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基于图像视觉的无人机载纯方位目标跟踪与导航技术研究

基于图像视觉的无人机载纯方位目标跟踪与导航技术研究

引用

作者：王荣梅南京理工大学

学位级别：硕士

基于图像视觉的纯方位目标定位跟踪是一种无源被动目标定位方法,其无需向外辐射能量,仅需被动地接收目标方位角度信息即可实现目标的定位跟踪,具有隐蔽性能好、抗干扰能力强、可靠性高等特点,因此成为当前目标跟踪的研究热点。目前,利... 详细信息

基于图像视觉的纯方位目标定位跟踪是一种无源被动目标定位方法,其无需向外辐射能量,仅需被动地接收目标方位角度信息即可实现目标的定位跟踪,具有隐蔽性能好、抗干扰能力强、可靠性高等特点,因此成为当前目标跟踪的研究热点。目前,利用观测器在绕飞状态下实现对目标的定位跟踪备受关注,主要包括目标状态估计和环航控制两部分,而当前已有的状态估计策略及环航控制策略在无法获取目标相对距离信息时,目标状态估计精度及环航控制精度较低,从而导致目标跟踪精度较低。针对上述问题,本文以四旋翼无人机为对象,通过视觉导航系统获取目标相对方位角信息,提出了一种基于纯方位角的虚拟交叉目标定位算法,并设计了一种目标状态估计策略及无人机环航控制策略,结合Kalman滤波算法实现目标状态的无偏估计,提高了目标定位跟踪精度。论文的主要工作如下:首先,对四旋翼无人机系统进行了总体设计,针对基于视觉的纯方位目标定位跟踪系统的功能需求,设计了四旋翼无人机控制系统以及视觉导航系统,并详细介绍了各个部分的具体功能。其次,针对纯方位目标定位导航系统中所需的目标方位角信息,本文采用树莓派及摄像头作为视觉导航系统,实现目标相对方位角度信息的获取。首先,通过摄像头捕获目标图像信息;其次,利用图像阈值化方法及形态学滤波方法实现目标的提取,获取目标的图像偏移量信息;然后,通过时间配准实现姿态角量测与图像采样时间的对齐,获取目标的偏移量,并根据坐标转换给出目标方位角度。通过对实际目标的图像跟踪实验,验证了本文所述算法能够提供精度较高的角度量测信息。然后,针对当前纯方位目标跟踪中存在的目标状态估计精度较低的问题,本文提出了一种结合Kalman滤波算法的虚拟交叉定位算法,并设计了一种状态估计策略,实现了目标状态的无偏估计。首先,利用目标估计策略实现对目标速度的粗估计,根据估计速度及无人机当前位置求解无人机的虚拟观测位置;然后,利用虚拟交叉定位算法获取目标的定位值;最后,利用Kalman滤波算法实现对目标状态的无偏估计。最后,针对当前纯方位目标跟踪下的无人机环航控制中存在的环航控制误差较大的问题,本文设计了一种环航控制策略,并利用目标状态的无偏估计值进行同步修正,保证环航半径控制误差渐近收敛于零。数值仿真及实验验证了算法的理论正确性和工程实用性,与已有的目标跟踪方法和环航控制策略相比,本文所提出的算法提高了目标状态估计精度及环航半径控制精度。

关键词：图像视觉纯方位角虚拟交叉定位 Kalman滤波

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基于纯角度目标定位的无人机环航跟踪系统研究

基于纯角度目标定位的无人机环航跟踪系统研究

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作者：桂欣颖南京理工大学

学位级别：硕士

纯角度目标定位方法是一种有效的被动跟踪策略,因为不需要对外发射信号,只需要获取观测平台与目标间的方位角信息就能对目标状态进行估计,所以具有隐蔽性强,抗干扰能力强等优势,近年来成为目标跟踪问题的研究热点。但由于角度量测与观... 详细信息

纯角度目标定位方法是一种有效的被动跟踪策略,因为不需要对外发射信号,只需要获取观测平台与目标间的方位角信息就能对目标状态进行估计,所以具有隐蔽性强,抗干扰能力强等优势,近年来成为目标跟踪问题的研究热点。但由于角度量测与观测平台和目标间的相对运动相关,目标运动状态有较大的随机性,因此纯角度目标定位方法中目标状态的可观测性以及估计精度都受到观测平台机动轨迹的影响。利用机载观测平台下,以目标为中心进行环绕机动并对目标进行跟踪,能够尽可能放大方位角变化率,一定程度上解决了纯角度目标定位方法的弱观测性。然而这种跟踪方式下如何实现对目标的快速定位、观测平台环航跟踪的效率提升以及跟踪中如何规避障碍物并保持对目标的跟踪而不间断又成为亟需研究的问题。为此本文以无人机为研究对象,提出了一种基于纯角度目标定位的无人机环航跟踪系统,提高了对目标状态的估计精度;分别讨论了无人机的最小飞行速率和最大环航半径的计算方法;提出一种改进的人工势场法路径规划,并将其用于无人机环航跟踪系统的避障问题。本文的主要工作如下:首先,针对已有的纯角度量测下的无人机环航跟踪系统中目标状态估计精度较低和控制策略收敛较慢的问题提出了目标状态估计策略和无人机环航控制策略。基于虚拟交叉定位方法提出一种结合Kalman滤波算法的目标状态估计策略,先通过目标估计策略获得对目标速度的粗略估计,使用这一速度估计解出无人机当前虚拟点位置,代入虚拟交叉定位算法获得对目标的位置估计,最终使用Kalman滤波算法获得对目标的无偏估计。通过分析无人机与目标间的相对运动特性,给出一种无人机环航控制策略,结合饱和控制,给出能使无人机快速收敛到期望轨迹的参数条件,并利用目标状态的无偏估计值进行同步修正,使环航半径控制误差渐近收敛于零。根据仿真实验可知,相较于已有的无人机环航跟踪系统,本文所提算法表现出更高的估计精度和更快的收敛速度。其次,为了降低无人机能耗,提高无人机的跟踪效率,分别提出了在给定环航半径下最小环航速率和在给定环航速率时最大环航半径的计算方法。分析了虚拟交叉定位算法中目标位置估计误差和方位角的量测误差对目标位置可观测性的影响,结合正态分布的性质,提出了最小环航速率和最大环航半径的计算方法,并对方位角变化量进行蒙特卡洛仿真实验,计算了在不同的条件下目标状态可观测的概率,仿真结果验证了所提理论的准确性。最后,为了使无人机在环航跟踪遇到障碍物时能切换机动轨迹进行避障,对人工势场法路径规划展开了研究。经典人工势场法规划路径容易陷入局部最小值的问题,结合模拟退火算法,提出一种改进后的路径规划算法。模拟退火算法以一定的概率接受恶化解,对周围环境随机试探,以摆脱局部最小值。对所获得的路径点进行优化,得到一条由直线段组成的优化路径,并将其用于控制无人机飞行。通过仿真实验可以得到无人机环航跟踪系统在切换至避障路径后能够保持对目标的跟踪。

关键词：无人机纯角度虚拟交叉定位路径规划

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