【摘要】：作為無人機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一,對(duì)動(dòng)目標(biāo)的識(shí)別與跟蹤技術(shù)是通過視覺手段獲取動(dòng)目標(biāo)圖像,并設(shè)計(jì)算法對(duì)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)識(shí)別與跟蹤,估算動(dòng)目標(biāo)的位置、運(yùn)動(dòng)軌跡等信息,可作為無人機(jī)執(zhí)行飛行決策的重要依據(jù)。本文在空中機(jī)器人大賽實(shí)現(xiàn)目標(biāo)跟蹤的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了一套四旋翼無人機(jī)動(dòng)目標(biāo)跟蹤控制系統(tǒng),旨在優(yōu)化姿態(tài)估計(jì)算法和圖像處理算法,降低系統(tǒng)運(yùn)算時(shí)間,提高目標(biāo)跟蹤的實(shí)時(shí)性。首先,為搭建四旋翼無人機(jī)目標(biāo)跟蹤硬件系統(tǒng),規(guī)劃了硬件系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu),并對(duì)硬件系統(tǒng)提出了需求。在此基礎(chǔ)上,將硬件系統(tǒng)分為飛行控制系統(tǒng)和視覺跟蹤系統(tǒng),并完成了硬件模塊設(shè)計(jì)與選型。其次,研究了目標(biāo)跟蹤算法與軟件設(shè)計(jì)。重點(diǎn)闡述了基于核相關(guān)濾波的目標(biāo)跟蹤算法,該算法利用循環(huán)矩陣求解嶺回歸問題,將傅里葉對(duì)角化引入嶺回歸求解過程,大大提高了計(jì)算效率。同時(shí),在線性回歸的基礎(chǔ)上引入核函數(shù),提高了分類器的性能。另外,對(duì)于目標(biāo)框尺度固定問題,運(yùn)用一維尺度濾波器自適應(yīng)估計(jì)目標(biāo)尺度的變化,有效地提高了目標(biāo)識(shí)別的準(zhǔn)確度。軟件系統(tǒng)采用了一種將相對(duì)位置誤差作為航跡回路輸入的PID控制律結(jié)構(gòu)。然后,為實(shí)現(xiàn)四旋翼無人機(jī)的穩(wěn)定跟蹤控制,本文基于梯度下降法,設(shè)計(jì)了一種高精確度、高運(yùn)算效率的快速姿態(tài)估計(jì)算法。該算法采用四元數(shù)描述,通過算法融合處理陀螺儀、加速度計(jì)、磁力計(jì)的數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)姿態(tài)角的精確估計(jì),并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了該算法的可靠性。最后,對(duì)目標(biāo)跟蹤算法進(jìn)行性能評(píng)估與飛行功能驗(yàn)證。整合軟硬件設(shè)計(jì),開展了全系統(tǒng)的上電功能性檢測與飛行環(huán)境測試。分析了靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種跟蹤試驗(yàn)數(shù)據(jù),結(jié)果表明,本文設(shè)計(jì)的四旋翼無人機(jī)目標(biāo)跟蹤控制系統(tǒng)具有穩(wěn)定飛行能力,可實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)目標(biāo)的高精度實(shí)時(shí)跟蹤。
【圖文】：

（a）“捕食者”無人機(jī) （b）“翼龍”無人機(jī)圖 1.1 固定翼無人機(jī)（a）“火力偵察兵”無人機(jī) （b）大疆“悟”系列無人機(jī)圖 1.2 旋翼無人機(jī)1.2 國內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀分析1.2.1 旋翼無人機(jī)研究現(xiàn)狀

（a）“火力偵察兵”無人機(jī) （b）大疆“悟”系列無人機(jī)圖 1.2 旋翼無人機(jī)1.2 國內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀分析1.2.1 旋翼無人機(jī)研究現(xiàn)狀旋翼無人機(jī)已經(jīng)有 110 年的發(fā)展歷史[5]。第一架旋翼直升機(jī)在法國于 1907 年完成了試飛盡管此次飛行高度只有 1.5 米，卻拉開了旋翼無人機(jī)在人類技術(shù)發(fā)展中的序幕[6-7]。1920 年E.Oemichen 設(shè)計(jì)了多旋翼無人機(jī)，雖然第一次試飛失敗，，但經(jīng)過重新設(shè)計(jì)后，于 1923 年實(shí)圖 1.3 第一架旋翼直升機(jī) 圖 1.4 Oemichen No.2
【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：V279

【參考文獻(xiàn)】

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3 宋策;張葆;尹傳歷;;適于機(jī)載環(huán)境對(duì)地目標(biāo)跟蹤的粒子濾波設(shè)計(jì)[J];光學(xué)精密工程;2014年04期

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1 徐偉杰;基于視覺的微小型無人直升機(jī)位姿估計(jì)與目標(biāo)跟蹤研究[D];浙江大學(xué);2012年

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本文編號(hào)：2680236