隨著傳感器微型化技術的發(fā)展以及計算芯片算力的持續(xù)增長,智能化的移動機器人系統(tǒng)應用越來越廣泛,尤其是小型四旋翼無人機系統(tǒng)已全面滲透進入消費級、航拍、農林植保、電力巡檢甚至軍事偵察等領域。而檢測并長期持續(xù)跟蹤感興趣目標的能力對四旋翼無人機系統(tǒng)來說有著重要的意義。本文主要聚焦于設計并實現(xiàn)一套完整實用的基于視覺的四旋翼無人機目標跟蹤系統(tǒng),針對實際工程需求完成對先進視覺追蹤算法的改進,設計實現(xiàn)了對跟蹤目標的狀態(tài)估計及跟蹤控制,最終完成了包括上位機、無人機等完整軟硬件的無人機目標跟蹤系統(tǒng)。通過仿真及實際飛行試驗驗證了系統(tǒng)的可靠性與實用性。本文主要的工作及貢獻如下。1)針對實際需求,完成了對機載計算機、傳感器、動力組件等的選型,設計搭建了四旋翼無人機平臺;詳細設計了無人機目標跟蹤系統(tǒng)的總體軟件設計方案。2)進行了無人機目標跟蹤系統(tǒng)相關的建模,包括無人機運動學模型、視覺成像模型,導航制導所涉及的相關坐標系定義,并進行了Kaliber標定實驗獲取各坐標系間的轉換關系,最后在gazebo仿真環(huán)境下完成視覺目標追蹤仿真實驗所需的模型建模工作。3)研究對比了當前較為先進的幾種視覺追蹤算法,并基于TPAMI2017上發(fā)表的相關濾波類短期視覺跟蹤算法FDSST進行改進,添加外觀濾波器及SVM分類器等長期跟蹤策略,結合工程實際進行性能優(yōu)化,得到了一個具備較好的長期跟蹤能力且實時性強的長期跟蹤算法。4)針對雙目圖像經(jīng)校準后前向行對齊的特性,改進傳統(tǒng)的L-K光流法用于雙目視差的計算,并進一步根據(jù)成像模型得到跟蹤目標與無人機之間的相對距離原始測量值,而后使用卡爾曼濾波對跟蹤目標的全局位置和速度等狀態(tài)信息進行估計,最后設計了PID控制器實現(xiàn)無人機對目標的穩(wěn)定跟隨。5)針對提出的視覺跟蹤算法,本文分別在OTB數(shù)據(jù)集及無人機實拍視頻序列上與主流跟蹤算法進行了對比評估測試,驗證了本文算法的優(yōu)勢,尤其是在長期跟蹤能力、尺度變化魯棒性、低分辨率目標以及算法實時性上有著顯著提高。在仿真及實際飛行實驗中驗證了目標狀態(tài)估計算法的有效性以及整套無人機目標跟蹤系統(tǒng)的可靠性。
【學位單位】：電子科技大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：V279
【部分圖文】：

圖 1-1 軍事偵察無人機跟蹤可疑地面目標（圖左）與航拍攝影時跟蹤拍攝主體（圖右）筆者所在的團隊長期從事飛行器導航與控制 多傳感器融合及運動控制等方面的研究及應用，已在四旋翼無人機飛行控制和行業(yè)應用方面有突出成果 在自研飛控已驗證基本成熟的基礎上，團隊利用四旋翼平臺搭載攝像機及激光雷達等傳感器，在室內室外環(huán)境下均開展了相關研究工作 已經(jīng)完成了多款平臺的研制，如圖 1-2 所示，包括：基于雙目攝像頭的室外環(huán)境自主避障四旋翼；基于單目攝像頭的 LED 燈追蹤四旋翼；基于激光雷達的室內未知環(huán)境自主探測導航四旋翼；基于三維激光雷達與可見光融合技術的室內環(huán)境自主導航四旋翼；基于 Leader-follower 的分布式編隊控制系統(tǒng)等 其中，利用基于激光雷達的室內未知環(huán)境自主探測導航四旋翼這一平臺與國家電網(wǎng)重慶電科院合作衍生的 隧道自主巡視四旋翼系統(tǒng) 在由航天科技集團公司科學技術委員會主辦，航天科技集團公司一院十二所和宇航智能控制技術國家級重點實驗室承辦的首屆BAACI杯航天人工智能創(chuàng)新創(chuàng)意大賽中榮獲三等獎 筆者所在團隊豐富的四旋翼無人機相關系統(tǒng)研發(fā)經(jīng)驗為基于視覺的四旋翼無人機目標追蹤系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)提供了強有力的保障

