[發明專利]基于視覺的旋翼無人機穩定跟蹤目標的控制系統及方法

有效

• 申請號: 201710106290.1
• 申請日: 2017-02-27
• 公開（公告）號: CN106774436B
• 公開（公告）日: 2023-04-25
• 發明（設計）人: 單一;劉春生;孫景亮;李蔚藍
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G05D1/12
• 分類號: G05D1/12
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 朱楨榮

本發明公開了一種基于視覺的旋翼無人機穩定跟蹤移動目標的控制系統，包括機載部分，所述機載部分包括旋翼無人機的飛行控制器、超聲波測距模塊和視覺導航模塊，所述視覺導航模塊包括圖像處理器、攝像頭模塊和固定在旋翼無人機正下方的兩軸無刷云臺，所述攝像頭模塊和超聲波測距模塊均固定于兩軸無刷云臺上，且保持攝像頭模塊的鏡頭和超聲波測距模塊均與水平面平行；本發明還公開了一種基于視覺的旋翼無人機穩定跟蹤移動目標的控制方法。利用機載視覺導航模塊來完成對目標特征標志的自主檢測以及解算旋翼無人機與目標物之間的實際相對誤差距離，尤其解決了在目標物被遮擋的情況下，旋翼無人機不能穩定跟蹤移動目標的問題。

技術領域

本發明涉及視覺跟蹤技術領域，特別是一種基于視覺的旋翼無人機穩定跟蹤移動目標的控制系統及方法。

背景技術

近幾年，旋翼無人機頻繁地出現公眾的視野當中，如交通部門利用旋翼無人機實時檢查路況、隱蔽地抓拍高速公路上的違章駕駛行為；大型發電站利用旋翼無人機對太陽能電板進行巡檢；救援部隊利用旋翼無人機偵測受災情況并及時給受災群眾投送食物和藥品等必要物資。諸如此類的運用還有很多，可見旋翼無人機在民用、救援甚至軍事應用中都扮演著十分重要的角色。然而，上述的這些應用幾乎都是在戶外GPS信號較強的情況下，利用機載的GPS來給旋翼無人機實時地提供導航信息或者通過預設航點來完成旋翼無人機按照預設航線飛行的任務。顯然，這種導航方法在一定程度上限制了旋翼無人機的應用范圍。一是使用環境得具有較強的GPS信號，除此之外，GPS導航的精度受多種因素的影響，其誤差也不能很好的控制在一定的范圍之內。因此，在無較好的GPS信號的情況下，就需要利用計算機視覺來給旋翼無人機提供導航信息來完成其對移動目標跟蹤等飛行任務，這就可以擴大旋翼無人機的使用環境。

由于對移動目標的穩定跟蹤在民用方面甚至軍事鄰域都有著廣闊的應用前景，因此對移動目標跟蹤技術的研究就成為諸多鄰域重要的研究課題，多種視覺跟蹤算法相繼被提出。其中，camshift算法是連續自適應meanshift算法，其通過自動調節核窗口的大小有效改善了meanshift算法的不足，并憑借其多種優點，被廣泛地運用于實現對移動目標的跟蹤，通過結合合理的目標物自主檢測方法來初始化跟蹤窗口以實現對目標物的自主檢測。

但要實現利用視覺導航信號控制旋翼無人機實現對移動目標穩定的跟蹤，拋開選用的控制算法，給旋翼無人機提供準確穩定的視覺導航信號是一個十分重要的前提。然而，在利用camshift跟蹤算法或者利用其他基于目標物特征的跟蹤算法來對移動目標進行跟蹤的過程中，不可避免地存在光照、背景的干擾以及目標物被障礙物遮擋等情況，考慮到這一類視覺跟蹤算法的跟蹤特點，在這一情況下，就會存在視覺跟蹤算法提供給旋翼無人機的目標位置信息不準確的問題，即當目標被遮擋時，目標的部分顏色特征信息被遮擋，這就導致視覺跟蹤算法檢測到的目標特征面積變小，直接導致視覺跟蹤算法計算得到的目標質點位置信息相對于目標實際質點位置產生一定的偏差，而且這一偏差會隨著遮擋面積的增大而增大。再將這種錯誤的視覺導航信息反饋給旋翼無人機，結果必然是丟失目標物。其他利用目標特征信息進行跟蹤的算法也同樣存在類似的問題。對于這一情況，現有的解決方案是，先控制旋翼無人機懸停在原來位置并通過提高旋翼無人機的飛行高度來擴大機載圖像傳感器的拍攝面積，再重新搜索目標物。但由于圖像傳感器的拍攝范圍有限以及需擴大機載圖像傳感器的拍攝范圍和所需的飛行高度也無合理的衡量標準，所以這一方案仍不能很好解決上述的問題。除此之外，在對目標被遮擋情況下的跟蹤算法研究已有了一些專利文獻，但對于在目標被遮擋甚至完全遮擋的情況下，提供一套可實現旋翼無人機在這一情況下對移動目標穩定跟蹤的控制系統及方法，現有技術中還未提及。

而實現旋翼無人機對地面移動目標準確并且穩定的跟蹤是未來實現無人機和運動的地面機器人進行空地協作的基礎。因此，迫切需要解決這一問題。

發明內容