小型旋翼机自主着陆中仿生双眼复合运动控制机理的研究

This project aims to solve the problems when small unmanned rotorcrafts land ground autonomously in turbulence environment, likeimage blurring or bouncing motion, difficultdynamic image matching, bad real-time information feedback and even missing target. Based on preliminary study of eyeball physiological neural circuit control mechanism, a solution of thebionic binocular compound movement control method to landing autonomously with no blind area for small unmanned rotorcrafts is proposed. In order to verify the accuracy of the model, and some experiments is conducted. We will start the research of the mechanics from the neural controlcircuits of eye movements. Then after considering the coordinated control mechanism of binocular compound movement of vestibuleo culoar reflex(VOR) and vergence and nonlinear dynamic gain control mechanism of its neural circuits, we can build the control mechanism and mathematical model, with the theory of Parallel processing and fault tolerance ofnerve fibrillae in Cerebellar flocculus. We alsocompare the results of simulation experiments and eye movement behavioristics toverify this model'saccuracy. Finally, to test its performance andto resolvethe above problems, we plan to design a system of a subminiaturerotorcraft landing autonomously, and select some conditions and factors like acceleration and deceleration, high-frequency vibration and wind interference, etc..

本项目针对小型无人旋翼机在振动、干扰等恶劣环境中自主着陆所遇到的图像模糊跳动、动态匹配困难、信息反馈实时性差，甚至跟踪"脱靶"等问题，在眼球生理神经回路控制机理的前期研究基础上，提出小型无人旋翼机零盲区自主着陆中仿生双眼复合运动的控制的研究，并进行试验验证。机理研究方面将从眼球运动控制神经回路出发，通过研究双目前庭动眼反射复合异向运动的协调控制机理及其神经回路的非线性动态增益调控机理，结合小脑绒毛区微神经纤维的并行处理与容错机制，建立前庭动眼反射复合异向运动的控制机理与数学模型，并通过仿真实验与眼球运动行为学结果对比，验证模型的精确性。为了验证模型的性能，设计了小型旋翼机自主着陆系统，在机理验证过程中，选取小型无人旋翼机在着陆时的加减速、高频振动、风力干扰等环境下来验证复合运动的控制机理。拟解决小型无人旋翼机在颠簸环境中自主零盲区所遇到上述问题。

小型无人旋翼机在现代军事、公共安全以及民用方面具有广阔的应用前景，颠簸环境下小型旋翼机的野外自主着陆问题仍然是制约其高水平发展的主要障碍。本项目针对小型无人旋翼机在振动、干扰等恶劣环境中自主着陆所遇到的图像模糊跳动、动态匹配困难、信息反馈实时性差，甚至跟踪“脱靶”等问题，创新引入类人眼的前庭动眼反射复合异向运动的控制机理，来控制机器人双目仿生机械云台，使其能实现类似人眼的前庭动眼反射和异向运动及其复合运动的功能。自从项目立项以来，项目组从控制理论角度，根据眼球运动神经回路以及生理学测试数据，通过信号处理与系统辨识等方法，深入探索视觉信息处理脑机制下的双目前庭动眼反射复合异向运动的控制机理，并建立其数学控制模型及相应的仿生控制算法；同时，项目组根据眼球运动相关的解剖学和运动学的研究成果，基于混合驱动柔索并联机构设计了一种符合眼球运动特点的机器人眼球运动装置；另外，为了改善跟踪过程中目标无规律运动以及颜色、遮挡等因素引起的图像模糊甚至丢失等问题，提出了基于SUKF改进型的Cam-Shift图像处理方法；项目组结合双目摄像机在线实时标定、图像立体匹配，实时获取高度信息，在此基础上，研制出具有类似人眼异向运动复合前庭动眼反射功能的视觉系统。实验验证表明，该系统通过实时调节双目夹角和补偿旋翼机姿态变化引起的误差，可以有效解决小型无人旋翼机在恶劣环境下自主着陆中存在盲区、图像模糊以及目标区域“脱靶”等问题。本项目建立的抗颠簸仿生视觉算法应用于无人艇的视觉云台以及水下声呐三维机械云台上，用于改善复杂环境下的无人艇的立体避障以及水下目标探测的性能，并做为关键技术之一，获得了上海市科技进步一等奖。