圖 1-1 軍事偵察無人機跟蹤可疑地面目標（圖左）與航拍攝影時跟蹤拍攝主體（圖右）筆者所在的團隊長期從事飛行器導航與控制 多傳感器融合及運動控制等方面的研究及應用，已在四旋翼無人機飛行控制和行業(yè)應用方面有突出成果 在自研飛控已驗證基本成熟的基礎上，團隊利用四旋翼平臺搭載攝像機及激光雷達等傳感器，在室內室外環(huán)境下均開展了相關研究工作 已經(jīng)完成了多款平臺的研制，如圖 1-2 所示，包括：基于雙目攝像頭的室外環(huán)境自主避障四旋翼；基于單目攝像頭的 LED 燈追蹤四旋翼；基于激光雷達的室內未知環(huán)境自主探測導航四旋翼；基于三維激光雷達與可見光融合技術的室內環(huán)境自主導航四旋翼；基于 Leader-follower 的分布式編隊控制系統(tǒng)等 其中，利用基于激光雷達的室內未知環(huán)境自主探測導航四旋翼這一平臺與國家電網(wǎng)重慶電科院合作衍生的 隧道自主巡視四旋翼系統(tǒng) 在由航天科技集團公司科學技術委員會主辦，航天科技集團公司一院十二所和宇航智能控制技術國家級重點實驗室承辦的首屆BAACI杯航天人工智能創(chuàng)新創(chuàng)意大賽中榮獲三等獎 筆者所在團隊豐富的四旋翼無人機相關系統(tǒng)研發(fā)經(jīng)驗為基于視覺的四旋翼無人機目標追蹤系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)提供了強有力的保障

1.2.1 四旋翼無人機技術研究現(xiàn)狀人們對于四旋翼這種構型的飛行器的研究實際上非常早，有文字和圖片記錄的最早的四旋翼飛行器（圖 1-3 左）由法國 Breguet 兄弟于 1907 年在 C.Richet 教授的指導下制造成功，僅比萊特兄弟發(fā)明固定翼飛行器晚了 5 年，但該飛機沒有設計控制裝置，飛行極其不穩(wěn)定，在第一次試飛中僅離地約 0.6 米并保持 1 分鐘，被認為是人類第一次實現(xiàn)載人旋翼飛行器的飛行[4] 隨后在 1920 年，étienneOehmichen 設計的四旋翼飛行器（圖 1-3 中）成功飛行了 14 分鐘，創(chuàng)造了當時直升機領域的世界紀錄[4] 1956年，M.K.Adman制造了一架具有四個19英寸螺旋槳，由兩個 90 馬力發(fā)動機作為旋翼動力來源的四旋翼飛行器 Convertawing（s圖 1-3 右），其外形與飛行控制方法都非常接近現(xiàn)代四旋翼無人機[4] 然而，與固定翼或直升機不同，四旋翼飛行器是一種不穩(wěn)定欠驅動系統(tǒng)，它的槳葉只能產(chǎn)生相對機身向上的升力，所以由人工來進行控制很難控制好，最好要有自動控制器來進行姿態(tài)控制才能穩(wěn)定飛行 受限于當時的微控制器和傳感器水平，這一構型的飛行器的研究趨于停滯并淡出人們的視野
【參考文獻】

相關期刊論文 前2條

1 王俊生;馬宏緒;蔡文瀾;稅海濤;聶博文;;基于ADRC的小型四旋翼無人直升機控制方法研究[J];彈箭與制導學報;2008年03期

2 聶博文;馬宏緒;王劍;王建文;;微小型四旋翼飛行器的研究現(xiàn)狀與關鍵技術[J];電光與控制;2007年06期

相關博士學位論文 前1條

1 胡宇群;微型飛行器中的若干動力學問題研究[D];南京航空航天大學;2002年

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1 褚天鵬;基于改進KCF算法的四旋翼無人機視覺跟蹤系統(tǒng)設計[D];哈爾濱工業(yè)大學;2018年

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3 汪鴻翔;基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡的在線目標跟蹤算法[D];華僑大學;2018年

4 趙昶;基于多旋翼無人機的目標跟蹤技術研究[D];南京航空航天大學;2018年

5 姚杰;基于雙目視覺的無人機目標追蹤系統(tǒng)研究[D];浙江大學;2018年

6 肖喬;基于計算機視覺的無人機目標跟蹤技術[D];哈爾濱工業(yè)大學;2017年

7 孫一力;多旋翼無人直升機目標跟蹤控制技術研究[D];南京航空航天大學;2016年

8 葉長春;IARC第7代任務中定位與目標跟蹤方法研究[D];浙江大學;2016年

9 譚廣超;四旋翼飛行器姿態(tài)控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[D];大連理工大學;2013年

10 江斌;小型四旋翼低空無人飛行器綜合設計[D];浙江大學;2013年

本文編號：2881796