小型无人直升机视觉位于跟踪系统的设计与研究

摘要

小型无人直升机因其具有垂直起降、悬停的独特性能，使它在搜索和跟踪目标、执行侦察和救援任务等应用领域中发挥着无法替代的作用。随着机载视觉技术的发展，基于视觉信息的无人机跟踪移动目标技术在很多领域中都具有使用价值，例如空间作战、对地攻击、海上搜救随波漂流人员以及实现移动舰船上的自主降落等。
　　 本文以Hirobo90小型无人直升机作为研究对象，完成了视觉跟踪任务下飞行控制系统软件的搭建;建立了直升机目标跟踪的仿真平台;提出并用实际飞行实验验证了一种基于视觉的地面移动目标跟踪控制策略。本文的主要工作及贡献如下:
　　 1.仿真平台的搭建及验证。介绍了直升机各部分的动力学模型，针对Hirobo90直升机具有Bell-Hiller稳定杆的结构特点，详细分析了它对主旋翼的影响，并在Matlab/Simulink环境下搭建了系统仿真平台，提高了直升机非线性模型的精度。根据实际飞行采集的数据进行了仿真模型验证。
　　 2.对视觉信息下小型无人直升机跟踪地面移动目标的控制策略展开了研究。视觉跟踪系统中，利用机载视觉系统和导航融合的方法进行移动目标的实时定位。考虑到视觉技术下目标丢失的可能性，提出了一种基于轨迹预测和爬高搜索的无人直升机目标跟踪策略来解决无人机跟踪地面移动目标问题。
　　 3.机载软件平台搭建及飞行实验验证。基于移动目标跟踪的应用需求，在直升机平台上完成了飞行控制软件的搭建，包括与地面站以及视觉计算机等部分的通信，跟踪流程以及跟踪控制算法的实现等。实际跟踪实验中，直升机在首次跟踪上移动目标之后，可以将其与移动目标之间的平均相对位置差在水平面的投影控制在1.5m以内。通过实际的飞行实验，验证了一种基于视觉的地面移动目标跟踪控制策略的有效性。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 SUH研究概况

1．3 SUH相关技术研究现状及意义

1．3．1 SUH建模及仿真平台的研究现状

1．3．2 SUH跟踪地面目标技术的研究现状

1．3．3 SUH跟踪地面目标的研究意义

1．4 论文主要内容及章节安排

第二章 SUH视觉跟踪系统平台

2．1 系统硬件平台

2．1．1 主控计算机

2．1．2 视觉系统

2．1．3 地面站

2．1．4 导航及舵机子系统

2．1．5 减震处理

2．2 飞控系统软件平台

2．2．1 飞控系统软件环境的搭建

2．2．2 飞控软件总体设计

2．2．3 进程间的通讯

2．3 本章小结

第三章 SUH系统仿真平台

3．1 常用坐标系的定义

3．1．1 地面坐标系

3．1．2 机体坐标系

3．1．3 风轴系

3．1．4 桨轴系

3．2 无人直升机动力学模型

3．2．1 直升机运动模型

3．2．2 SUH主旋翼模型

3．2．3 SUH尾旋翼模型

3．2．4 SUH机身模型

3．2．5 SUH水平、垂直安定面模型

3．2．6 力与力矩的合成模块以及刚体运动模块

3．2．7 执行机构

3．2．8 环境风模型

3．3 无人直升机仿真平台搭建

3．4 悬停模态的近似线性化方程

3．5 控制器设计

3．5．1 内环控制器设计

3．5．2 目标跟踪控制器设计

3．6 无人机仿真模型验证

3．7 本章小结

第四章 基于视觉信息的移动目标跟踪控制策略

4．1 无人机跟踪系统的整体结构

4．2 视觉与导航信患融合的移动目标定位

4．3 实际飞行实验中的数据信息处理

4．3．1 GPS高度信息处理

4．3．2 去除野值和插补法

4．4 移动目标轨迹滤波与预测

4．5 移动目标搜索策略

4．6 无人机跟踪地面移动目标实验及分析

4．6．1 等高度时的目标跟踪

4．6．2 目标搜索实验及分析

4．7 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 论文总结

5．2 研究展望

参考文献

作者简介