应用于姿态追踪的视觉无人机的开发

由于智能制造行业的发展需求,无人机的用途在无限扩大,同时也对无人机自主导航提出了极高的要求,以减少人为操作的干预。实现无人机姿态追踪功能是无人机自主导航的重要途径,而实现良好的无人机姿态追踪,不仅仅需要建立出色的姿态追踪算法,还要有恰当的无人机机械结构以及传感器设计阵列。现设计一种能应用于姿态追踪的视觉无人机,使其具有更轻便的结构与合适的传感器组合阵列。     

基于立体视觉的工件识别与定位系统研究

针对生产过程中工件等弱纹理目标的自动识别、定位问题,建立了基于立体视觉的工件识别定位系统,研究了基于改进形状描述符、轮廓矩特征、子轮廓的弱纹理目标识别算法,避免了局部不变量特征难以识别弱纹理目标的问题,应用对极线约束、双目测距原理及姿态计算方法完成目标的三维姿态估计。结合OpenCV视觉库及机器人控制系统实现工件识别定位实验系统的软件开发,经实验验证本系统能够实时准确地识别定位弱纹理工件并进行抓取。     

多旋翼无人机自适应DUKF姿态估计算法

为解决存在外部加速度和外部电磁场干扰的多旋翼无人机姿态估计问题,首先以四元数为参数建立姿态估计模型,然后使用一种解算精度高、计算量较小的衍生无迹卡尔曼滤波算法(DUKF),在量测更新阶段引入根据残差构造加速度计和磁力计的噪声协方差的自适应策略,提出一种基于DUKF的多旋翼无人机自适应姿态估计算法.通过使用PIX-HAW...     

机械手姿态识别的立体视觉匹配

为了提高机械手姿态识别的精度,提出了区域边缘线段立体匹配算法。该算法利用图像中包含边缘线段区域的颜色特性和边缘线段的几何特征进行线段匹配,其中,区域的颜色特征包括边缘线段的左右颜色和梯度方向,边缘线段的几何特征包括长度、方向和角度。由于充分利用了图像提供的颜色信息,特别是颜色梯度方向信息,使得边缘线段的匹配不仅依靠其自身的几何特征(如长度,方向和位置),而且依靠直线段所在图像区域的所有信息。因此,匹配的判据可以做得更准确。使用该算法进行机械手姿态识别实验,结果验证了该算法能够在复杂背景下识别机械手的姿态,识别精度高,其相对误差达到1.7%,该结果满足机械手在姿态识别中的精度要求。     

基于CFD的涵道风扇无人机姿态调整分析

无人机的发展近年来非常迅速,一种新型的涵道风扇无人机引起了人们越来越多的关注。涵道风扇无人机的姿态调整是其控制的一个关键点也是一个难点。针对所设计的涵道风扇无人机,利用流体力学分析软件FLUENT对其进行内部流场分析,建立仿真模型并进行网格划分,对旋翼叶片表面压力、速度变化进行仿真分析,最后得出最佳控制方案。     

应用抛物线运动估计摄像机姿态

根据抛物线运动特有的射影几何性质,提出了一种应用抛物线运动估计摄像机姿态的新方法。首先,计算不同位置自由落体运动轨迹在摄像机图像平面上投影直线的交点,并证明该交点即为地球重力方向的灭点。其次,使用Sampson近似计算抛物线运动轨迹在摄像机平面上的投影二次曲线方程。最后,在摄像机内参数已知的条件下,利用抛物线投影二次曲线中隐含的关于灭点和灭线的射影几何性质,完成摄像机姿态的估计。通过数值模拟和实际实验验证了提出算法的正确性和可行性。结果表明：与传统的棋盘估计方法比较,本文算法估计旋转矢量的轴平均误差为0.017 rad,角平均误差为0.007 rad,平移矢量方向的平均误差为0.071 rad。得到的结果显示该方法可以应用于计算机视觉中摄像机的姿态估计。     

大量程高精度三维姿态角测量系统设计

基于针孔成像和双矢量定姿原理,设计一种使用单图像传感器实现大量程高精度三维姿态角测量的方法.根据系统要求设计双基准平行光源,采用FPGA单芯片实时实现图像传感器的驱动成像、光斑的分割与质心定位及与USB之间的快速通信,通过光斑质心坐标计算得到双基准平行光源的方向矢量,根据双矢量定姿原理计算姿态敏感器的旋转矩阵,得到三维姿态角;根据针孔成像模型,建立姿态敏感器的内外参数统一标定模型,对测量系统进行标定,标定结果和测量实验表明,三维姿态角测量系统的视场范围达到19.6°×19.6°,俯仰角、偏航角、滚动角的精度达到9.9″、9.3″、80.2″.     

