【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及无人机目标跟踪与瞄准技术，特别是一种基于双目视觉的小微型无人机车辆目标瞄准系统。
技术介绍
1、随着信息化技术的发展，各类小微型无人机被广泛应用于安防监控、农业生产、工业、军事等各个领域。光电吊舱作为一种重要的无人机作业载荷，能够充分发挥出无人机载具具备的平台优势，完成对地面目标的识别、跟踪与瞄准，在跟踪摄影、地理测绘、消防安全、治安维护、电力巡检等领域具有重要的应用价值。
2、传统的光电跟踪瞄准控制接口复杂，设备的体积和重量都较大，适合作为船舶、大中型无人机以及车辆等平台的作业载荷。这类设备难以满足小微型无人机有限的载荷能力，严重限制了小微型无人机的行业应用，甚至会影响到无人机的飞行安全。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于提出一种基于双目视觉的小微型无人机车辆目标瞄准系统。
2、实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种基于双目视觉的小微型无人机车辆目标瞄准系统，其特征在于，包括双目相机、主控制器模块、电机驱动模块、俯仰轴电机、偏航轴电机、wi-fi模块和电源转换模块，其中：
3、双目相机搭载于小型无人机平台，用于采集场景中车辆目标的点云数据，并将采集到的车辆目标点云数据通过usb接口传输至主控制器模块；
4、主控制器模块负责接收双目相机输出的点云数据，解算得到俯仰轴电机和偏航轴电机的旋转角度，同时接收俯仰轴电机和偏航轴电机反馈的实时角度，以解算得到的俯仰轴电机和偏航轴电机的旋转角度为输入量，以角度编码器反馈至主控
5、电机驱动模块负责接收主控制器模块输出的pwm信号，并通过三相逆变电路驱动俯仰方向、偏航方向的电机旋转至主控制器模块解算得到的角度，以实现对车辆目标的瞄准；
6、俯仰轴电机和偏航轴电机均采用直流无刷电机，电机内部包含角度编码器，向主控制器模块反馈电机的实时角度；
7、wi-fi模块负责接收上位机下发的开机、关机指令，接收上位机下发的车辆目标的中心点坐标，并将主控制器模块获取的俯仰轴电机、偏航轴电机的角度通过wi-fi信号传输至外部上位机，供使用者掌握偏航轴电机和俯仰轴电机的实时角度数据；
8、电源转换模块负责将来自外部动力锂电池的+24v输入电源vin转换为双目相机、主控制器模块、电机驱动模块、俯仰轴电机、偏航轴电机、wi-fi模块所需的电压。
9、进一步的，主控制器模块采用搭载stm32h747的单片机，其中的m7内核用于完成点云数据处理、俯仰轴电机的角度解算、偏航轴电机的角度解算任务；m4内核负责接收电机反馈至主控制器的实时角度、控制wi-fi模块与上位机进行数据传输，以及通过foc控制算法生成用于控制电机驱动模块的pwm波；电机驱动模块反馈的电机角度数据通过spi接口传输至主控制器模块，wi-fi模块通过spi接口与主控制器模块通信，双目相机通过usb接口与主控制器模块进行通信。
10、进一步的，主控制器模块，具体实现过程如下：
11、a、处理点云数据
12、主控制器模块通过中值滤波剔除双目相机输出的点云数据中的异常值，设置中值滤波器的核大小为5；随后利用knn方法对剔除异常值后的点云数据进行聚类处理，得到车辆目标区域的点云集合；并根据车辆目标区域的点云数据中的横纵坐标距车辆目标中心点坐标的像素距离构建高斯权重矩阵，通过高斯权重矩阵对聚类处理后的车辆目标区域的点云数据(x,y,z)中的z分量进行加权平均处理，得到车辆目标与无人机的相对距离，其中高斯权重矩阵的具体形式为：
13、
