旋翼无人机跟踪地面移动目标的视觉控制

发布时间：2017-06-06 07:18

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【摘要】：旋翼无人机在垂直起降、低速稳定飞行、机动性等方面有着固定翼无人机所不能比拟的优势，因此装备有视觉传感器的旋翼无人机能够广泛的应用于军事侦察、实时监控、灾区救援与地质勘探等领域，基于视觉的无人机目标跟踪技术的研究也得到了各国研究人员的关注，成为无人机领域的研究热点之一。 本文以装备有云台和相机的小型无人直升机为工作平台，对无人直升机地面目标的视觉跟踪问题进行了研究。无人机对地面目标的视觉跟踪问题，主要是指装有相机的云台指向镇定和无人机对目标的跟踪两个部分。在无人直升机飞行控制系统和云台控制系统的能够控制无人直升机位姿和云台转向的前提下，分别对云台和无人机目标跟踪问题进行了数学描述，得到了目标跟踪控制器的设计指标，并通过卡尔曼滤波器估计出了目标的运动状态。最后分别对云台和无人机进行了目标跟踪控制器设计。具体实现如下： 首先，论文对无人直升机地面移动目标跟踪问题进行了数学描述。通过对无人机与目标的相对运动关系进行分析，得到了无人机与目标之间的相对运动学非线性模型，并进一步得出了无人机目标跟踪的动态误差。接着通过对云台跟踪回路进行分析，推导出了云台控制回路的数学模型，并给出了云台跟踪控制器的设计指标。 然后，论文采用视觉测量与卡尔曼滤波对所跟踪的目标进行了状态估计。本文采用了一种基于静态特征点位置的方法求取运动目标的三维位置信息，并建立了目标的状态方程与观测方程，设计卡尔曼滤波器对地面运动目标进行状态估计，通过蒙特卡罗实验验证了滤波器的滤波效果。 最后，，论文分别对云台与无人直升机设计了目标跟踪控制器。通过对云台模型的分析，使用PID控制规律设计云台的目标跟踪控制器，控制云台的转角，保持相机光轴实时指向地面目标。接着采用李雅普诺夫第二方法，对无人机设计非线性控制器，控制其飞行轨迹，使无人直升机与地面目标保持一定的距离。最后，通过仿真验证了目标跟踪控制器的可行性。
【关键词】：旋翼无人机 目标跟踪 状态估计 视觉制导
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：V279;V249
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-8
• 第1章 绪论8-15
• 1.1 课题研究背景和意义8-9
• 1.2 课题研究现状分析9-14
• 1.2.1 小型无人直升机研究现状9-11
• 1.2.2 无人机地面目标跟踪研究现状11-13
• 1.2.3 状态估计研究现状13-14
• 1.3 本文主要研究内容14-15
• 第2章 无人机地面目标跟踪问题描述15-26
• 2.1 引言15
• 2.2 坐标系定义15-17
• 2.3 跟踪问题描述17-25
• 2.3.1 运动学模型18-20
• 2.3.2 无人机跟踪回路问题描述20-23
• 2.3.3 云台跟踪回路问题描述23-25
• 2.4 本章小结25-26
• 第3章 目标运动状态估计26-42
• 3.1 引言26
• 3.2 目标状态模型26-34
• 3.2.1 状态方程26-27
• 3.2.2 观测方程27-34
• 3.3 目标状态估计34-41
• 3.3.1 卡尔曼滤波器34-37
• 3.3.2 仿真分析37-41
• 3.4 本章小结41-42
• 第4章 跟踪控制器设计与仿真分析42-57
• 4.1 引言42
• 4.2 目标跟踪控制器设计42-56
• 4.2.1 云台跟踪控制器设计42-45
• 4.2.2 仿真分析45-47
• 4.2.3 无人机跟踪控制器设计47-50
• 4.2.4 仿真分析50-56
• 4.3 本章小结56-57
• 结论57-58
• 参考文献58-63
• 致谢63

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前5条

1 范保杰;朱琳琳;崔书平;李向军;唐延东;;旋翼无人机视觉跟踪系统[J];红外与激光工程;2011年01期

2 吴鹏飞;王大华;郭鑫;;飞艇与无人机协同对海上运动目标定位跟踪研究[J];舰船电子工程;2012年07期

3 侯志强;韩崇昭;;视觉跟踪技术综述[J];自动化学报;2006年04期

4 王先敏;曾庆化;熊智;刘建业;;视觉导航技术的发展及其研究分析[J];信息与控制;2010年05期

5 周启煌,邱晓波,谢志宏;卡尔曼滤波在坦克目标状态估计中的应用[J];装甲兵工程学院学报;1998年02期

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 尹宏鹏;基于计算机视觉的运动目标跟踪算法研究[D];重庆大学;2009年

  本文关键词：旋翼无人机跟踪地面移动目标的视觉控制，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：425701