基于视觉跟踪的小型四旋翼无人机的研究

For the visual tracking to a ground target at wide range, this study utilizes the small Quadrotor UAV (unmanned aerial vehicle, UAV ) as the mobile experiment platform to build the visual tracking system of UAV based on a PTZ(Pan Tilt Zoom) camera . On the basis of the experimental platform, the way of the extraction and recognition about a ground target is proposed based on the object feature. Following the above researches , the real-time target tracking algorithm is designed, and then the approach of the automatic tracking of ground targets is achieved; In order to further expand the scope of tracking, the camera control algorithm is presented based on the servo control theory and PTZ Control, which makes the ground targets within the camera view; And the stability flight kinematics model of UAV is created and the stable reliable and accurate control algorithm of UAV is designed. Eventually, the ground target is tracked well and these stable video images are obtained within the larger scope. This research will present the systematic theory and methods for designing and analyzing the tracking system of UAV.

针对地面目标的大范围视觉跟踪问题,本研究利用小型四旋翼无人机作为移动实验平台,建立基于云台摄像机的无人机视觉跟踪系统。在此实验平台的基础上，提出了基于目标特征的地面目标提取和识别，并在此基础上，设计目标跟踪的实时算法，实现地面目标的自动跟踪；为了进一步扩大跟踪的范围，提出了基于伺服控制理论的摄像机云台控制算法，通过云台控制使得地面目标在摄像机视野之内；并且，建立无人机稳定性飞行的运动学模型，设计稳定、可靠和精准的无人机控制算法，实现在更大范围内地面目标跟踪和稳定的视频图像。本研究将为设计和分析无人机视频跟踪提供系统化的理论和方法。

本项目利用小型四旋翼无人机作为移动实验平台,建立基于云台摄像机的无人机视觉跟踪系统，解决对地面目标的大范围视觉跟踪问题。在项目中主要研究内容包括：①研究目标跟踪和四旋翼无人机控制理论方法；②研究视觉反馈控制算法；③研究适合无人机跟踪的实时目标跟踪算法④研究四旋翼无人机的视觉伺服控制方法。重要结果包括：①搭建了2架四旋翼无人机平台；②提出了两种适合无人机的目标跟踪算法；③提出了一种四旋翼无人机视觉伺服方法；④提出一种改进梯度下降法的机载云台姿态解算；⑤提出2种四旋翼无人机姿态控制的算法。科学意义包括：①无人机地面目标跟踪系统中，视觉跟踪的主要任务是获得目标的运动状态，因此，针对摄像机的平移和旋转，所拍摄的视频图像中的动态变化的背景，在动态背景图像中对目标进行检测并定位具有重要意义；②当目标远离无人机监控范围时通过云台控制及时对无人的各项参数进行调整，自动的获取和分析跟踪的信息或者选中符合要求的跟踪目标，很大程度上提高目标跟踪的效率；③小型无人机具有非常复杂的空气动力学特性，实现其稳定的自主的大范围飞行，使其跟踪具有较强机动性的地面目标；④结合视觉跟踪、云台伺服控制及无人机稳定性控制三个方面，提高跟踪地面目标性能具有重要的价值。所以本项研究具有现实的理论研究价值。