【摘 要】
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四旋翼无人直升机因其具有垂直起降、悬停、低速巡航等特性,使它执行目标搜索和跟踪,侦察和救援等任务有着明显的优势。随着机载视觉技术的发展,基于视觉信息的无人机移动目
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四旋翼无人直升机因其具有垂直起降、悬停、低速巡航等特性,使它执行目标搜索和跟踪,侦察和救援等任务有着明显的优势。随着机载视觉技术的发展,基于视觉信息的无人机移动目标的跟踪技术在很多领域中都具有很高的实用价值。 本文以加拿大Quanser公司开发的Qball-X4四旋翼无人机为主要实验平台,搭配QuaRC软件环境,开发了一套完整的基于视觉的地面目标跟踪的飞行控制系统。整个系统由Matlab/Simulink搭建,可以很容易实现实物控制到仿真实验之间的转换,更便于对控制策略的改进和更换。本文的主要工作及贡献如下：(1)建立了Qball-X4四旋翼无人机的基本数学模型,并在Simulink下搭建了可直接用于仿真验证的模型。根据模型的结构设计了双闭环PID控制器,并针对ITAE指标对PID控制器的三个参数进行了寻优,得到了一组最优PID参数。考虑到测量环节可能存在的误差以及可能出现的数据延迟和错误,设计了Kalman滤波器来对目标运动轨迹进行估计。(2)综合考虑无人机载重能力和视觉跟踪对图像质量的要求,在Qball-X4四旋翼无人机上搭建了视觉平台。对视觉信息下地面移动目标的识别和跟踪策略展开了研究,包括经典的Lucus-Kanade光流跟踪算法和随机森林算法。考虑到目标跟踪和识别过程中可能发生的错误,本文引入了P-N学习模块来监督跟踪和识别过程,通过学习模块来更新目标模型从而降低错误发生的概率。(3)在QuaRC软件环境下为Qball-X4四旋翼无人机设计了完整的目标跟踪飞行控制系统,主要包括目标跟踪定位模块,通信模块,轨迹跟踪控制模块以及硬件驱动模块,并在Quanser半实物仿真平台下进行了跟踪飞行,验证了所设计的目标跟踪飞行控制系统可以实现对目标的实时跟踪。
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