基于多判据的多目视觉手势立体姿态检测系统研究

为了精确识别人手姿态用于机器手控制,文中讨论一种基于计算机视觉的手势立体姿态检测的新方法.该方法利用多目视觉之间的配合,有效地解决了检测识别时手部关键节点互相遮档的关键问题.采用了自适应阈值分割、harris角点检测、外极线约束等几种合理、有效的点的匹配算法,对不同摄像机拍摄到的手部关键节点进行排序,这样不仅解决了特征...     

基于无人机的目标识别和追踪系统设计

基于无人机的目标识别和追踪近年来备受关注,其在军事和民用等领域应用前景广泛.为此,本文以开源四轴飞控系统作为原型,利用陀螺仪、加速度计互补滤波方式进行姿态运算,由OpenMV摄像头作为视觉模块,计算出目标与无人机之间的位置偏差值,通过串口通信返回反馈值到飞控端,飞控端通过串级PID算法输出值控制四个电机,最终实现无人机...     

基于视觉的三轴相交机械手姿态误差的计算与评价

针对工业生产中应用广泛的３个相邻关节轴交于一点的机器人手腔,把计算机视和机器人相结合,运用图像处理的方法来确定手腕的姿态误差,给出了具体的算法公式。还借助于文献（１０）的基于２－范数的刚体转动误差测度来评价机构性能的优劣。最后还给出实验结果证明了法的正确性。     

Adaptive compensation control for attitude adjustment of quad-rotor unmanned aerial vehicle

A compensation control strategy based on adaptive back-stepping technique is presented to address the problem of attitude adjustment for a quad-rotor unmanned aerial vehicle (QR- UAV) with inertia parameter uncertainties, the limited airflow disturbance and the partial loss of rotation speed effectiveness. In the design process of control system, adaptive estimation technique is introduced into the closed loop system in order to compensate the lumped disturbance term. More specifically, the designed controller utilizes “prescribed performance bounds” method, and therefore guarantees the transient performance of tracking errors, even in the presence of the lumped disturbance. Adaptive compensation algorithms under the proposed closed loop system structure are derived in the sense of Lyapunov stability analysis such that the attitude tracking error converge to a small neighborhood of equilibrium point. Finally, the simulation results demonstrate the effectiveness of the proposed controller.     

基于Pythagorean Hodograph曲线的无人机路径规划方法

本文主要针对无人机传统路径规划方法中存在着较少考虑稳定控制的缺点,提出了一种基于Pythagorean Hodograph曲线的无人机路径规划方法.本方法在对Pythagorean Hodograph (PH)曲线研究的基础上,利用遗传算法构建了给定起始点、终点以及起始方向、终点方向的两点间最短PH路径、稳定控制PH路径以及稳定最短PH路径.通过仿真,最短PH路径达到了与传统的最短Dubins路径距离相差2%的目的;稳定控制PH路径达到最平稳到达目标点的目的,稳定最短PH路径则综合考虑了路径最优且控制最稳定的目的.     

Experimental study on cascaded attitude angle control of a multi-rotor unmanned aerial vehicle with the simple internal model control method

This paper proposes a cascaded control structure and a method of practical application for attitude control of a multi-rotor Unmanned aerial vehicle (UAV). The cascade control, which has tighter control capability than a single-loop control, is rarely used in attitude control of a multi-rotor UAV due to the input-output relation, which is no longer simply a set-point to Euler angle response transfer function of a single-loop PID control, but there are multiply measured signals and interactive control loops that increase the complexity of evaluation in conventional way of design. However, it is proposed in this research a method that can optimize a cascade control with a primary and secondary loops and a PID controller for each loop. An investigation of currently available PID-tuning methods lead to selection of the Simple internal model control (SIMC) method, which is based on the Internal model control (IMC) and direct-synthesis method. Through the analysis and experiments, this research proposes a systematic procedure to implement a cascaded attitude controller, which includes the flight test, system identification and SIMC-based PID-tuning. The proposed method was validated successfully from multiple applications where the application to roll axis lead to a PID-PID cascade control, but the application to yaw axis lead to that of PID-PI.

