带悬绳负载的无人机视觉跟踪控制研究

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1、硕士学位论文带悬绳负载的无人机视觉跟踪控制研究STUDYONVISUALTRACKINGCONTROLOFUAVWITHASUSPENEDCABLELOAD崔健哈尔滨工业大学2018年1月国内图书分类号：TP242学校代码：10213国际图书分类号：621密级：公开工程硕士学位论文带悬绳负载的无人机视觉跟踪控制研究硕士研究生：崔健导师：陈浩耀副教授申请学位：工学硕士学科：控制科学与工程所在单位：深圳研究生院答辩日期：2017年12月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TP242U.D.C:621Adissertationsubmittedinpartialfulf

2、illmentoftherequirementsfortheacademicdegreeofMasterofEngineeringSTUDYONVISUALTRACKINGCONTROLOFUAVWITHASUSPENEDCABLELOADCandidate：CuiJianSupervisor：Assoc.Prof.ChenHaoyaoAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：ControlScienceandEngineeringAffiliation：ShenzhenGraduateSchoolDateofDefen

3、ce：December,2017Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工程硕士学位论文摘要随着科学技术的飞速发展，无人机飞行技术有了巨大的提升。无人机以其优良的性能，近年来在各种领域获得了广泛的应用。尤其是在民用领域，无人机承担了许多特殊环境下的作业工作，国家社会也投入了巨大的财力于无人机的相关研究。其中，无人机运输是无人机应用领域的重要分支。本文针对无人机运输任务展开研究。针对无人机-悬挂负载运输的问题，首先需要无人机可以控制无人机自身不受悬挂负载的摆动的影响并且可以主动调整无人机自身的姿态使得悬

4、挂负载的摆动快速减小，然后需要使得无人机-悬挂物系统在稳定飞行的情况下对运输的目的地进行长期有效的跟踪。针对以上设计要求，本文使用轻质悬绳连接负载，并在四旋翼无人机模型的基础上，使用欧拉-拉格朗日方程建立了无人机-悬挂物的联合动力学模型。并应用该模型设计了无人机-悬挂物姿态控制器。使用竖直向下的摄像头实时观测悬挂物，并使用融合卡尔曼滤波的CamShift跟踪算法对悬挂物进行实时跟踪。建立了相机-悬挂物几何模型，将CamShift算法跟踪得到的二维图像坐标转化为悬挂物相对于无人机的三维物理坐标。由于在运输过程中，无人机跟踪目标并非静止，因此针对这个问题，本文设计了基于TLD的视觉跟踪控制器

5、，利用TLD算法得到的目标信息作为参考输入，进而控制无人机飞行。由于悬挂负载会对无人机的控制产生严重干扰，因此本文在视觉伺服控制器的基础上，结合无人机-悬挂负载动力学模型，设计了无人机-悬挂物飞行控制器，其中包括无人机和悬挂负载的位置控制环、悬挂负载的姿态控制环及无人机的姿态控制环三部分。为了验证本课题提出的算法，本文在基于Gazebo仿真的基础上对整个系统进行了真实场景下的实验，搭建了硬件平台，首先在运动捕捉系统下进行了无人机-悬挂物控制器以及视觉追踪控制器的实验，分别验证了无人机-悬挂物的飞行控制以及无人机-悬挂物系统视觉追踪控制器的飞行控制。本文对无人机利用悬绳运输的探索与研究，对

6、这一方向的其他人的研究有重要参考作用。关键词：无人机-悬挂物控制器；相机-悬挂物模型；视觉追踪控制器；无人机运输-I-哈尔滨工业大学工程硕士学位论文AbstractWiththerapiddevelopmentofrobotictechnology,unmannedaerialvehicle(UAV)hasbeenwidelyusedinvariousfieldsinrecentyearsduetoitsexcellentperformance.UAVshaveundertakenmanyoperationsunderspecialcircumstances,especiallyinth

7、efieldofcivilaviation.LotsofcountriesandcompanieshaveinvestedhugeamountsofmoneyintheresearchofUAVs.UAVstransportationbecomesanimportantbranchintheUAVapplications.ThedissertationstudiesthetransportationcontrolbyusingaUA