无人机视觉稳定云台系统设计

摘要

近年来，无人驾驶飞行器(unmanned air vehicle：UAV，简称无人机)在民用、工业和军事领域受到普遍关注。随着计算机技术、自动控制技术和图像处理技术等高新技术的快速发展，安装视觉跟踪设备、能对地面或低空目标进行跟踪的无人机系统也应运而生，受到各国学者的关注和研究。其主要功能是能够捕获运动目标并自动跟踪目标，将图像信息实时传送到主控平台，广泛应用在精确制导、反恐防暴、公路巡航和抗灾救援等场合。
　　 本文以小型四旋翼无人机为载体，选择CCD摄像头采集视频图像，使用双轴稳定云台作为摄像机的视轴稳定平台。该平台不但可以隔离无人机的扰动，以保证摄像机能够获得稳定的图像，还需要快速响应控制信号，使摄像机视轴跟踪目标视线。本设计是一个基于无人机的视觉稳定跟踪系统，包括稳定控制、图像处理等多学科的知识，同时系统应用环境复杂，外界干扰大，因而对系统软硬件设计和跟踪控制方法都有极大挑战。
　　 为了现实无人机视觉稳定云台对目标的跟踪，本文对相关问题进行一系列的探讨和研究。
　　 首先，了解无人机视觉云台的研究背景及意义，对有关技术的发展和现状有初步的认识：根据系统的坐标系和动力学原理推导云台隔离载体扰动的补偿公式，建立系统的数学模型；经过频域分析，对稳定环超前校正并仿真对比，提出模糊PID控制器；分析影响系统精度的因素，设计陀螺漂移补偿算法。然后，对现有的跟踪算法分析并归类，根据本系统的应用环境选取几样合适的算法。硬件方面，针对双轴云台框架，选择合适的电子器件和外围设备，设计并调试控制电路板。软件方面，先要对传感器信号的采集和处理方法有一定的认识，再编写各部分的程序代码，最后，针对系统在实际应用当中可能出现的情形和外界的各种干扰，设计相关实验，分别对系统的稳定性、抗干扰性和准确性进行测试。同时，通过多次实验改进系统的硬件，验证不同的目标跟踪算法，分析其优缺点，得出合适的算法。