     

无人机光电侦测平台目标定位误差分析

针对无人机光电侦测平台在目标定位过程中测量误差因素繁多、分析困难等问题,提出了一种基于多因素分析的误差建模与分析方法.在系统总体结构的基础上,根据目标从空间直角坐标系到光电传感器坐标系的映射关系,建立目标定位模型,以载机位置、姿态误差以及光电侦测平台转角、测距误差等9项因数为变量,推导出目标定位误差计算公式.采用飞行实验数据验证了该误差计算方法的有效性,并通过仿真实验分析了载机位置、姿态角误差、光电传感器方位角、高低角误差以及激光测距误差对目标定位精度的影响,同时指出实际应用中无人机测量点位置与目标定位精度的关系,载机高度越低、视轴指向角越大,目标定位精度越高.     

基于激光雷达的无人驾驶系统三维车辆检测

针对无人驾驶系统环境感知中的三维车辆检测精度低的问题,提出了一种基于激光雷达的三维车辆检测算法.通过统计滤波与随机抽样一致算法(Random Sample Consensus,RANSAC)实现地面点云分割,剔除激光雷达数据冗余点及离群点;改进3DSSD深度神经网络,利用融合采样提取点云中车辆语义信息与距离信息;根据特...     

无人机机载侦察视频的高效视频码率控制

提出了一种基于缓冲区状态及梯度算子的低延时高效视频码(HEVC)率控制方法,以解决现有的码率控制算法在无人机机载侦察系统中因比特分配不当引起的视频质量较差的问题。首先,利用剩余比特及缓冲区状态预分配帧层目标比特;然后,以视频中每帧各最大编码单元(LCU)的时空复杂度作为权重,预分配各LCU的目标比特;最后,通过R-λ模型获得目标比特下的编码参数,实现视频压缩编码,并完成模型参数更新。实验结果表明:在8 Mbps的带宽下,提出的算法使码率控制误差缩小到HM16.0的2/5,视频中图像质量波动范围降低到HM16.0的1/4以内。提出的方法有效抑制了帧间比特消耗波动,使得缓冲区占用量能在小范围内平稳波动,图像主观质量也得到了改善,更好地满足了机载侦察系统低延时的应用需求。     

遥测数据驱动的无人机飞行状态识别方法

无人机飞行状态的识别是无人机飞行状态分析必要的基础,可为无人机任务调度、智能维护维修和设计优化提供参考信息。无人机的遥测数据是对其飞行状态识别的重要依据,针对无人机遥测数据量大、各飞行状态持续时间不同、数据混有噪声、无法直接提供飞行意图信息等问题,提出一种基于切比雪夫特征提取和随机森林分类(Chebyshev-random forest,C-RF)算法的无人机状态识别方法。采用Chebyshev拟合法对遥测数据进行特征提取和降维,利用随机森林算法实现飞行状态的自适应分类。所提出方法将Chebyshev拟合系数计算简单、接近最佳拟合的优点与随机森林算法的训练速度快、分类准确率高和抗噪能力强等优点相结合,可覆盖无人机的各类样本且避免过拟合问题,实现了无人机飞行状态的有效识别。采用真实无人机遥测数据进行验证,总体识别准确率高于90%,少类样本亦可被准确识别,证明了所提出方法的有效性和实用性。     

某小型无人机螺旋桨静强度分析

螺旋桨作为无人机上的重要承载部件,性能直接影响无人机的安全.为研究桌小型无入机螺旋桨使用时的安全性,提出了一种简化的螺旋桨载荷分析方法,应用ANSYS分析软件对螺旋桨进行数值模拟,得到了螺旋桨叶的应力和应变响应.计算结果表明某小型无人机的桨叶静强度满足设计要求.     

微型UAV水面检测系统研究

针对微型无人自主飞行器(MUAV)自身特性,介绍了以航拍CCD高清摄像头、声纳高度计、无线数传电台等设备作为硬件平台,以多特征提取、数据融合作为水面识别算法的MUAV水面检测系统。以Voyage260型微型无人直升机作为实验平台,验证了该系统的实用性。     

基于DSP平台的微型UAV视觉系统

视觉系统是微型无人自主飞行器(UAV)的重要组成部分.一个完善的视觉系统可以完成航空拍摄、目标识别、视觉导航等多项任务.针对微型UAV固有的特点,选择DSP作为硬件处理平台,以随机Hough变换作为图像识别算法,详细介绍了如何构建一个微型UAV视觉系统.以RAPTOR 60级V2型直升机作为飞行平台,对该视觉系统的实用性进行了验证.