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未知环境下基于视觉的无人机目标跟随与着陆方法研究
资料类别
  电子电工毕业论文(设计)
课程(专业)
  控制科学与工程
关键词
  卡尔曼滤波|视觉伺服
适用年级
  大学
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文件格式

  word
文件大小
  7612K
发布时间
  2018-09-28 19:28:00
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发布人   kj008

 内容简介:
   未知环境下基于视觉的无人机目标跟随与着陆方法研究,硕士学位论文,共70页,31211字。
   摘要
   无人机的目标跟随与着陆是提高无人机全自主飞行能力的重要研究内容。它不仅可以用于未知环境中的目标监视,还可以用于环境未知、着陆地点随时可能变换的无人机引导降落。基于视觉的无人机目标跟随与着陆方法以其成本低廉、精确度高、获取信息丰富等优点,成为近年来研究人员研究的热点问题之一。
   本文利用以单目相机为主要传感器的AR.Drone 2.0实验平台研究未知环境下无人机的目标跟随与着陆问题。本文的课题研究主要分为两个阶段:目标跟随阶段与着陆阶段。在目标跟随阶段,使用了射影几何方法建立相机与目标之间的相对坐标系,获取了目标在相机坐标系下的三维位置;然后利用PTAM算法建立了世界坐标系,获取了无人机在世界坐标系下的六自由度信息,利用坐标转换关系得到了目标在世界坐标系下的三维位置信息;接着利用卡尔曼滤波算法实现了对目标的速度估计,设计了目标丢失时的有效搜索方法;最后利用PID控制器控制无人机对目标的跟随。在着陆阶段,本文将基于视觉伺服的控制方法与基于射影几何的控制方法相结合,控制无人机着陆。
   本文解决了无人机目标跟随与着陆过程中会出现的一些问题。首先,将射影几何与PTAM算法结合使用解决了目标丢失时无人机位置信息也会丢失的问题。其次,使用了卡尔曼滤波算法实现了目标的速度估计,解决了目标从相机视野中消失时目标难以有效搜索的问题。然后,将视觉伺服与射影几何方法结合起来解决了目标残缺时射影几何定位失效的问题。最后,将目标跟随阶段与降落阶段结合起来,实现了无人机全自主目标跟随与着陆的全过程。
   本文通过实验分析了基于射影几何的单目视觉定位的“二义性”问题、验证了射影几何与PTAM算法的位置估计精度、以及卡尔曼滤波器的速度估计精度,最后分析验证了视觉伺服与射影几何相结合的着陆控制方法的有效性。
   主题词:目标跟随;着陆;无人机;射影几何;PTAM;卡尔曼滤波;视觉伺服
  
   目 录
   摘 要 i
   ABSTRACT ii
   第一章 绪论 1
   1.1 课题研究背景和意义 1
   1.2 国内外研究现状 2
   1.2.1 国外研究现状 2
   1.2.2 国内研究现状 5
   1.3 本文主要研究内容 5
   1.3.1 论文的主要工作 5
   1.3.2 论文的创新点 6
   1.3.3 论文的组织结构 7
   第二章 实验平台介绍及目标识别方法 8
   2.1 AR.Drone 2.0实验平台介绍 8
   2.1.1 硬件平台 8
   2.1.2 软件系统 9
   2.2 目标识别方法 12
   2.2.1 目标标志的选取 12
   2.2.2 一种基于神经网络分类器的目标识别方法 12
   2.2.3 一种基于霍夫变换的残缺目标识别方法 13
   2.2.4 目标识别算法实时性分析 14
   2.3 小结 15
   第三章 基于射影几何与PTAM的目标跟随与目标速度估计 16
   3.1 基于射影几何的目标在相机坐标系下的位置估计 16
   3.2 基于PTAM的相机与目标在世界坐标系下的位置估计 19
   3.2.1 基于PTAM的世界坐标系的建立 19
   3.2.2 目标在世界坐标系下的位置估计 21
   3.3 三维空间中基于卡尔曼滤波的目标速度估计 23
   3.4 实验结果与分析 25
   3.4.1 二义性问题实验结果与分析 25
   3.4.2 目标跟随控制律设计及精度分析 27
   3.4.3 PTAM算法的实时性分析 29
   3.4.4 基于PTAM的无人机位置估计精度分析 30
   3.4.5 基于卡尔曼滤波的速度估计分析 31
   3.5 小结 33
   第四章 基于射影几何与视觉伺服的无人机着陆方法 34
   4.1 基于射影几何的无人机着陆方法 34
   4.1.1 目标平面法向量“二义性”判别 34
   4.1.2 偏航角获取 36
   4.1.3 基于标志平面的世界坐标系的建立 36
   4.1.4 基于射影几何的无人机着陆控制器设计 38
   4.2 基于视觉伺服的无人机着陆控制 38
   4.2.1 基于视觉伺服的误差信号选取 38
   4.2.2 控制信号从图像平面到三维空间的转换 39
   4.2.3 基于视觉伺服的PID控制器设计 40
   4.2.4 射影几何与视觉伺服的结合 41
   4.2.5 目标跟随与着陆的过程设计 43
   4.3 实验结果与分析 44
   4.4 小结 46
   第五章 总结与展望 48
   5.1 总 结 48
   5.2 展 望 48
   致 谢 50
   参考文献 52
   作者在学期间取得的学术成果 56

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