小型机载自稳定云台的视觉伺服跟踪系统研究
发布时间：2021-07-27 20:52
作为近些年的研究热点,视觉目标跟踪技术在无人机和视觉伺服领域中具有广阔的应用空间和研究价值,无人机通过机载相机获取的图像信息反馈给无人机系统,以此控制无人机实现跟踪目标的目的。一般无人机操作较为复杂,并且搭载额外设备时工作量较大,因此需要云台作为无人机与相机之间的桥梁,独立承担着对目标进行实时跟踪的同时,稳定相机光轴获取清晰的图像信息。本文针对小型四旋翼无人机系统,提出一种基于视觉目标跟踪的低成本云台伺服控制系统,该系统以机载相机作为视觉反馈器,将图像信息输入到上位机中,通过视觉目标跟踪算法跟踪目标的同时,获取目标在像素平面的位置信息,并将目标位置与图像平面中心的像素误差输入到伺服控制器当中,设计并对比线性控制器、增量式PID控制器和线性二次调节器（即LQR）三种数字伺服控制器的跟踪效果,以此来保证云台进行实时、稳定的控制相机旋转光轴,缩小目标点与图像平面中心点之间的误差,从而达到云台视觉伺服跟踪效果。同时,对比两种视觉目标跟踪算法的跟踪效果,并分析了各跟踪算法的优劣性。为提高云台的自稳定性,保证相机稳定获取图像信息,本文针对云台计算能力有限的问题,提出一种基于低成本三轴无刷云台的改进...
【文章来源】：新疆大学新疆维吾尔自治区 211工程院校
【文章页数】：65 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
Colibri样机HakonHagenHelgesen等人[14]
图 1-2 中国科学院大学实验平台（左）天津工业大学实验平台（右）上海大学 ZouHairong 等[18]提出了一种将仿生眼模型应用于无人机机载相机的控制系统，根据分析的无人机视觉跟踪系统的特点，建立了一种新型的无人机低空地面运动目标视觉跟踪系统。基于仿生眼的无人机视觉跟踪系统能够同时考虑无人机的高度变化和目标的运动，能够协调控制机载相机和无人机，并且基于仿生眼的相机控制系统模型可以弥补造成的偏转无人机旋转和地面的运动相对于未来无人机飞行时，和相机电机速度的控制模式控制因此机载相机可以连续跟踪目标、顺利、清晰、稳定，就像人类的眼睛。因此，它确实提高了系统性能，具有实际意义。实验结果表明，其跟踪效果达到了预期目标。国内以大疆为首的科技公司也对云台系统有所研究，其生产的禅思 X4S 三轴云台增稳系统采用轻量化设计，内置高速处理器，可控制云台电机进行精准运转来补偿无人机飞行过程中造成的相机细微移动，确保相机在拍摄时的稳定性。相对于其他采用了导电滑环结构的小型云台，X4S 云台所采用的机械限位及隐藏
图 1-4 基于无人机的云台视觉伺服跟踪系统1.3.2 拟解决关键问题本文基于视觉目标跟踪的机载云台伺服系统主要拟解决关键问题：（1）小型四旋翼无人机机载云台计算能力有限、动态性能较差，通常的姿态解算算法计算量往往都比较大，计算量较小的姿态解算适应性又有一定的局限性。因此需要一种符合小型无人机机载云台的姿态解算来获取云台的真实姿态，满足云台能够自稳定的基础要求，从而能够稳定获取相机图像信息，保证机载计算机图像处理能够平稳进行。（2）一般无人机操作复杂且工作量较大，需要云台独立承担对目标进行跟踪的任务，同时，大多数低成本云台伺服均选用 PID 控制器，实时性与稳定性较差。因此需要设计独立于无人机的云台伺服跟踪控制器，以相机作为视觉反馈器，通过上位机搭载的视觉目标跟踪算法来获取目标在图像中的坐标点，输入到性能较
【参考文献】：
期刊论文
[1]机器人视觉伺服控制研究进展与挑战[J]. 杨月全,秦瑞康,李福东,曹志强,季涛,张天平. 郑州大学学报(理学版). 2018(02)
[2]基于四元数改进型互补滤波的MEMS姿态解算[J]. 陈孟元,谢义建,陈跃东. 电子测量与仪器学报. 2015(09)
[3]基于卡尔曼滤波的无人机姿态测量研究[J]. 袁亮,楚仕彬. 组合机床与自动化加工技术. 2015(07)
[4]无人机微型姿态航向系统数据处理[J]. 宋英麟,鲜斌,茹滨超,曹美会. 中南大学学报(自然科学版). 2013(S2)
[5]一种目标跟踪中的模糊核直方图[J]. 文志强,蔡自兴. 高技术通讯. 2009(02)
[6]基于四元数法的捷联式惯性导航系统的姿态解算[J]. 张荣辉,贾宏光,陈涛,张跃. 光学精密工程. 2008(10)
