近年來,隨著科學技術的不斷進步和社會需求持續(xù)增長,小型多旋翼無人機產(chǎn)業(yè)得以蓬勃發(fā)展。在與無人機相關的諸多課題中,目標跟蹤作為諸多無人機應用中的一項子任務,一直受到國內(nèi)外學者們的廣泛關注。在執(zhí)行任務過程中,通常利用無人機搭載的云臺相機采集環(huán)境畫面,從中識別出被跟蹤目標,進而開展跟蹤。然在在面對非合作目標時,目標可能從相機視野中暫時丟失,跟蹤任務也往往因此而失敗。為解決這一問題,本文利用多臺無人機以協(xié)同執(zhí)行任務的方式來降低目標丟失概率,保障任務的正常進行,具體研究內(nèi)容包含以下幾個方面:1)首先,根據(jù)任務要求設計系統(tǒng)功能架構,將整體任務分為單無人機地面移動目標定位、多無人機目標狀態(tài)融合估計和多無人機協(xié)同控制三個子任務。然后,為了便于課題研究和系統(tǒng)驗證,基于經(jīng)緯M100無人機搭建了軟硬件實驗平臺。2)采用基于視覺的方法,利用單臺無人機對地面移動目標進行初步定位。首先,考慮到系統(tǒng)的實時性和可實現(xiàn)性,采用TLD算法作為視覺目標跟蹤算法,并加入了機間目標特征信息共享策略以實現(xiàn)跟蹤任務自動初始化功能。然后根據(jù)目標像素坐標,結(jié)合無人機狀態(tài)數(shù)據(jù)進行坐標解算,得到目標定位坐標。最后采集實際戶外數(shù)據(jù)進行實驗,... 

【文章來源】：吉林大學吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：75 頁

【學位級別】：碩士

【部分圖文】：

消費級無人機“精靈4”

吉林大學碩士學位論文2在無人機的行業(yè)應用領域中，許多任務的實現(xiàn)都以目標跟蹤為基矗例如，在警用領域，當發(fā)生暴力突發(fā)事件時，需要對逃跑犯罪人員展開跟蹤、包圍和逮捕。此時可以利用無人機對犯罪人員展開跟蹤，甚至攜帶輕型武器協(xié)助公安機關完成抓捕任務[1]。多旋翼無人機上搭載了相應的傳感器系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、自主飛行控制系統(tǒng)等，擁有一定的計算資源，使其自主完成目標跟蹤任務成為了可能。圖1.2行業(yè)應用無人機利用多旋翼無人機跟蹤地面移動目標需要解決兩方面問題。一是利用機載傳感器對目標進行定位；二是控制無人機對目標展開跟蹤，使傳感器可以持續(xù)觀測到目標。目前，利用無人機定位地面非合作移動目標的有效途徑是采用基于視覺的方法，該方法對各種類型的目標具有普遍性。無人機需要搭載云臺相機采集環(huán)境畫面，然后通過人工選定的方法識別待跟蹤目標，再對圖像序列中的目標進行跟蹤，得到目標在圖像中的位置，進而通過坐標轉(zhuǎn)換得到目標在三維空間中的位置。由于無人機與目標始終處于相對運動狀態(tài)，即便云臺相機可以調(diào)整其姿態(tài)角度來指向目標，單臺無人機仍有可能對目標失去定位。造成這種現(xiàn)象的原因有多種，如目標發(fā)生遮擋、目標與無人機相對運動過大、目標成像角度變化導致視覺算法失效等。在目標丟失的這段時間內(nèi)，極有可能因為目標與無人機的相對運動造成永久性的跟蹤失敗，解決辦法之一是采用多無人機集群對目標展開協(xié)同跟蹤。多無人機協(xié)同跟蹤地面移動目標具有以下幾點優(yōu)勢：一是傳感器綜合覆蓋面

