāo)狀態(tài)估計(jì)。針對(duì)基于視覺的動(dòng)態(tài)目標(biāo)狀態(tài)估計(jì)問題,提出了一種新的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度估計(jì)方法。該方法借助圖像中靜態(tài)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)信息對(duì)由攝像機(jī)運(yùn)動(dòng)引起的圖像變化進(jìn)行估計(jì),從而減少機(jī)載傳感器的噪聲對(duì)目標(biāo)狀態(tài)估計(jì)的影響。
　　 (2)無人機(jī)目標(biāo)跟蹤飛行控制。設(shè)計(jì)了一個(gè)具有雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)的無人機(jī)地面目標(biāo)跟蹤飛行控制系統(tǒng)。其中,外環(huán)為目標(biāo)跟蹤控制器,其任務(wù)是根據(jù)無人

5、機(jī)和動(dòng)態(tài)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)計(jì)算出期望位姿和速度。內(nèi)環(huán)為無人機(jī)飛行控制器,其任務(wù)
　　 (3)機(jī)載云臺(tái)攝像機(jī)跟蹤控制。針對(duì)小型無人機(jī)地面目標(biāo)跟蹤系統(tǒng),提出了一種機(jī)載云臺(tái)的自適應(yīng)跟蹤控制算法,該算法在缺乏深度信息傳感器和攝像機(jī)外參數(shù)未知的情況下,實(shí)現(xiàn)了對(duì)云臺(tái)攝像機(jī)姿態(tài)的控制,使得動(dòng)態(tài)目標(biāo)可以始終保持在圖像中心。通過李雅普諾夫理論證明了閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。此外,針對(duì)短暫的目標(biāo)丟失情況,設(shè)計(jì)了一種云臺(tái)跟蹤控制策略,該控制策略不僅可以使動(dòng)態(tài)目標(biāo)