四轴飞行器跟踪与控制系统设计
发布时间：2023-11-04 07:54
随着MEMS和嵌入式技术的快速发展,小型四轴飞行器在专业航拍、植保等领域已经被广泛使用。近些年来,伴随着人工智能和自动驾驶技术的发展,各种AI芯片的相继推出,促进了小型四轴飞行器自动驾驶、目标跟踪技术飞速发展,使得四轴飞行器小型化、灵活性强的特点变得更加突出。针对传统安防和个人摄影摄像领域设备功能单一、操作复杂、灵活性较差的缺点,一款具有跟踪功能的四轴飞行器系统可以很好的弥补传统安防和个人摄影摄像领域现有设备的缺点和不足。根据目前安防领域和摄影摄像领域的市场需求,将四轴飞行器跟踪系统的整体硬件设计分为三个单元,分别完成四轴飞行器飞行姿态的控制、目标实时跟踪引导、遥控管理的功能。对于系统一般设备采用基于STM32系列MCU进行硬件设计,对于需要硬件设备性能较高的目标跟踪单元,通过搭建基于RK3399的嵌入式平台和Ubuntu系统的移植,满足系统运行高性能图像算法的需求。通过对四轴飞行器的飞行原理和机械结构进行分析,完成对四轴飞行器数学模型的建立,并根据系统的实际需求,在传统控制系统中加入四元数微分方程和PID控制算法,完成对飞行器的姿态解算和精确控制需求,在MATLAB环境下对飞行器整体...
【文章页数】：86 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
1.1 课题的研究背景及意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 四轴飞行器控制算法的研究现状
1.2.2 目标跟踪算法的国内外研究现状
1.2.3 四轴飞行器跟踪系统国内外研究现状
1.3 系统的性能指标
1.4 本文主要研究内容
第2章 系统的硬件设计
2.1 系统硬件的总体方案设计
2.2 四轴飞行器控制单元的硬件设计
2.2.1 主控芯片的选取
2.2.2 飞行控制单元的主控模块硬件设计
2.2.3 飞行控制单元的电源模块硬件设计
2.2.4 飞行姿态获取模块的硬件设计
2.2.5 室外飞行器定点定高模块的硬件设计
2.2.6 室内定点定高模块的硬件设计
2.2.7 其他辅助功能模块电路设计
2.3 遥控管理单元的硬件设计
2.3.1 遥控管理单元主控模块的硬件设计
2.3.2 遥控管理单元电源电路的硬件设计
2.3.3 SRAM和 LCD接口电路的硬件设计
2.3.4 遥控按键电路模块设计
2.3.5 无线通信模块的硬件设计
2.3.6 有线通讯模块的硬件设计
2.4 目标跟踪单元的硬件设计
2.4.1 系统主控芯片的选择
2.4.2 系统时钟与复位电路设计
2.4.3 DDR3控制模块电路设计
2.4.4 eMMC控制模块电路设计
2.4.5 芯片CPU部分的电源电路的硬件设计
2.4.6 CAMERA接口电路的硬件设计
2.4.7 Wifi模块电路的硬件设计
2.5 本章小结
第3章 四轴飞行器控制算法研究
3.1 四轴飞行器数学模型的建立
3.1.1 飞行器线运动模型
3.1.2 飞行器的角运动模型
3.1.3 模型的简化改进
3.2 四轴飞行器传感器姿态解算算法
3.2.1 飞行器姿态解算算法介绍
3.2.2 四元数与姿态转换矩阵的关系
3.2.3 姿态角解算算法
3.2.4 角速度方向误差纠正
3.3 四轴飞行器PID控制算法设计
3.4 四轴飞行器模型及控制算法MATLAB仿真
3.5 本章小节
第4章 Mean Shift目标跟踪算法研究
4.1 Mean Shift算法原理与实现
4.1.1 Mean Shift算法基本原理
4.1.2 Mean Shift算法核密度估计函数
4.1.3 Mean Shift算法核窗宽定义
4.2 Mean Shift算法设计与仿真
4.2.1 Mean Shift算法设计
4.2.2 目标区域模型建立
4.2.3 待测区域模型的建立
4.2.4 Mean Shift算法仿真
4.3 Meanshift算法的局限性与初步改进
4.4 Mean Shift算法的特征检测融合算法改进
4.4.1 SURF特征检测算法原理
4.4.2 SURF算法更改Mean Shift算法核窗宽度
4.5 跟踪算法与四轴飞行器运动的结合
4.6 本章小结
第5章 系统的软件设计与性能测试
5.1 系统总体软件设计描述
5.2 飞行控制单元的软件设计
5.2.1 飞行控制单元算法运行环境搭建
