基于图像的二自由度云台系统关键技术研究

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1、中图分类号：TP23论文编号：102871516-S018学科分类号：081105硕士学位论文基于图像的二自由度云台系统关键技术研究研究生姓名吴松森学科、专业导航、制导与控制研究方向智能云台及目标跟踪指导教师冷雪飞副教授南京航空航天大学研究生院航天学院二О一六年三月NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofAstronauticsResearchontheKeyTechnologyofTwo-DOFPan-Tilt-ZoomSystemBasedonImageAThesisi

2、nNavigation,GuidanceandControlbyWuSongsenAdvisedbyLengXuefeiSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringMarch,2016承诺书本人声明所呈交的硕士学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部

3、或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本承诺书）作者签名：日期：________南京航空航天大学硕士学位论文摘要传统的电磁电机驱动的云台已经渐渐无法满足航空航天、安防监控、机器人等领域的应用需求，开发高定位精度、高动态性能、小型化的智能云台系统是突破瓶颈所亟待解决的问题。本文采用单个多自由度超声电机作为驱动，将图像技术引入云台闭环反馈，对轻小型云台的关键技术进行了深入研究。本文针对传统多自由度云台需要多个电机驱动以致大而笨重的弊端，以当今蓬勃发展且具有诸多优点的超声电机技术作为突破口，利用单个多自

4、由度的超声电机令云台实现绕两轴的直接驱动。本文提出的单定子塔形超声电机利用局部弯曲振动作为工作模态，利用摩擦力驱动负载转动。在对振子进行有限元分析和测振实验测定样机基本特性后，本文对云台系统整体建立机电耦合模型并进行了稳态输出特性的仿真。针对超声电机驱动云台系统中存在的参数时变、死区等非线性因素，选用模糊PID控制算法来提高控制效果。针对传统云台开环控制的缺陷，本文利用图像技术来实现云台系统闭环反馈。一方面，仅需要利用相机标定和基于SURF特征点匹配技术就实现了云台转角及转速输出的测定，省去了额外的位置传感器。另一方面针对位姿估算速度较慢的缺点，提出采用基于图像的视觉跟踪方

5、法进行闭环控制，对基于核函数的相关滤波器跟踪算法进行改进，得到了从特征融合及考虑尺度等方面改进的目标跟踪算法。实验结果显示改进算法实现了实时性和鲁棒性的双重平衡，更具有实用性。本文的研究表明利用超声电机进行驱动和图像技术闭环反馈来构建轻小型的智能云台系统方案是可行的，为后续研究提供理论依据与技术支持，同时也发现系统的结构设计与加工有待于深入优化。关键词：二自由度云台，超声电机，图像匹配，模糊PID控制，视觉跟踪I基于图像的二自由度云台系统关键技术研究ABSTRACTItisdifficultforthetraditionalpan-tilt-zoom(PTZ)systemd

6、rivenbyelectromagneticmotortomeetthegrowingdemandforsecuritymonitoring,robot,aerospaceandotherfields.Thekeybottleneckproblemishighpositioningaccuracy、highdynamicperformanceandminiaturizationofPTZsystem.ThispaperpresentedaPTZsystemdrivenbyasingleobelisk-shapedultrasonicmotor(USM),andmaderes

7、earchontheclosed-loopfeedbackcontrolalgorithmbasedonimagetechnology.Thispaperappliedasinglemultidegree-of-freedom(DOF)ultrasonicmotortodrivedirectlythePTZsystem,whiletraditionalschemeneedsseveralmotorstorealizemultipleDOFrotation.Theadvantagesofultrasonicmotor