【摘要】：四旋翼無人機(jī)由于其靈活機(jī)動、定點懸停等優(yōu)點,迅速引起軍事和民用領(lǐng)域的極大關(guān)注。目前四旋翼無人機(jī)正被開發(fā)用于執(zhí)行目標(biāo)偵察、精準(zhǔn)打擊、基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測等多種重要任務(wù)。這些任務(wù)的自主執(zhí)行過程中,目標(biāo)跟蹤是其必不可少的環(huán)節(jié)。在四旋翼目標(biāo)跟蹤設(shè)計中,往往采用攝像頭對目標(biāo)信息進(jìn)行采集。本文旨在研究僅使用攝像頭和慣導(dǎo)系統(tǒng)情況下,實現(xiàn)基于單目視覺的四旋翼對地目標(biāo)實時跟蹤。為避免攝像頭標(biāo)定誤差影響及目標(biāo)結(jié)構(gòu)識別困難,提高算法實用性,本文在基于圖像的視覺伺服(image based visual servo,IBVS)框架下設(shè)計四旋翼對地目標(biāo)跟蹤算法。針對伺服控制中圖像圖像特征奇異影響,首先提取了目標(biāo)圖像的透視投影圖像矩作為圖像特征。并引入了虛擬攝像頭策略,隔離不可控的滾轉(zhuǎn)和俯仰運動影響,保證四旋翼無人機(jī)三維運動的穩(wěn)定性。通過分析所選圖像特征運動及四旋翼無人機(jī)運動,建立了多源干擾環(huán)境下的圖像-四旋翼一體化運動/動力學(xué)模型。使用構(gòu)建的模型,考慮四旋翼無人機(jī)對地目標(biāo)伺服跟蹤過程中受到的多源干擾影響及劇烈姿態(tài)運動造成的目標(biāo)丟失問題,設(shè)計姿態(tài)約束的保性能高抗擾視覺伺服控制策略,實現(xiàn)跟蹤過程中四旋翼無人機(jī)的穩(wěn)定運行,保證目標(biāo)處于攝像頭視場范圍內(nèi)。針對目標(biāo)運動過程中的高動態(tài)和多源干擾影響,在圖像-四旋翼模型伺服回路(外環(huán))及姿態(tài)回路(內(nèi)環(huán))分別設(shè)計基于魯棒符號誤差積分(robust integral of the sign of the error,RISE)控制的高抗擾視覺伺服控制,提高系統(tǒng)抗干擾能力,保證四旋翼無人機(jī)穩(wěn)定運動。每個回路包括一個模型前饋控制項用來補(bǔ)償系統(tǒng)模型非線性,一個線性反饋控制律,實現(xiàn)系統(tǒng)鎮(zhèn)定,及一個魯棒非線性積分項,用來抑制多源干擾。此外,考慮線速度測量困難,基于期望補(bǔ)償技術(shù)構(gòu)建了無線速度量測情況下的四旋翼視覺伺服控制。當(dāng)目標(biāo)進(jìn)入靜止階段,要求四旋翼無人機(jī)精確伺服到目標(biāo)上方,以執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)。在該階段,考慮劇烈姿態(tài)運動造成的目標(biāo)丟失問題,設(shè)計結(jié)合飽和命令濾波器和積分障礙李雅普諾夫函數(shù)(integral barrier Lyapunov function,iBLF)的四旋翼無人機(jī)姿態(tài)指令和響應(yīng)受限控制律,同時保證四旋翼滾轉(zhuǎn)和俯仰角始終保持在預(yù)設(shè)的狀態(tài)空間內(nèi),實現(xiàn)嚴(yán)格的姿態(tài)限制。
【圖文】：

于執(zhí)行重要設(shè)施監(jiān)測[3]、空中運輸[4,5]、目標(biāo)搜索[6]和定位等任務(wù)[7]。尤其是在，正成為執(zhí)行區(qū)域偵察與目標(biāo)搜索等任務(wù)的重要平臺。例如：洛克希德-馬丁2017 年推出的四旋翼無人機(jī) Indago 3[8]， 改進(jìn)了推進(jìn)技術(shù)，減少了噪音信號，飛行時間，采用軍用級加密和安全數(shù)據(jù)鏈路，跨多節(jié)點網(wǎng)絡(luò)的安全視頻傳播和無線電距離操作，使軍方能夠安全地完成敏感情報、監(jiān)視和偵察任務(wù)。在以上任務(wù)的執(zhí)行過程中，地面目標(biāo)跟蹤是一個至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，是執(zhí)行復(fù)雜和定位任務(wù)的基礎(chǔ)，因此受到國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)的廣泛關(guān)注[9,10]。傳統(tǒng)的無人機(jī)跟蹤技術(shù)往往需要大型機(jī)載光電探測系統(tǒng)輔助，對目標(biāo)信息進(jìn)行搜集和處理。例國通用原子公司研發(fā)的新一代無人作戰(zhàn)飛機(jī)“復(fù)仇者”ER，搭載了先進(jìn)的光電，能夠捕獲紅外圖像和可見光圖像，實現(xiàn)長時間、大范圍對目標(biāo)監(jiān)視和跟蹤[11]對于四旋翼無人機(jī)而言，其載重和續(xù)航能力受限，在掛載大型光電探測系統(tǒng)情況靈活高效地執(zhí)行對地目標(biāo)跟蹤任務(wù)。因此，研究一種僅依賴于單目攝像頭的地服跟蹤技術(shù)成為了近年來的研究熱點。

于執(zhí)行重要設(shè)施監(jiān)測[3]、空中運輸[4,5]、目標(biāo)搜索[6]和定位等任務(wù)[7]。尤其是在，正成為執(zhí)行區(qū)域偵察與目標(biāo)搜索等任務(wù)的重要平臺。例如：洛克希德-馬丁2017 年推出的四旋翼無人機(jī) Indago 3[8]， 改進(jìn)了推進(jìn)技術(shù)，減少了噪音信號，飛行時間，采用軍用級加密和安全數(shù)據(jù)鏈路，跨多節(jié)點網(wǎng)絡(luò)的安全視頻傳播和無線電距離操作，使軍方能夠安全地完成敏感情報、監(jiān)視和偵察任務(wù)。在以上任務(wù)的執(zhí)行過程中，地面目標(biāo)跟蹤是一個至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，是執(zhí)行復(fù)雜和定位任務(wù)的基礎(chǔ)，因此受到國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)的廣泛關(guān)注[9,10]。傳統(tǒng)的無人機(jī)跟蹤技術(shù)往往需要大型機(jī)載光電探測系統(tǒng)輔助，對目標(biāo)信息進(jìn)行搜集和處理。例國通用原子公司研發(fā)的新一代無人作戰(zhàn)飛機(jī)“復(fù)仇者”ER，搭載了先進(jìn)的光電，能夠捕獲紅外圖像和可見光圖像，實現(xiàn)長時間、大范圍對目標(biāo)監(jiān)視和跟蹤[11]對于四旋翼無人機(jī)而言，其載重和續(xù)航能力受限，在掛載大型光電探測系統(tǒng)情況靈活高效地執(zhí)行對地目標(biāo)跟蹤任務(wù)。因此，，研究一種僅依賴于單目攝像頭的地服跟蹤技術(shù)成為了近年來的研究熱點。
【學(xué)位授予單位】：中北大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：V279;V249.1

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8 徐進(jìn);直升機(jī)大機(jī)動飛行中旋翼非定�？諝鈩恿ρ芯縖D];南京航空航天大學(xué);2007年

9 鄧寅U

本文編號：2603273