基于视觉的四旋翼无人机动目标跟踪技术研究

摘要

作为无人机监控系统的关键技术之一，对动目标的识别与跟踪技术是通过视觉手段获取动目标图像，并设计算法对动目标进行实时识别与跟踪，估算动目标的位置、运动轨迹等信息，可作为无人机执行飞行决策的重要依据。本文在空中机器人大赛实现目标跟踪的基础上，设计了一套四旋翼无人机动目标跟踪控制系统，旨在优化姿态估计算法和图像处理算法，降低系统运算时间，提高目标跟踪的实时性。 首先，为搭建四旋翼无人机目标跟踪硬件系统，规划了硬件系统总体设计结构，并对硬件系统提出了需求。在此基础上，将硬件系统分为飞行控制系统和视觉跟踪系统，并完成了硬件模块设计与选型。 其次，研究了目标跟踪算法与软件设计。重点阐述了基于核相关滤波的目标跟踪算法，该算法利用循环矩阵求解岭回归问题，将傅里叶对角化引入岭回归求解过程，大大提高了计算效率。同时，在线性回归的基础上引入核函数，提高了分类器的性能。另外，对于目标框尺度固定问题，运用一维尺度滤波器自适应估计目标尺度的变化，有效地提高了目标识别的准确度。软件系统采用了一种将相对位置误差作为航迹回路输入的PID控制律结构。 然后，为实现四旋翼无人机的稳定跟踪控制，本文基于梯度下降法，设计了一种高精确度、高运算效率的快速姿态估计算法。该算法采用四元数描述，通过算法融合处理陀螺仪、加速度计、磁力计的数据，实现姿态角的精确估计，并通过试验验证了该算法的可靠性。 最后，对目标跟踪算法进行性能评估与飞行功能验证。整合软硬件设计，开展了全系统的上电功能性检测与飞行环境测试。分析了静态和动态两种跟踪试验数据，结果表明，本文设计的四旋翼无人机目标跟踪控制系统具有稳定飞行能力，可实现对动目标的高精度实时跟踪。

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第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外技术现状分析

1.2.1 旋翼无人机研究现状

1.2.2 目标跟踪技术研究现状

1.2.3 姿态估计研究现状

1.3 本文研究内容和章节安排

第二章 四旋翼目标跟踪无人机硬件方案设计

2.1 系统硬件总体方案

2.1.1 硬件系统功能需求

2.1.2 硬件系统总体结构

2.2 飞行控制系统硬件设计及选型

2.2.1 主控制器模块选型及分析

2.2.2 位姿传感器模块选型及电路设计

2.2.3 执行机构选型

2.3 视觉跟踪系统硬件设计及选型

2.3.1 图像采集模块选型

2.3.2 视觉处理模块选型及分析

2.4 本章小结

四旋翼目标跟踪算法与软件设计

3.1 视觉跟踪定位算法设计

3.1.1 目标跟踪算法

3.1.1.1 线性回归与循环矩阵

3.1.1.2 核相关滤波

3.1.1.3 目标的快速检测

3.1.1.4 几种典型的核函数及多通道数据处理

3.1.1.5 改进的多尺度核相关滤波算法

3.1.2 视觉定位原理

3.2 系统软件方案设计

3.2.1 飞行控制系统软件设计

3.2.2 视觉数据通信协议设计

3.3 本章小结

无人机姿态估计算法设计

4.1 四元数的基本概念

4.2 梯度下降法基本原理

4.3 传感器数据融合算法设计

4.3.1 加速度修正设计

4.3.2 磁强计修正设计

4.3.3 陀螺仪、加速度计和磁强计融合设计

4.4姿态估计算法试验分析

4.4.1 静态分析

4.4.2 动态分析

4.5 本章小结

第五章 动目标跟踪算法评估与飞行验证

5.1 目标跟踪算法性能评估

5.1.1 测试环境及评估方法

5.1.2 试验结果与分析

5.2 四旋翼无人机飞行试验及分析

5.3 四旋翼无人机目标跟踪试验与分析

5.3.1 静态目标跟踪试验与分析

5.3.2 移动目标跟踪试验与分析

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 本文工作总结

6.2 后续研究展望

参考文献

致 谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文