四旋翼无人机视觉导航与轨迹跟踪

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1、硕士学位论文四旋翼无人机视觉导航与轨迹跟踪VISIONNAVIGATIONANDTRAJECTORYTRACKINGOFQUADROTOR邓兆森哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：V448.2学校代码：10213国际图书分类号：629.7密级：公开工程硕士学位论文四旋翼无人机视觉导航与轨迹跟踪硕士研究生：邓兆森导师：郭延宁副教授申请学位：工程硕士学科：控制工程所在单位：航天学院答辩日期：2018年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:V448.2U.D.C:629.7DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringVI

2、SIONNAVIGATIONANDTRAJECTORYTRACKINGOFQUADROTORCandidate：DengZhaosenSupervisor：AssociateProf.GuoYanningAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：ControlEngineeringAffiliation：SchoolofAstronauticsDateofDefence：June,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工程硕士

3、学位论文摘要随着计算机硬件技术和软件算法不断发展，四旋翼无人机在民用以及军事应用中扮演着越来越重要的角色，传统的导航手段和常规的控制方法已经无法满足四旋翼无人机日益复杂的任务需求。因此本文将从四旋翼无人机视觉导航算法和轨迹跟踪控制算法两个方面展开研究。本文分析了四旋翼无人机飞行机理，介绍了坐标系定义并推导了基于欧拉角和四元数的坐标变换方程，建立了四旋翼运动学和动力学模型；针对基于欧拉角模型中由位置环反解算期望欧拉角计算复杂并容易出现饱和的情况，提出的基于四元数无人机模型可以将位置环得到的期望加速度通过几何变换转化为期望的姿态四元数，简化了四旋翼无人机系统模型方程，为四旋翼无人机轨迹跟踪控制

4、系统设计建立了模型基础；同时设计了无人机视觉导航系统。针对四旋翼无人机GPS导航手段无法在信号被遮挡时精确定位问题，设计了基于L-K光流法目标检测算法，实现了对动态目标的检测；同时本文对目标跟踪算法进行了研究，介绍了Meanshift算法的原理，在此基础上实现了Camshift目标跟踪算法；针对传统Camshift算法在复杂环境背景下有相似颜色特征物体干扰，提出融合Kalman滤波的Camshift算法，避免了由短时遮挡导致的目标跟踪失败问题，提高了该目标跟踪算法的鲁棒性。针对常规控制算法无法抑制四旋翼无人机非线性模型不确定和外界干扰问题，本文对自抗扰控制算法进行了深入研究。首先分析了自抗

5、扰控制器各部分组成和作用，并对ESO(Extendedstateobserver)的稳定性进行了证明；提出了基于自抗扰的四旋翼无人机姿态解耦控制器，实现对四旋翼无人机姿态环的鲁棒控制；针对实际四旋翼无人机模型欠驱动、多通道耦合的特点，设计了基于四元数非线性模型方程的位置双闭环PID控制器和姿态线性自抗扰控制器(LADRC)的轨迹跟踪控制系统，实现对干扰的抑制以及对参考信号的精确跟踪，并与PID控制器进行了对比仿真分析，证明了所设计控制系统的有效性。本文最后搭建了四旋翼无人机视觉导航与轨迹跟踪硬件平台和软件平台并利用四旋翼无人机实际系统进行测试；利用开源的Pixhawk飞控系统完成四旋翼无人

6、机轨迹跟踪测试；结合所设计的视觉导航算法，实现四旋翼无人机光流悬停和目标跟踪。关键词：四旋翼无人机；视觉导航；L-K光流法；Camshift；Kalman；自抗扰控制(ADRC)；轨迹跟踪-I-哈尔滨工业大学工程硕士学位论文AbstractWiththecontinuousdevelopmentofcomputerhardwaretechnologyandsoftwarealgorithms,theroleofquadrotorUAVsincivilandmilitaryapplicationsisincreasinglyimportant.Traditionalnavigationmet

7、hodsandconventionalcontrolalgorithmshavebeenunabletomeettheincreasinglycomplexrequirementsofquadrotor’smission.Therefore,thispaperwillstudythequadrotorUAVvisionnavigationalgorithmandtrajectorytrackingcontrolalgor