第2章多無人機協(xié)同跟蹤系統(tǒng)結(jié)構設計13X3機載云臺相機用于采集圖像信息，其具備三自由度云臺，可以通過控制云臺運動實現(xiàn)對目標的主動跟蹤。Manifold（妙算）是一款微型計算機，搭載了Ubuntu操作系統(tǒng)，支持CUDA、OpenCV及ROS等，Linux環(huán)境方便進行軟件開發(fā)測試。其體積孝重量輕，具有與云臺相機和無人機通信的接口，能執(zhí)行較為復雜的計算任務，實現(xiàn)本文設計的系統(tǒng)。圖2.2硬件實驗平臺圖2.3經(jīng)緯M100四旋翼無人機圖2.4禪思X3一體化云臺相機圖2.5Manifold機載計算機2.軟件平臺搭建軟件平臺主要有機器人操作系統(tǒng)（RobotOperatingSystem,ROS）、DJIOnboardSDK、DJIAssistant2仿真器、OpenCV開源計算機視覺庫以及Matlab/Simulink等。ROS主要運行在Linux環(huán)境下，利用ROS可以將系統(tǒng)的各子模塊封裝成各個獨立的節(jié)點，各節(jié)點只負責數(shù)據(jù)的讀娶處理和發(fā)送，節(jié)點間的數(shù)據(jù)交換由ROS來完成，這樣降低了系統(tǒng)中各模塊間的耦合性和程序錯誤的發(fā)生概率。本文將跟蹤系統(tǒng)的一些具體功能以C++和Python語言實現(xiàn)后，將其移植到ROS中編譯為若干個獨立的節(jié)點，負責具體任務的運行。因此各子模塊之間的銜接工作得以簡化為ROS節(jié)點之前的話題訂閱與發(fā)布關系，大大簡化了系統(tǒng)的實現(xiàn)難度。DJIOnboardSDK是大疆公司提供的開源軟件庫，使開發(fā)者能夠通過串口與飛行器飛控通信。OnboardSDK為開發(fā)者提供了一種通過安裝機載計算設備來控制飛行器的途徑，允許開發(fā)者實現(xiàn)飛行器狀態(tài)測量、飛行控制和一些其他的功能。

【參考文獻】：
期刊論文
[1]基于分布式協(xié)同控制的警用無人機群目標追蹤控制[J]. 馬昱音,王永興.  科學技術與工程. 2019(36)
[2]面向自由飛行目標捕獲的四旋翼最優(yōu)軌跡規(guī)劃[J]. 張廣玉,何玉慶,代波,谷豐,楊麗英,韓建達,劉光軍.  信息與控制. 2019(04)
[3]視覺目標跟蹤方法研究綜述[J]. 葛寶義,左憲章,胡永江.  中國圖象圖形學報. 2018(08)
[4]跟蹤-學習-檢測框架下改進加速梯度的目標跟蹤[J]. 楊欣,夏斯軍,劉冬雪,費樹岷,胡銀記.  吉林大學學報(工學版). 2018(02)
[5]目標跟蹤算法綜述[J]. 盧湖川,李佩霞,王棟.  模式識別與人工智能. 2018(01)
[6]Particle filter for nonlinear systems with multi-sensor asynchronous random delays[J]. Junyi Zuo,Xiaoping Zhong.  Journal of Systems Engineering and Electronics. 2017(06)
[7]基于通信與觀測聯(lián)合優(yōu)化的多無人機協(xié)同目標跟蹤控制[J]. 劉重,高曉光,符小衛(wèi).  控制與決策. 2018(10)
[8]基于視覺的目標檢測與跟蹤綜述[J]. 尹宏鵬,陳波,柴毅,劉兆棟.  自動化學報. 2016(10)
[9]復雜環(huán)境下多無人機協(xié)作式地面移動目標跟蹤[J]. 王林,彭輝,朱華勇,沈林成.  控制理論與應用. 2011(03)

博士論文
[1]多無人機協(xié)同航跡規(guī)劃及其控制方法研究[D]. 張思宇.北京理工大學 2016
[2]共軸八旋翼無人飛行器姿態(tài)與航跡跟蹤控制研究[D]. 彭程.吉林大學 2015
[3]多攝像機監(jiān)控網(wǎng)絡中的目標連續(xù)跟蹤方法研究[D]. 董文會.山東大學 2015
[4]多攝像機接力目標跟蹤關鍵算法研究[D]. 孫曉燕.山東大學 2014
[5]多無人機協(xié)同目標跟蹤問題建模與優(yōu)化技術研究[D]. 王林.國防科學技術大學 2011

碩士論文
[1]基于多Agent的多攝像頭目標軌跡追蹤[D]. 曹凱悅.北京交通大學 2018
[2]基于視覺引導的多旋翼無人機地面動目標跟蹤技術研究[D]. 談青艷.南京航空航天大學 2017
[3]多無人機被動目標定位與跟蹤技術研究[D]. 高擎峰.南京理工大學 2017
[4]無人機圖像目標跟蹤與定位[D]. 袁峻.南京理工大學 2017
[5]四旋翼無人機編隊飛行的控制策略研究[D]. 劉書林.哈爾濱工業(yè)大學 2016
[6]復雜環(huán)境下多無人機協(xié)同地面目標跟蹤問題研究[D]. 陳智民.北京理工大學 2015



本文編號：3440921