基于视觉的四旋翼无人机目标跟踪系统的设计与实现

发布时间：2020-11-13 05:26

　　 随着传感器微型化技术的发展以及计算芯片算力的持续增长,智能化的移动机器人系统应用越来越广泛,尤其是小型四旋翼无人机系统已全面渗透进入消费级、航拍、农林植保、电力巡检甚至军事侦察等领域。而检测并长期持续跟踪感兴趣目标的能力对四旋翼无人机系统来说有着重要的意义。本文主要聚焦于设计并实现一套完整实用的基于视觉的四旋翼无人机目标跟踪系统,针对实际工程需求完成对先进视觉追踪算法的改进,设计实现了对跟踪目标的状态估计及跟踪控制,最终完成了包括上位机、无人机等完整软硬件的无人机目标跟踪系统。通过仿真及实际飞行试验验证了系统的可靠性与实用性。本文主要的工作及贡献如下。1)针对实际需求,完成了对机载计算机、传感器、动力组件等的选型,设计搭建了四旋翼无人机平台;详细设计了无人机目标跟踪系统的总体软件设计方案。2)进行了无人机目标跟踪系统相关的建模,包括无人机运动学模型、视觉成像模型,导航制导所涉及的相关坐标系定义,并进行了Kaliber标定实验获取各坐标系间的转换关系,最后在gazebo仿真环境下完成视觉目标追踪仿真实验所需的模型建模工作。3)研究对比了当前较为先进的几种视觉追踪算法,并基于TPAMI2017上发表的相关滤波类短期视觉跟踪算法FDSST进行改进,添加外观滤波器及SVM分类器等长期跟踪策略,结合工程实际进行性能优化,得到了一个具备较好的长期跟踪能力且实时性强的长期跟踪算法。4)针对双目图像经校准后前向行对齐的特性,改进传统的L-K光流法用于双目视差的计算,并进一步根据成像模型得到跟踪目标与无人机之间的相对距离原始测量值,而后使用卡尔曼滤波对跟踪目标的全局位置和速度等状态信息进行估计,最后设计了PID控制器实现无人机对目标的稳定跟随。5)针对提出的视觉跟踪算法,本文分别在OTB数据集及无人机实拍视频序列上与主流跟踪算法进行了对比评估测试,验证了本文算法的优势,尤其是在长期跟踪能力、尺度变化鲁棒性、低分辨率目标以及算法实时性上有着显著提高。在仿真及实际飞行实验中验证了目标状态估计算法的有效性以及整套无人机目标跟踪系统的可靠性。
【学位单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：V279
【部分图文】：

图 1-1 军事侦察无人机跟踪可疑地面目标（图左）与航拍摄影时跟踪拍摄主体（图右）笔者所在的团队长期从事飞行器导航与控制 多传感器融合及运动控制等方面的研究及应用，已在四旋翼无人机飞行控制和行业应用方面有突出成果 在自研飞控已验证基本成熟的基础上，团队利用四旋翼平台搭载摄像机及激光雷达等传感器，在室内室外环境下均开展了相关研究工作 已经完成了多款平台的研制，如图 1-2 所示，包括：基于双目摄像头的室外环境自主避障四旋翼；基于单目摄像头的 LED 灯追踪四旋翼；基于激光雷达的室内未知环境自主探测导航四旋翼；基于三维激光雷达与可见光融合技术的室内环境自主导航四旋翼；基于 Leader-follower 的分布式编队控制系统等 其中，利用基于激光雷达的室内未知环境自主探测导航四旋翼这一平台与国家电网重庆电科院合作衍生的 隧道自主巡视四旋翼系统 在由航天科技集团公司科学技术委员会主办，航天科技集团公司一院十二所和宇航智能控制技术国家级重点实验室承办的首届BAACI杯航天人工智能创新创意大赛中荣获三等奖 笔者所在团队丰富的四旋翼无人机相关系统研发经验为基于视觉的四旋翼无人机目标追踪系统的设计与实现提供了强有力的保障

