本发明专利技术公开了基于机器视觉的无人机目标跟踪系统及方法，涉及无人机相关领域，为解决现有技术中的随着无人机单次飞行时间的增加，扰动和时滞对无人机的影响越来越大，影响目标跟踪的问题。所述飞行控制单片机与飞行模拟模块双向数据连接，所述飞行模拟模块的输入端与姿态动力学模型建立模块的输出端连接，所述飞行控制单片机的输入端与A/D转换器的输出端连接，所述A/D转换器的输入端与分别与加速度传感器、陀螺仪和气压高度计的输出端连接，所述飞行控制单片机的输出端与位置控制器的输入端连接，所述位置控制器的输出端与飞行驱动电机的输入端连接，所述飞行驱动电机的输出端与飞行旋翼的输入端连接。
【技术实现步骤摘要】
基于机器视觉的无人机目标跟踪系统及方法
本专利技术涉及无人机相关领域，具体为基于机器视觉的无人机目标跟踪系统。
技术介绍
机器视觉是人工智能正在快速发展的一个分支。简单说来，机器视觉就是用机器代替人眼来做测量和判断。机器视觉系统是通过机器视觉产品(即图像摄取装置，分CMOS和CCD两种)将被摄取目标转换成图像信号，传送给专用的图像处理系统，得到被摄目标的形态信息，根据像素分布和亮度、颜色等信息，转变成数字化信号；图像系统对这些信号进行各种运算来抽取目标的特征，进而根据判别的结果来控制现场的设备动作。机器视觉是一项综合技术，包括图像处理、机械工程技术、控制、电光源照明、光学成像、传感器、模拟与数字视频技术、计算机软硬件技术(图像增强和分析算法、图像卡、I/O卡等)。机器视觉系统最基本的特点就是提高生产的灵活性和自动化程度。在一些不适于人工作业的危险工作环境或者人工视觉难以满足要求的场合，常用机器视觉来替代人工视觉。旋翼无人机，是一种多个旋翼轴的特殊的无人驾驶直升机，由于其作为飞行机械可以辅助完成多种工作，例如电力巡线、救灾探测、勘探测绘、人员搜救、快递流物等行业，由于其自动行驶的特性，无人机上搭载机器视觉系统，以配合不同工作的工作需要。无人机飞行时具有扰动和时滞的问题，随着无人机单次飞行时间的增加，扰动和时滞对无人机的影响越来越大，对于无人机目标跟踪不利；因此市场急需研制基于机器视觉的无人机目标跟踪系统来帮助人们解决现有的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供基于机器视觉的无人机目标跟踪系统，以解决上述
技术介绍
中提出的随着无人机单次飞行时间的增加，扰动和时滞对无人机的影响越来越大，影响目标跟踪的问题。为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：基于机器视觉的无人机目标跟踪系统，包括飞行控制单片机，所述飞行控制单片机与飞行模拟模块双向数据连接，所述飞行模拟模块的输入端与姿态动力学模型建立模块的输出端连接，所述飞行控制单片机的输入端与A/D转换器的输出端连接，所述A/D转换器的输入端与分别与加速度传感器、陀螺仪和气压高度计的输出端连接，所述飞行控制单片机的输出端与位置控制器的输入端连接，所述位置控制器的输出端与飞行驱动电机的输入端连接，所述飞行驱动电机的输出端与飞行旋翼的输入端连接，所述飞行模拟模块与飞行控制单片机的输入端与视频编码器的输出端连接，所述视频编码器的输入端与机器视觉模块的输入端连接，所述机器视觉模块包括图像捕捉模块，所述飞行模拟模块与飞行控制单片机的输入端与卫星定位模块的输出端连接，所述卫星定位模块的输入端与定位卫星的输出端连接；其中，姿态动力学模型建立模块，用于建立初始姿态动力学模型和调整姿态动力学模型，实现对姿态动力学模型的建立和调整；飞行模拟模块，根据姿态动力学模型建立模块建立的姿态动力学模型进行飞行模拟，实现与实际飞行的飞行对比；飞行控制单片机，为无人机飞行程序的主要控制结构，实现飞行控制和飞行数据输出；位置控制器，为无人机飞行的直接控制结构，控制无人机飞行速度和飞行位置；飞行驱动电机，实现无人机的起飞和飞行；飞行旋翼，为飞行驱动电机输出轴的直接连接结构，实现转动飞行；加速度传感器，为感应无人机飞行加速度的主要结构，实现无人机加速度的测算；陀螺仪，为感应无人机飞行角度的主要结构，实现无人机飞行角度的感应测量；气压高度计，为感应无人机飞行至不同高度后外环境气压的结构，实现无人机飞行外部环境气压的感应；A/D转换器，为数据转换结构，实现数据转换后的数据传输；视频编码器，为视频编码结构，实现数据转换后的数据传输；机器视觉模块，用于无人机飞行的视觉感知，实现无人机的远程控制飞行；图像捕捉模块，用于无人机的图像捕捉，实现无人机飞行环境的远程获取；卫星定位模块，用于无人机的飞行定位，实现无人机目标跟踪飞行轨迹的记录和无人机飞行路径的规划；定位卫星，实现卫星定位模块的最终定位。优选的，所述位置控制器包括内环控制器和外环控制器；其中，内环控制器用于控制无人机的飞行速度，实现无人机飞行速度的控制；外环控制器用于控制无人机的飞行位置，实现无人机飞行位置的控制。优选的，所述姿态动力学模型建立模块建立初始姿态动力学模型为其中，φ、θ、ψ、x、y、z分别为旋翼无人机的俯仰角、滚转角、偏航角和位置；m为质量；g为重力加速度；Ix、Iy、Iz为相对机体坐标系的转动惯量；l为螺旋桨中心到四旋翼中心的距离；Ui(i＝1，2，3，4)为控制输入。