14、式中，σ为高斯权重矩阵的方差，μ0和ν0分别为双目相机中车辆目标中心点的横纵坐标，μ和ν为双目相机中车辆目标区域点云数据的横纵坐标；
15、b、解算俯仰轴电机和偏航轴电机的旋转角度
16、主控制器模块根据俯仰轴电机、偏航轴电机与双目相机的位置关系、车辆目标与无人机的相对距离、车辆目标的中心坐标计算得到车辆目标相对于无人机在三维空间中的位置，通过平移矩阵和旋转矩阵将车辆目标在双目相机中的位置坐标变换至俯仰轴电机和偏航轴电机的坐标系中，并解算出电机的俯仰角θ和偏航角公式如下：
17、t＝[tx ty tz]t
18、
19、
20、
21、式中，t为双目相机的中心点与俯仰轴电机和偏航轴电机中心轴线的平移变换矩阵，tx、ty和tz分别为俯仰轴电机和偏航轴电机的中心轴线在双目相机中心点的x轴、y轴和z轴的平移量，r为俯仰轴电机和偏航轴电机的中心轴线在双目相机中心点x轴、y轴和z轴上的旋转变换矩阵，θx、θy和θz分别为俯仰轴电机和偏航轴电机的中心轴线绕双目相机中心点的x轴、y轴和z轴的旋转角度，rij表示矩阵r中第i行第j列的元素，xc和yc分别为车辆目标相对于双目相机中心点的横纵坐标；
22、c、foc控制算法
23、主控制器模块以解算出的俯仰角和偏航角作为输入量，以俯仰轴电机和偏航轴电机中的角度编码器反馈的电机角度为反馈量，通过pid控制器求取输入量和反馈量之间的偏差得到控制量，利用foc控制算法中的park逆变换和clarke变换将pid控制器输出的俯仰轴电机和偏航轴电机的控制量转换为pwm信号，并通过杜邦线将pwm信号传输至电机驱动模块。
24、进一步的，电机驱动模块包括隔离电路、三相逆变电路、逆变桥驱动电路以及电流采样电路，具体如下：
25、a、隔离电路
26、电机驱动模块中的隔离电路采用光耦器件进行电气隔离，由tlp2362光耦器件u2、u3、u4，ss8050三极管q1、q2、q3以及限流电阻r6、r7、r8组成，第一隔离光耦u2的1脚通过串联电阻r6接入到第二级电压变换电路输出+5v，第一隔离光耦u2的3脚接三极管q1的集电极端口，第一隔离光耦u2的5脚作为三相pwm波的u相连接至逆变桥驱动芯片u5的1脚，三极管q1的基极连接主控制器模块输出的u相pwm波，第二隔离光耦u3的1脚通过串联电阻r7接入到第二级电压变换电路输出+5v，第二隔离光耦u3的3脚接三极管q2的集电极端口，第二隔离光耦u2的5脚作为三相pwm波的v相连接至逆变桥驱动芯片u5的2脚，三极管q2的基极连接主控制器模块输出的v相pwm波，第三隔离光耦u4的1脚通过串联电阻r8接入到+5v，第三隔离光耦u4的3脚接三极管q3的集电极端口，第三隔离光耦u4的5脚作为三相pwm波的y相连接至逆变桥驱动芯片u5的3脚，三极管q3的基极连接主控制器模块输出的y相pwm波，第一隔离光耦u2的6脚、第二隔离光耦u3的6脚以及第三隔离光耦u4的6脚直接与第二级电压变换电路输出+5v连接，第一隔离光耦u2的4脚、第二隔离光耦u3的4脚、第三隔离光耦u4的4脚、三极管q1、q2本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于双目视觉的小微型无人机车辆目标瞄准系统，其特征在于，包括双目相机、主控制器模块、电机驱动模块、俯仰轴电机、偏航轴电机、Wi-Fi模块和电源转换模块，其中：
2.根据权利要求1所述的基于双目视觉的小微型无人机车辆目标瞄准系统，其特征在于，主控制器模块采用搭载STM32H747的单片机，其中的M7内核用于完成点云数据处理、俯仰轴电机的角度解算、偏航轴电机的角度解算任务；M4内核负责接收电机反馈至主控制器的实时角度、控制Wi-Fi模块与上位机进行数据传输，以及通过FOC控制算法生成用于控制电机驱动模块的PWM波；电机驱动模块反馈的电机角度数据通过SPI接口传输至主控制器模块，Wi-Fi模块通过SPI接口与主控制器模块通信，双目相机通过USB接口与主控制器模块进行通信。