5.2.2 飞行控制单元算法的软件设计
5.2.3 飞行控制系统软件执行流程
5.3 目标跟踪单元的软件设计
5.3.1 嵌入式Ubuntu系统移植
5.3.2 OpenCV在嵌入式Ubuntu中移植
5.3.3 目标跟踪算法模块软件执行过程
5.4 飞行器遥控管理单元的软件设计
5.5 系统的性能测试
5.5.1 四轴飞行器控制单元稳定性测试
5.5.2 四轴飞行器跟踪系统的测试
5.6 本章小结
结论
参考文献
攻读硕士学位期间成果
致谢
本文编号：3859891
【文章页数】：86 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
1.1 课题的研究背景及意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 四轴飞行器控制算法的研究现状
1.2.2 目标跟踪算法的国内外研究现状
1.2.3 四轴飞行器跟踪系统国内外研究现状
1.3 系统的性能指标
1.4 本文主要研究内容
第2章 系统的硬件设计
2.1 系统硬件的总体方案设计
2.2 四轴飞行器控制单元的硬件设计
2.2.1 主控芯片的选取
2.2.2 飞行控制单元的主控模块硬件设计
2.2.3 飞行控制单元的电源模块硬件设计
2.2.4 飞行姿态获取模块的硬件设计
2.2.5 室外飞行器定点定高模块的硬件设计
2.2.6 室内定点定高模块的硬件设计
2.2.7 其他辅助功能模块电路设计
2.3 遥控管理单元的硬件设计
2.3.1 遥控管理单元主控模块的硬件设计
2.3.2 遥控管理单元电源电路的硬件设计
2.3.3 SRAM和 LCD接口电路的硬件设计
2.3.4 遥控按键电路模块设计
2.3.5 无线通信模块的硬件设计
2.3.6 有线通讯模块的硬件设计
2.4 目标跟踪单元的硬件设计
2.4.1 系统主控芯片的选择
2.4.2 系统时钟与复位电路设计
2.4.3 DDR3控制模块电路设计
2.4.4 eMMC控制模块电路设计
2.4.5 芯片CPU部分的电源电路的硬件设计
2.4.6 CAMERA接口电路的硬件设计
2.4.7 Wifi模块电路的硬件设计
2.5 本章小结
第3章 四轴飞行器控制算法研究
3.1 四轴飞行器数学模型的建立
3.1.1 飞行器线运动模型
3.1.2 飞行器的角运动模型
3.1.3 模型的简化改进
3.2 四轴飞行器传感器姿态解算算法
3.2.1 飞行器姿态解算算法介绍
3.2.2 四元数与姿态转换矩阵的关系
3.2.3 姿态角解算算法
3.2.4 角速度方向误差纠正
3.3 四轴飞行器PID控制算法设计
3.4 四轴飞行器模型及控制算法MATLAB仿真
3.5 本章小节
第4章 Mean Shift目标跟踪算法研究
4.1 Mean Shift算法原理与实现
4.1.1 Mean Shift算法基本原理
4.1.2 Mean Shift算法核密度估计函数
4.1.3 Mean Shift算法核窗宽定义
4.2 Mean Shift算法设计与仿真
4.2.1 Mean Shift算法设计
4.2.2 目标区域模型建立
4.2.3 待测区域模型的建立
4.2.4 Mean Shift算法仿真
4.3 Meanshift算法的局限性与初步改进
4.4 Mean Shift算法的特征检测融合算法改进
4.4.1 SURF特征检测算法原理
4.4.2 SURF算法更改Mean Shift算法核窗宽度
4.5 跟踪算法与四轴飞行器运动的结合
4.6 本章小结
第5章 系统的软件设计与性能测试
5.1 系统总体软件设计描述
5.2 飞行控制单元的软件设计
5.2.1 飞行控制单元算法运行环境搭建
5.2.2 飞行控制单元算法的软件设计
5.2.3 飞行控制系统软件执行流程
5.3 目标跟踪单元的软件设计
5.3.1 嵌入式Ubuntu系统移植
5.3.2 OpenCV在嵌入式Ubuntu中移植
5.3.3 目标跟踪算法模块软件执行过程
5.4 飞行器遥控管理单元的软件设计
5.5 系统的性能测试
5.5.1 四轴飞行器控制单元稳定性测试
5.5.2 四轴飞行器跟踪系统的测试
5.6 本章小结
结论
参考文献
攻读硕士学位期间成果
致谢
本文编号：3859891
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