优选的，所述姿态动力学模型建立模块在单次飞行后调整姿态动力学模型为其中，di(i＝1，2，3，4，5，6)为外部未知干扰；τ为未知时滞。优选的，所述机器视觉模块还包括光源模块、图形畸变处理模块和图像扭曲矫正模块。优选的，所述飞行模拟模块根据实际飞行数据调整姿态动力学模型建立模块建立的姿态动力学模型中数据，并重新模拟飞行，将模拟飞行路径发送至飞行控制单片机，飞行控制单片机根据模拟飞行路径实际飞行，并将实际飞行数据反馈给飞行模拟模块。优选的，所述无人机目标跟踪系统中还包括干扰观测器，干扰观测器对外界干扰进行估计和补偿，并通过滤波器估计姿态动力学模型建立模块姿态动力学模型虚拟控制输入的导数。优选的，所述未知时滞τ利用Pade逼近方法和一个中间变量来处理。进一步提供一种无人机目标跟踪系统的跟踪方法，包括如下步骤：通过飞行控制单片机发送命令至位置控制器，位置控制器控制飞行驱动电机工作，带动飞行旋翼转动，从而使无人机飞至空中；飞行至空中后，图像捕捉模块捕捉周围的环境，通过视频编码器发送给飞行模拟模块，卫星定位模块在定位卫星作用下发送位置给飞行模拟模块，飞行模拟模块接收实时的定位信息喝图像捕捉信息后在姿态动力学模型建立模块建立姿态动力学模型的基础上进行模拟，进行多次模拟飞行；同时飞行控制单片机发送命令至位置控制器，位置控制器控制飞行驱动电机工作，带动飞行旋翼转动进行飞行，实际飞行和预设模拟飞行同时进行，但是模拟飞行路径的时间有先后，实际飞行根据前一部分模拟飞行加上上次飞行时实际接收的图像捕捉模块捕捉的周围环境信息、卫星定位模块发送的定位信息、加速度传感器感应的加速度信息、陀螺仪感应的各种倾角信息、气压高度计测量的气压高度信息联合确定；根据模拟飞行的结果叠加上次飞行结构确定，一旦有扰动或者时滞问题出现，下次飞行时能够及时矫正，并将矫正结果作为飞行初始重新模拟飞行。在进一步的实施例中，所述飞行矫正的过程中，如果下次飞行和前次飞行属于同一飞行过程，则将同一路径分成若干段，从而分出不同飞行段，在每次飞行段开始前矫正下一短路段的飞行。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：1、该专利技术中，正式飞行跟踪目标前，图像捕捉模块捕捉周围的环境，通过视频编码器发送给飞行模拟模块，卫星定位模块在定位卫星作用下发送位置给飞行模拟模块，飞行模拟模块接本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.基于机器视觉的无人机目标跟踪系统，包括飞行控制单片机(3)，其特征在于：所述飞行控制单片机(3)与飞行模拟模块(2)双向数据连接，所述飞行模拟模块(2)的输入端与姿态动力学模型建立模块(1)的输出端连接，所述飞行控制单片机(3)的输入端与A/D转换器(10)的输出端连接，所述A/D转换器(10)的输入端与分别与加速度传感器(7)、陀螺仪(8)和气压高度计(9)的输出端连接，所述飞行控制单片机(3)的输出端与位置控制器(4)的输入端连接，所述位置控制器(4)的输出端与飞行驱动电机(5)的输入端连接，所述飞行驱动电机(5)的输出端与飞行旋翼(6)的输入端连接，所述飞行模拟模块(2)与飞行控制单片机(3)的输入端与视频编码器(11)的输出端连接，所述视频编码器(11)的输入端与机器视觉模块(12)的输入端连接，所述机器视觉模块(12)包括图像捕捉模块(13)，所述飞行模拟模块(2)与飞行控制单片机(3)的输入端与卫星定位模块(14)的输出端连接，所述卫星定位模块(14)的输入端与定位卫星(15)的输出端连接；/n其中，姿态动力学模型建立模块(1)，用于建立初始姿态动力学模型和调整姿态动力学模型，实现对姿态动力学模型的建立和调整；/n飞行模拟模块(2)，根据姿态动力学模型建立模块(1)建立的姿态动力学模型进行飞行模拟，实现与实际飞行的飞行对比；/n飞行控制单片机(3)，为无人机飞行程序的主要控制结构，实现飞行控制和飞行数据输出；/n位置控制器(4)，为无人机飞行的直接控制结构，控制无人机飞行速度和飞行位置；/n飞行驱动电机(5)，实现无人机的起飞和飞行；/n飞行旋翼(6)，为飞行驱动电机(5)输出轴的直接连接结构，实现转动飞行；/n加速度传感器(7)，为感应无人机飞行加速度的主要结构，实现无人机加速度的测算；/n陀螺仪(8)，为感应无人机飞行角度的主要结构，实现无人机飞行角度的感应测量；/n气压高度计(9)，为感应无人机飞行至不同高度后外环境气压的结构，实现无人机飞行外部环境气压的感应；/nA/D转换器(10)，为数据转换结构，实现数据转换后的数据传输；/n视频编码器(11)，为视频编码结构，实现数据转换后的数据传输；/n机器视觉模块(12)，用于无人机飞行的视觉感知，实现无人机的远程控制飞行；/n图像捕捉模块(13)，用于无人机的图像捕捉，实现无人机飞行环境的远程获取；/n卫星定位模块(14)，用于无人机的飞行定位，实现无人机目标跟踪飞行轨迹的记录和无人机飞行路径的规划；/n定位卫星(15)，实现卫星定位模块(14)的最终定位。/n...