[7]基于低成本磁场和MEMS惯性传感器的姿态测定系统（英文）[J]. 杨克虎,史英桂,姬靖,郭建军,郁文生. 中国惯性技术学报. 2008(05)
[8]卡尔曼滤波计算方法研究进展[J]. 张友民,戴冠中,张洪才. 控制理论与应用. 1995(05)
硕士论文
[1]高精度伺服云台的机械结构与控制系统研究[D]. 富晓杰.浙江大学 2014
[2]基于Mean Shift算法的目标跟踪在安防系统中的应用[D]. 程婷.长安大学 2011
本文编号：3306522
【文章来源】：新疆大学新疆维吾尔自治区 211工程院校
【文章页数】：65 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
Colibri样机HakonHagenHelgesen等人[14]
图 1-2 中国科学院大学实验平台（左）天津工业大学实验平台（右）上海大学 ZouHairong 等[18]提出了一种将仿生眼模型应用于无人机机载相机的控制系统，根据分析的无人机视觉跟踪系统的特点，建立了一种新型的无人机低空地面运动目标视觉跟踪系统。基于仿生眼的无人机视觉跟踪系统能够同时考虑无人机的高度变化和目标的运动，能够协调控制机载相机和无人机，并且基于仿生眼的相机控制系统模型可以弥补造成的偏转无人机旋转和地面的运动相对于未来无人机飞行时，和相机电机速度的控制模式控制因此机载相机可以连续跟踪目标、顺利、清晰、稳定，就像人类的眼睛。因此，它确实提高了系统性能，具有实际意义。实验结果表明，其跟踪效果达到了预期目标。国内以大疆为首的科技公司也对云台系统有所研究，其生产的禅思 X4S 三轴云台增稳系统采用轻量化设计，内置高速处理器，可控制云台电机进行精准运转来补偿无人机飞行过程中造成的相机细微移动，确保相机在拍摄时的稳定性。相对于其他采用了导电滑环结构的小型云台，X4S 云台所采用的机械限位及隐藏
图 1-4 基于无人机的云台视觉伺服跟踪系统1.3.2 拟解决关键问题本文基于视觉目标跟踪的机载云台伺服系统主要拟解决关键问题：（1）小型四旋翼无人机机载云台计算能力有限、动态性能较差，通常的姿态解算算法计算量往往都比较大，计算量较小的姿态解算适应性又有一定的局限性。因此需要一种符合小型无人机机载云台的姿态解算来获取云台的真实姿态，满足云台能够自稳定的基础要求，从而能够稳定获取相机图像信息，保证机载计算机图像处理能够平稳进行。（2）一般无人机操作复杂且工作量较大，需要云台独立承担对目标进行跟踪的任务，同时，大多数低成本云台伺服均选用 PID 控制器，实时性与稳定性较差。因此需要设计独立于无人机的云台伺服跟踪控制器，以相机作为视觉反馈器，通过上位机搭载的视觉目标跟踪算法来获取目标在图像中的坐标点，输入到性能较
【参考文献】：
期刊论文
[1]机器人视觉伺服控制研究进展与挑战[J]. 杨月全,秦瑞康,李福东,曹志强,季涛,张天平. 郑州大学学报(理学版). 2018(02)
[2]基于四元数改进型互补滤波的MEMS姿态解算[J]. 陈孟元,谢义建,陈跃东. 电子测量与仪器学报. 2015(09)
[3]基于卡尔曼滤波的无人机姿态测量研究[J]. 袁亮,楚仕彬. 组合机床与自动化加工技术. 2015(07)
[4]无人机微型姿态航向系统数据处理[J]. 宋英麟,鲜斌,茹滨超,曹美会. 中南大学学报(自然科学版). 2013(S2)
[5]一种目标跟踪中的模糊核直方图[J]. 文志强,蔡自兴. 高技术通讯. 2009(02)
[6]基于四元数法的捷联式惯性导航系统的姿态解算[J]. 张荣辉,贾宏光,陈涛,张跃. 光学精密工程. 2008(10)
[7]基于低成本磁场和MEMS惯性传感器的姿态测定系统（英文）[J]. 杨克虎,史英桂,姬靖,郭建军,郁文生. 中国惯性技术学报. 2008(05)
[8]卡尔曼滤波计算方法研究进展[J]. 张友民,戴冠中,张洪才. 控制理论与应用. 1995(05)
硕士论文
[1]高精度伺服云台的机械结构与控制系统研究[D]. 富晓杰.浙江大学 2014
[2]基于Mean Shift算法的目标跟踪在安防系统中的应用[D]. 程婷.长安大学 2011
本文编号：3306522
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