图 1-1 军事侦察无人机跟踪可疑地面目标（图左）与航拍摄影时跟踪拍摄主体（图右）笔者所在的团队长期从事飞行器导航与控制 多传感器融合及运动控制等方面的研究及应用，已在四旋翼无人机飞行控制和行业应用方面有突出成果 在自研飞控已验证基本成熟的基础上，团队利用四旋翼平台搭载摄像机及激光雷达等传感器，在室内室外环境下均开展了相关研究工作 已经完成了多款平台的研制，如图 1-2 所示，包括：基于双目摄像头的室外环境自主避障四旋翼；基于单目摄像头的 LED 灯追踪四旋翼；基于激光雷达的室内未知环境自主探测导航四旋翼；基于三维激光雷达与可见光融合技术的室内环境自主导航四旋翼；基于 Leader-follower 的分布式编队控制系统等 其中，利用基于激光雷达的室内未知环境自主探测导航四旋翼这一平台与国家电网重庆电科院合作衍生的 隧道自主巡视四旋翼系统 在由航天科技集团公司科学技术委员会主办，航天科技集团公司一院十二所和宇航智能控制技术国家级重点实验室承办的首届BAACI杯航天人工智能创新创意大赛中荣获三等奖 笔者所在团队丰富的四旋翼无人机相关系统研发经验为基于视觉的四旋翼无人机目标追踪系统的设计与实现提供了强有力的保障

1.2.1 四旋翼无人机技术研究现状人们对于四旋翼这种构型的飞行器的研究实际上非常早，有文字和图片记录的最早的四旋翼飞行器（图 1-3 左）由法国 Breguet 兄弟于 1907 年在 C.Richet 教授的指导下制造成功，仅比莱特兄弟发明固定翼飞行器晚了 5 年，但该飞机没有设计控制装置，飞行极其不稳定，在第一次试飞中仅离地约 0.6 米并保持 1 分钟，被认为是人类第一次实现载人旋翼飞行器的飞行[4] 随后在 1920 年，étienneOehmichen 设计的四旋翼飞行器（图 1-3 中）成功飞行了 14 分钟，创造了当时直升机领域的世界纪录[4] 1956年，M.K.Adman制造了一架具有四个19英寸螺旋桨，由两个 90 马力发动机作为旋翼动力来源的四旋翼飞行器 Convertawing（s图 1-3 右），其外形与飞行控制方法都非常接近现代四旋翼无人机[4] 然而，与固定翼或直升机不同，四旋翼飞行器是一种不稳定欠驱动系统，它的桨叶只能产生相对机身向上的升力，所以由人工来进行控制很难控制好，最好要有自动控制器来进行姿态控制才能稳定飞行 受限于当时的微控制器和传感器水平，这一构型的飞行器的研究趋于停滞并淡出人们的视野
【参考文献】

相关期刊论文 前2条

1 王俊生;马宏绪;蔡文澜;税海涛;聂博文;;基于ADRC的小型四旋翼无人直升机控制方法研究[J];弹箭与制导学报;2008年03期

2 聂博文;马宏绪;王剑;王建文;;微小型四旋翼飞行器的研究现状与关键技术[J];电光与控制;2007年06期

相关博士学位论文 前1条

1 胡宇群;微型飞行器中的若干动力学问题研究[D];南京航空航天大学;2002年

相关硕士学位论文 前10条

1 褚天鹏;基于改进KCF算法的四旋翼无人机视觉跟踪系统设计[D];哈尔滨工业大学;2018年

2 徐宽;融合IMU信息的双目视觉SLAM研究[D];哈尔滨工业大学;2018年

3 汪鸿翔;基于卷积神经网络的在线目标跟踪算法[D];华侨大学;2018年

4 赵昶;基于多旋翼无人机的目标跟踪技术研究[D];南京航空航天大学;2018年

5 姚杰;基于双目视觉的无人机目标追踪系统研究[D];浙江大学;2018年

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7 孙一力;多旋翼无人直升机目标跟踪控制技术研究[D];南京航空航天大学;2016年

8 叶长春;IARC第7代任务中定位与目标跟踪方法研究[D];浙江大学;2016年

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10 江斌;小型四旋翼低空无人飞行器综合设计[D];浙江大学;2013年

本文编号：2881796