【技术特征摘要】
1.基于机器视觉的无人机目标跟踪系统，包括飞行控制单片机(3)，其特征在于：所述飞行控制单片机(3)与飞行模拟模块(2)双向数据连接，所述飞行模拟模块(2)的输入端与姿态动力学模型建立模块(1)的输出端连接，所述飞行控制单片机(3)的输入端与A/D转换器(10)的输出端连接，所述A/D转换器(10)的输入端与分别与加速度传感器(7)、陀螺仪(8)和气压高度计(9)的输出端连接，所述飞行控制单片机(3)的输出端与位置控制器(4)的输入端连接，所述位置控制器(4)的输出端与飞行驱动电机(5)的输入端连接，所述飞行驱动电机(5)的输出端与飞行旋翼(6)的输入端连接，所述飞行模拟模块(2)与飞行控制单片机(3)的输入端与视频编码器(11)的输出端连接，所述视频编码器(11)的输入端与机器视觉模块(12)的输入端连接，所述机器视觉模块(12)包括图像捕捉模块(13)，所述飞行模拟模块(2)与飞行控制单片机(3)的输入端与卫星定位模块(14)的输出端连接，所述卫星定位模块(14)的输入端与定位卫星(15)的输出端连接；
其中，姿态动力学模型建立模块(1)，用于建立初始姿态动力学模型和调整姿态动力学模型，实现对姿态动力学模型的建立和调整；
飞行模拟模块(2)，根据姿态动力学模型建立模块(1)建立的姿态动力学模型进行飞行模拟，实现与实际飞行的飞行对比；
飞行控制单片机(3)，为无人机飞行程序的主要控制结构，实现飞行控制和飞行数据输出；
位置控制器(4)，为无人机飞行的直接控制结构，控制无人机飞行速度和飞行位置；
飞行驱动电机(5)，实现无人机的起飞和飞行；
飞行旋翼(6)，为飞行驱动电机(5)输出轴的直接连接结构，实现转动飞行；
加速度传感器(7)，为感应无人机飞行加速度的主要结构，实现无人机加速度的测算；
陀螺仪(8)，为感应无人机飞行角度的主要结构，实现无人机飞行角度的感应测量；
气压高度计(9)，为感应无人机飞行至不同高度后外环境气压的结构，实现无人机飞行外部环境气压的感应；
A/D转换器(10)，为数据转换结构，实现数据转换后的数据传输；
视频编码器(11)，为视频编码结构，实现数据转换后的数据传输；
机器视觉模块(12)，用于无人机飞行的视觉感知，实现无人机的远程控制飞行；
图像捕捉模块(13)，用于无人机的图像捕捉，实现无人机飞行环境的远程获取；
卫星定位模块(14)，用于无人机的飞行定位，实现无人机目标跟踪飞行轨迹的记录和无人机飞行路径的规划；
定位卫星(15)，实现卫星定位模块(14)的最终定位。
2.根据权利要求1所述的基于机器视觉的无人机目标跟踪系统，其特征在于：所述位置控制器(4)包括内环控制器(16)和外环控制器(17)；
其中，内环控制器(16)用于控制无人机的飞行速度，实现无人机飞行速度的控制；
外环控制器(17)用于控制无人机的飞行位置，实现无人机飞行位置的控制。
3.根据权利要求1所述的基于机器视觉的无人机目标跟踪系统，其特征在于：所述姿态动力学模型建立模块(...
【专利技术属性】
技术研发人员：段纳，苗珍，张正强，孟国华，张金慧，管连勇，
申请(专利权)人：南京科沃云计算信息技术有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32
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