3.根据权利要求1或2所述的基于双目视觉的小微型无人机车辆目标瞄准系统，其特征在于，主控制器模块，具体实现过程如下：
4.根据权利要求1所述的基于双目视觉的小微型无人机车辆目标瞄准系统，其特征在于，电机驱动模块包括隔离电路、三相逆变电路、逆变桥驱动电路以及电流采样电路，具体
5.根据权利要求1所述的基于双目视觉的小微型无人机车辆目标瞄准系统，其特征在于，电源转换模块采用了三级降压方案，第一级降压电路采用并行的双路降压BUCK将输入的+24V电压变换为+15V和+6V；第二级降压电路则分为两路，其中的一路通过线性稳压器将输入的+6V电压转换为+5V和+3.3V电压输出，供俯仰轴电机和偏航轴电机中的角度编码器、双目相机和主控制模块使用，另一路则利用开关电源芯片将+6V电压变换为+3.3V电压供Wi-Fi模块使用。第三级降压电路将第二级降压电路输出的+5V电压经由线性稳压电路转换为+3.3V输出，用于为电机驱动模块中的电流检测电路供电；
6.根据权利要求1所述的基于双目视觉的小微型无人机车辆目标瞄准系统，其特征在于，采用模块化设计，电机驱动模块和主控制模块的PCB板均采用双面板；电机驱动模块PCB板中的地平面被分割为GND、AGND和PGND，PGND通过大面积覆铜与GND连接，以减小PGND回路至地平面的阻抗；AGND和PGND之间则通过0欧电阻单点连接，以减小三相逆变电路中的开关拓扑结构引起的脉冲电流对电流采样电路地平面的影响；电机驱动模块PCB板中三相电接口部分的连线宽度为4mm，并通过开窗及镀锡方式提高走线的载流和散热能力；主控制器PCB板中的Wi-Fi模块被放置于板子上方且远离其他元器件，以防止信号传输过程被干扰。
7.一种基于双目视觉的小微型无人机车辆目标瞄准方法，其特征在于，基于权利要求1-6任一项所述的小微型无人机车辆目标瞄准系统，实现基于双目视觉的小微型无人机车辆目标瞄准。
...【技术特征摘要】
1.一种基于双目视觉的小微型无人机车辆目标瞄准系统，其特征在于，包括双目相机、主控制器模块、电机驱动模块、俯仰轴电机、偏航轴电机、wi-fi模块和电源转换模块，其中：
2.根据权利要求1所述的基于双目视觉的小微型无人机车辆目标瞄准系统，其特征在于，主控制器模块采用搭载stm32h747的单片机，其中的m7内核用于完成点云数据处理、俯仰轴电机的角度解算、偏航轴电机的角度解算任务；m4内核负责接收电机反馈至主控制器的实时角度、控制wi-fi模块与上位机进行数据传输，以及通过foc控制算法生成用于控制电机驱动模块的pwm波；电机驱动模块反馈的电机角度数据通过spi接口传输至主控制器模块，wi-fi模块通过spi接口与主控制器模块通信，双目相机通过usb接口与主控制器模块进行通信。
3.根据权利要求1或2所述的基于双目视觉的小微型无人机车辆目标瞄准系统，其特征在于，主控制器模块，具体实现过程如下：
4.根据权利要求1所述的基于双目视觉的小微型无人机车辆目标瞄准系统，其特征在于，电机驱动模块包括隔离电路、三相逆变电路、逆变桥驱动电路以及电流采样电路，具体如下：
5.根据权利要求1所述的基于双目视觉的小微型无人机车辆目标瞄准系统，其特征在于，电源转换模块采用了三级降压方案，第一级降压电路采用并行的双路降压buck将输入的+24v电压变...
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