發(fā)布時(shí)間：2020-11-13 05:26

　　 隨著傳感器微型化技術(shù)的發(fā)展以及計(jì)算芯片算力的持續(xù)增長,智能化的移動機(jī)器人系統(tǒng)應(yīng)用越來越廣泛,尤其是小型四旋翼無人機(jī)系統(tǒng)已全面滲透進(jìn)入消費(fèi)級、航拍、農(nóng)林植保、電力巡檢甚至軍事偵察等領(lǐng)域。而檢測并長期持續(xù)跟蹤感興趣目標(biāo)的能力對四旋翼無人機(jī)系統(tǒng)來說有著重要的意義。本文主要聚焦于設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一套完整實(shí)用的基于視覺的四旋翼無人機(jī)目標(biāo)跟蹤系統(tǒng),針對實(shí)際工程需求完成對先進(jìn)視覺追蹤算法的改進(jìn),設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了對跟蹤目標(biāo)的狀態(tài)估計(jì)及跟蹤控制,最終完成了包括上位機(jī)、無人機(jī)等完整軟硬件的無人機(jī)目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)。通過仿真及實(shí)際飛行試驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)的可靠性與實(shí)用性。本文主要的工作及貢獻(xiàn)如下。1)針對實(shí)際需求,完成了對機(jī)載計(jì)算機(jī)、傳感器、動力組件等的選型,設(shè)計(jì)搭建了四旋翼無人機(jī)平臺;詳細(xì)設(shè)計(jì)了無人機(jī)目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)的總體軟件設(shè)計(jì)方案。2)進(jìn)行了無人機(jī)目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)相關(guān)的建模,包括無人機(jī)運(yùn)動學(xué)模型、視覺成像模型,導(dǎo)航制導(dǎo)所涉及的相關(guān)坐標(biāo)系定義,并進(jìn)行了Kaliber標(biāo)定實(shí)驗(yàn)獲取各坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換關(guān)系,最后在gazebo仿真環(huán)境下完成視覺目標(biāo)追蹤仿真實(shí)驗(yàn)所需的模型建模工作。3)研究對比了當(dāng)前較為先進(jìn)的幾種視覺追蹤算法,并基于TPAMI2017上發(fā)表的相關(guān)濾波類短期視覺跟蹤算法FDSST進(jìn)行改進(jìn),添加外觀濾波器及SVM分類器等長期跟蹤策略,結(jié)合工程實(shí)際進(jìn)行性能優(yōu)化,得到了一個(gè)具備較好的長期跟蹤能力且實(shí)時(shí)性強(qiáng)的長期跟蹤算法。4)針對雙目圖像經(jīng)校準(zhǔn)后前向行對齊的特性,改進(jìn)傳統(tǒng)的L-K光流法用于雙目視差的計(jì)算,并進(jìn)一步根據(jù)成像模型得到跟蹤目標(biāo)與無人機(jī)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(biāo)的全局位置和速度等狀態(tài)信息進(jìn)行估計(jì),最后設(shè)計(jì)了PID控制器實(shí)現(xiàn)無人機(jī)對目標(biāo)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(jī)實(shí)拍視頻序列上與主流跟蹤算法進(jìn)行了對比評估測試,驗(yàn)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(biāo)以及算法實(shí)時(shí)性上有著顯著提高。在仿真及實(shí)際飛行實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證了目標(biāo)狀態(tài)估計(jì)算法的有效性以及整套無人機(jī)目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)的可靠性。
【學(xué)位單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：V279
【部分圖文】：

圖 1-1 軍事偵察無人機(jī)跟蹤可疑地面目標(biāo)（圖左）與航拍攝影時(shí)跟蹤拍攝主體（圖右）筆者所在的團(tuán)隊(duì)長期從事飛行器導(dǎo)航與控制 多傳感器融合及運(yùn)動控制等方面的研究及應(yīng)用，已在四旋翼無人機(jī)飛行控制和行業(yè)應(yīng)用方面有突出成果 在自研飛控已驗(yàn)證基本成熟的基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)利用四旋翼平臺搭載攝像機(jī)及激光雷達(dá)等傳感器，在室內(nèi)室外環(huán)境下均開展了相關(guān)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(dá)的室內(nèi)未知環(huán)境自主探測導(dǎo)航四旋翼；基于三維激光雷達(dá)與可見光融合技術(shù)的室內(nèi)環(huán)境自主導(dǎo)航四旋翼；基于 Leader-follower 的分布式編隊(duì)控制系統(tǒng)等 其中，利用基于激光雷達(dá)的室內(nèi)未知環(huán)境自主探測導(dǎo)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(tuán)公司科學(xué)技術(shù)委員會主辦，航天科技集團(tuán)公司一院十二所和宇航智能控制技術(shù)國家級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(tuán)隊(duì)豐富的四旋翼無人機(jī)相關(guān)系統(tǒng)研發(fā)經(jīng)驗(yàn)為基于視覺的四旋翼無人機(jī)目標(biāo)追蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)提供了強(qiáng)有力的保障

