多旋翼无人机地面移动目标追踪与软着陆研究

发布时间：2020-10-13 20:41

　　随着近两年自动控制领域的发展,无人机系统以其广阔的应用前景受到了人们的越来越多的关注,尤其在近几年来,各种无人机企业如雨后春笋般地出现在大众的视野中,这也进一步推进了无人机的发展。无论是在军用领域还是在民用领域,无人机的智能化以及自主化都是无人机的主要发展方向。本文以多旋翼无人机作为对象,基于电子技术,图像处理技术以及飞行器控制技术,围绕多旋翼无人机地面移动目标追踪以及软着陆问题进行了研究,主要包括如下几个方面:1.本文以四旋翼无人飞行器为研究对象,将大疆公司所生产的M100型四旋翼飞行器作为开发平台。首先针对于无人机地面移动目标追踪的问题,提出了一种多工作模式的解决方案,通过两种工作模式的配合来满足不同工况下的任务需求,并且从硬件和软件两个层面详细地给出了系统的整体框架,然后对于四旋翼无人飞行器进行了建模分析,为后续章节的内容提供了理论基础。2.针对于四旋翼无人飞行器大范围目标跟踪的问题,本文提出了基于电子标签追踪的方案,设计了电子标签的结构。然后进一步研究了在这种工作模式下,M100无人飞行器的控制问题,并且在大疆公司所提供的硬件在环仿真环境以及户外实际环境下分别对本文所提出的方案进行测试,各种实验结果验证了方案的有效性。3.针对于四旋翼无人飞行器视觉跟踪问题,本文基于经典的Cam-shift算法设计了一套视觉跟踪系统,其中包括了目标图像坐标转换以及系统的硬件软件实现等内容。然后,针对于Cam-shift算法的不足,本文进一步研究了基于核相关滤波的目标追踪算法(KCF算法)。实际跟踪实验结果证明了本文设计的无人机视觉跟踪系统的有效性。4.针对于四旋翼无人飞行器软着陆问题,本文首先解决了视觉系统采集的位置信息不准确噪声大的问题,采用了一种基于曲线拟合滤波的方法来对原始数据进行预处理,另一方面,本文研究了基于合作目标的最优着陆轨迹问题,推导了以着陆姿态角度为约束条件的最优控制率。通过MATLAB仿真实验以及实际实验验证了本文所提出的方法的有效性。
【学位单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：V279;V249
【部分图文】：

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1.2 国内外研究现状1.2.1 多旋翼无人机追踪技术的发展现状随着无人机的发展，无人机追踪地面移动目标的技术，因为其在军事领域以及反恐领域又或者民用领域的广泛应用前景，渐渐成为研究领域的一个热点问题。它可能涉及到图像处理，机器视觉，飞行器空气动力学，控制技术，电子技术以及机械结构技术等等多领域的技术，是一项综合性比较强的研究方向[10-12]。1997 年，美国国防先进研究署（DARPA）开始实施视频监视和监控项目[13]，目的是用于城市和战场环境的监视。项目内容主要包括：通过小型无人机搭载摄像机，然后对地面移动目标进行实时跟踪和拍摄；另外，还包括多机协作拍摄任务等等，与此同时，世界上其他国家也开始了这方面的研究。1999 年，法国奥尔良大学电子信号与图像实验室和 CAC 系统公司合作研究基于视觉的目标跟踪系统[14]，并且用 HELIOT 无人直升机跟踪卡车进行了实验，下图是实验的实拍跟踪场景。

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