[發(fā)明專利]一種復(fù)雜環(huán)境下無人機(jī)目標(biāo)跟蹤的軌跡生成方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201910908599.1
• 申請日: 2019-09-25
• 公開（公告）號: CN110632941B
• 公開（公告）日: 2020-12-15
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 彭志紅;奚樂樂;陳杰;王星博;蔣卓
• 申請（專利權(quán)）人: 北京理工大學(xué)
• 主分類號: G05D1/10
• 分類號: G05D1/10
• 代理公司: 北京理工大學(xué)專利中心 11120
• 代理人: 高會允

本發(fā)明公開了一種復(fù)雜環(huán)境下無人機(jī)目標(biāo)跟蹤的軌跡生成方法，涉及無人機(jī)運動規(guī)劃及目標(biāo)跟蹤技術(shù)領(lǐng)域，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜環(huán)境下無人機(jī)對運動目標(biāo)的安全、實時的跟蹤。分段建立無人機(jī)運動軌跡多項式以及目標(biāo)運動軌跡多項式。采用云臺相機(jī)實時觀測獲取目標(biāo)的三維位置信息，通過擬合的方式對目標(biāo)在未來時域內(nèi)的運動軌跡進(jìn)行預(yù)測。生成無人機(jī)安全飛行通道。建立軌跡生成的目標(biāo)函數(shù)，目標(biāo)函數(shù)為位置約束、速度約束以及能耗約束的加權(quán)求和函數(shù)；為目標(biāo)函數(shù)添加幾何約束、動態(tài)約束以及多段多項式軌跡間的平滑性約束，并將目標(biāo)函數(shù)轉(zhuǎn)化為凸優(yōu)化問題。采用凸優(yōu)化求解器求解凸優(yōu)化問題，生成多項式飛行軌跡發(fā)送至無人機(jī)的飛行控制器，完成飛行軌跡跟蹤。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及無人機(jī)運動規(guī)劃及目標(biāo)跟蹤技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種復(fù)雜環(huán)境下無人機(jī)目標(biāo)跟蹤的軌跡生成方法。

背景技術(shù)

目標(biāo)跟蹤作為一種基本任務(wù)形式，廣泛出現(xiàn)于各類軍用與民用領(lǐng)域。主要的應(yīng)用情景有軍用方面的邊防巡邏、海關(guān)緝私、目標(biāo)追捕、搜索營救等，以及民用領(lǐng)域的運動航拍、電力巡線等。目標(biāo)跟蹤的主要任務(wù)內(nèi)容是在識別目標(biāo)的前提下，持續(xù)觀測目標(biāo)的位置和速度變化，并隨著目標(biāo)的移動而進(jìn)行自身平臺的運動狀態(tài)調(diào)整，以保證對目標(biāo)的長時間不間斷狀態(tài)監(jiān)測。

在實際應(yīng)用場景中，不定向跟蹤應(yīng)用最為廣泛。在不定向跟蹤過程中，無人機(jī)與目標(biāo)維持在設(shè)定距離(可使目標(biāo)在圖像中的尺度保持不變)，通過云臺相機(jī)進(jìn)行目標(biāo)搜索、識別和圖像跟蹤，通過控制云臺相機(jī)，使目標(biāo)保持在圖像中心。無刷云臺相機(jī)系統(tǒng)相比較于靜態(tài)相機(jī)系統(tǒng)可提高物體捕捉能力與跟蹤能力。如果目標(biāo)突然偏離圖像中心，攝像機(jī)有足夠的調(diào)整空間使目標(biāo)重新位于圖像中心，最大程度地避免目標(biāo)丟失。

關(guān)于無人機(jī)或其他移動機(jī)器人執(zhí)行這些任務(wù)的研究已經(jīng)有了很多，(J.Thomas,J.Welde,G.Loianno,K.Daniilidis and V.Kumar.Autonomous Flight for Detection,Localization,and Tracking of Moving Targets With a Small Quadrotor,IEEERobotics and Automation Letters,vol.2,no.3,pp.1762-1769,July 2017.)和(D.Zheng,H.Wang,W.Chen and Y.Wang.Planning and Tracking in Image Space forImage-Based Visual Servoing of a Quadrotor,IEEE Transactions on IndustrialElectronics,vol.65,no.4,pp.3376-3385,April 2018.)針對一般室內(nèi)環(huán)境下的運動目標(biāo)跟蹤進(jìn)行了研究，文獻(xiàn)(M.Mueller,G.Sharma,N.Smith and B.Ghanem.Persistent AerialTracking system for UAVs,2016IEEE International Conference on IntelligentRobots and Systems(IROS),Daejeon,2016,pp.1562-1569.)進(jìn)行了室外環(huán)境下的運動目標(biāo)跟蹤研究，但是其研究環(huán)境較為理想，沒有樹木或其它障礙物。文獻(xiàn)(Y.Liu,Q.Wang,H.Huand Y.He.A Novel Real-Time Moving Target Tracking and Path Planning Systemfor a Quadrotor UAV in Unknown Unstructured Outdoor Scenes,IEEE Transactionson Systems,Man,and Cybernetics:Systems.)研究了四旋翼在復(fù)雜樹林環(huán)境下跟蹤運動目標(biāo)的問題。其利用深度學(xué)習(xí)方法進(jìn)行目標(biāo)識別、分類與圖像跟蹤，但是項目只考慮了目標(biāo)的位置信息與路徑生成問題，沒有考慮運動目標(biāo)的狀態(tài)(位置、速度等)預(yù)測以及動態(tài)環(huán)境中的無人機(jī)軌跡生成中的動態(tài)約束、能耗等問題，這對于復(fù)雜環(huán)境中無人機(jī)對于機(jī)動目標(biāo)的長時跟蹤是不夠的。