【技术实现步骤摘要】
本专利属于计算机视觉与移动机器人的，特别是涉及面向倾斜目标的四旋翼无人机视觉伺服与自主目标搜索方法。
技术介绍
1、无人机在民用和商业领域得到了广泛的应用，近年来无人机飞行控制的研究持续活跃。无人机为现代社会和生活提供了摄影、检查、侦察、救援等先进方式。传统上，无人机在户外开放环境下依赖全球定位系统信号控制，限制了无人机在室内、山谷等许多地区的使用。另外，机载相机也经常被使用，它具有重量轻、体积小、精度高的特点，可以检测特定的目标并提供实时姿势信息。为了实现无人机的自主飞行控制，研究了机载相机的避障、路径规划、悬停、视觉伺服等技术。
2、视觉伺服是一种基于图像反馈的控制框架，其典型模式包括基于位置的视觉伺服(position-based visual servoing，pbvs)和基于图像的视觉伺服(image-based visualservoing，ibvs)。pbvs主要利用摄像机参数建立图像信号与视觉目标的映射关系，形成闭环反馈控制，而ibvs则直接利用图像信号操纵机器人系统的运动。然而，pbvs是在精确的摄像机标定和目标三维模型下对工作空间配置进行三维重建。另外，ibvs在保持目标在摄像机视场内的前提下，不需要目标几何信息，对摄像机参数具有鲁棒性。ibvs模式已广泛应用于机械手、飞行器和移动机器人。然而，为了解决四旋翼无人机的欠驱动和紧耦合约束，解决单目相机的深度不足问题，ibvs在四旋翼无人机上的应用仍需进一步研究。
3、研究人员对ibvs算法在四旋翼无人机上的应用进行了大量的研究。相关研究人
4、视觉同步定位与测绘技术发展迅速，其中单目视觉与惯性测量单元传感器集成形成视觉-惯性导航系统(vision-inertial navigation system，vins)用于无人机定位。由于两个传感器的特性互补，vins可以实现更高的精度和更好的鲁棒性，并被应用于无人机，特别是提供实时姿势信息。在vins方案中，(vision-inertial navigation systemmonocular，vins-mono)策略是一种鲁棒的通用单目视觉惯性状态估计器，它采用紧耦合框架，从未知状态鲁棒初始化。无人机应用的一个课题是在环境复杂、目标不确定的情况下进行自主目标搜索。无人机搜索任务主要有两种，一种是以最小成本在已知区域搜索一个或多个特定目标，另一种是控制无人机在未知区域进行最大覆盖搜索。值得注意的是，在大多数无人机ibvs研究中没有考虑到自主目标搜索，通常需要手动操作来观察视觉目标。
技术实现思路
1、本专利设计了一个包括起飞、目标搜索和ibvs阶段在内的集成的ibvs飞行系统。采用vins-mono策略和非线性几何控制器，用于无人机起飞和搜索阶段的飞行控制。无人机首先垂直起飞到预设的高度，然后根据给定的方向进行搜索，直到探测到视觉目标；无人机配备了双摄像头进行飞行，前摄像头采用vins-mono进行定位，而向下摄像头则发挥了目标搜索和视觉伺服的作用。为了处理随机倾斜的目标平面，利用单应性矩阵，将倾斜的目标平面转换为始终平行于虚拟图像平面的水平目标平面。在ibvs阶段，基于虚拟图像平面和反步技术设计了一种非线性控制器。通过李雅普诺夫稳定性分析，证明了ibvs控制器对闭环系统的全局渐近收敛性，该控制器形式简单，增益易于调优。
2、本专利的主要贡献在于两个方面：1)在实时估计无人机姿态时，采用机载双摄像机配置自动搜索视觉目标。2)利用单应性矩阵处理随机倾斜目标平面，并基于虚拟图像平面和反步技术设计了ibvs控制器。
3、本专利提出的基于自主目标搜索的四旋翼无人机视觉伺服包括：
4、第1：四旋翼无人机模型
5、为了对四旋翼无人机进行运动学和动力学建模，现对四旋翼进行合理假设：四旋翼是均匀对称的刚体，质量和转动惯量在飞行中不发生变换以及四旋翼只受重力和螺旋桨的升力。建立四旋翼运动学和动力学模型目的在于分析四旋翼在受到外力和外力矩的情况下其自身在空间中的位置和姿态的变换情况。
6、四旋翼无人机的动力学模型可以分为线速度和角速度部分：
7、
8、
9、
10、
11、f＝-u1e3+mgrte3 (5)
12、其中ξ(t)：＝[x(t)，y(t)，z(t)]t是在惯性坐标系下表示的无人机位置，v(t)：＝[vx(t)，vy(t)，vz(t)]t和w(t)：＝[wx(t)，wy(t)，wz(t)]t是分别是无人机在机体坐标系下的线速度和角速度。m为无人机质量，g为重力加速度，j为无人机惯性矩阵，e3：＝[0，0，1]t表示一个单位向量，τ(t)：＝[τx(t)，τy(t)，τz(t)]t是在机体坐标系下的转矩矢量，f(t)∈r3是沿轴的力输入向量，u1(t)为四个螺旋桨的总推力，sk(w(t))表示关于w(t)的反对称矩阵。四旋翼无人机的欧拉角矢量η(t)的变化与角速度矢量w(t)的变化之间的雅可比矩阵关系为：
13、
14、对于小角度的θ(t)和sinθ(t)＝θ(t)，和得到w(t)＝i3×3，然后得到
15、第2，目标搜索与单应性矩阵
16、第2.1，目标搜索
17、无人机上配备的视觉传感器为目标搜索提供了方便，这是无人机应用中涉及目标检测、提取和匹配的常见要求。在所提出的视觉伺服框架中，设计了一个双目相机，用于起飞和搜索阶段。
18、安装在无人机下方的摄像机起着搜索视觉目标的作用。当目标没有被检测到时，使用前向摄像机执行vins-mono策略，然后由姿态转换模块实时提供无人机姿态。采用无人机几何控制器进行运动控制。无人机在起飞阶段达到所需的高度，并在目标搜索阶段以给定的方向飞行。利用颜色识别算法检测目标，目标点指数由其在向下摄像机图像上的分布来确定。检测到目标后，控制系统切换到ibvs阶段，跟踪图像特征，进行无人机姿态控制。为了安全起见，如果在距离起飞位置一定距离内无法检测到视觉目标，无人机将本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种适用于基于自主目标搜索的四旋翼无人机视觉伺服，其特征在于包括以下步骤：
【技术特征摘要】
1.一种适用于基于自主目标搜索的四旋翼无...
【专利技术属性】
技术研发人员：李宝全，施林涛，陈永聪，师五喜，陈奕梅，
申请(专利权)人：天津工业大学，
类型：发明
国别省市：
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