圖 1-1 軍事偵察無人機(jī)跟蹤可疑地面目標(biāo)（圖左）與航拍攝影時(shí)跟蹤拍攝主體（圖右）筆者所在的團(tuán)隊(duì)長期從事飛行器導(dǎo)航與控制 多傳感器融合及運(yùn)動控制等方面的研究及應(yīng)用，已在四旋翼無人機(jī)飛行控制和行業(yè)應(yīng)用方面有突出成果 在自研飛控已驗(yàn)證基本成熟的基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)利用四旋翼平臺搭載攝像機(jī)及激光雷達(dá)等傳感器，在室內(nèi)室外環(huán)境下均開展了相關(guān)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(dá)的室內(nèi)未知環(huán)境自主探測導(dǎo)航四旋翼；基于三維激光雷達(dá)與可見光融合技術(shù)的室內(nèi)環(huán)境自主導(dǎo)航四旋翼；基于 Leader-follower 的分布式編隊(duì)控制系統(tǒng)等 其中，利用基于激光雷達(dá)的室內(nèi)未知環(huán)境自主探測導(dǎo)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(tuán)公司科學(xué)技術(shù)委員會主辦，航天科技集團(tuán)公司一院十二所和宇航智能控制技術(shù)國家級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(tuán)隊(duì)豐富的四旋翼無人機(jī)相關(guān)系統(tǒng)研發(fā)經(jīng)驗(yàn)為基于視覺的四旋翼無人機(jī)目標(biāo)追蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)提供了強(qiáng)有力的保障

1.2.1 四旋翼無人機(jī)技術(shù)研究現(xiàn)狀人們對于四旋翼這種構(gòu)型的飛行器的研究實(shí)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(dǎo)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(jī)沒有設(shè)計(jì)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(rèn)為是人類第一次實(shí)現(xiàn)載人旋翼飛行器的飛行[4] 隨后在 1920 年，étienneOehmichen 設(shè)計(jì)的四旋翼飛行器（圖 1-3 中）成功飛行了 14 分鐘，創(chuàng)造了當(dāng)時(shí)直升機(jī)領(lǐng)域的世界紀(jì)錄[4] 1956年，M.K.Adman制造了一架具有四個(gè)19英寸螺旋槳，由兩個(gè) 90 馬力發(fā)動機(jī)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(jī)[4] 然而，與固定翼或直升機(jī)不同，四旋翼飛行器是一種不穩(wěn)定欠驅(qū)動系統(tǒng)，它的槳葉只能產(chǎn)生相對機(jī)身向上的升力，所以由人工來進(jìn)行控制很難控制好，最好要有自動控制器來進(jìn)行姿態(tài)控制才能穩(wěn)定飛行 受限于當(dāng)時(shí)的微控制器和傳感器水平，這一構(gòu)型的飛行器的研究趨于停滯并淡出人們的視野
【參考文獻(xiàn)】

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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(jī)控制方法研究[J];彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào);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(guān)鍵技術(shù)[J];電光與控制;2007年06期

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

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1 褚天鵬;基于改進(jìn)KCF算法的四旋翼無人機(jī)視覺跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2018年

2 徐寬;融合IMU信息的雙目視覺SLAM研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2018年

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

4 趙昶;基于多旋翼無人機(jī)的目標(biāo)跟蹤技術(shù)研究[D];南京航空航天大學(xué);2018年

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

6 肖喬;基于計(jì)算機(jī)視覺的無人機(jī)目標(biāo)跟蹤技術(shù)[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2017年

7 孫一力;多旋翼無人直升機(jī)目標(biāo)跟蹤控制技術(shù)研究[D];南京航空航天大學(xué);2016年

8 葉長春;IARC第7代任務(wù)中定位與目標(biāo)跟蹤方法研究[D];浙江大學(xué);2016年

9 譚廣超;四旋翼飛行器姿態(tài)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D];大連理工大學(xué);2013年

10 江斌;小型四旋翼低空無人飛行器綜合設(shè)計(jì)[D];浙江大學(xué);2013年

本文編號：2881796