低空跟蹤地面目標(biāo)的機(jī)載云臺(tái)運(yùn)動(dòng)仿生控制.pdf

1、地面目標(biāo)低空跟蹤系統(tǒng)指的是這樣一種系統(tǒng)：在低空飛行的無人機(jī)上，攜帶攝像機(jī)的云臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)利用攝像機(jī)獲得的視覺信息，自動(dòng)調(diào)整機(jī)載云臺(tái)的旋轉(zhuǎn)和俯仰角度，使被跟蹤的地面移動(dòng)目標(biāo)始終保持在攝像機(jī)的圖像中心，并將圖像和位置信息傳回地面指揮中心。它是一個(gè)典型的光機(jī)電一體化系統(tǒng)，涉及圖像處理、計(jì)算機(jī)視覺、自動(dòng)控制、機(jī)械、電子、模式識(shí)別等諸多領(lǐng)域，可廣泛應(yīng)用于交通監(jiān)管、車輛追蹤、災(zāi)害救援等場(chǎng)合，具有廣闊的應(yīng)用前景。 地面目標(biāo)低空跟蹤系統(tǒng)中，無

2、人機(jī)、攝像機(jī)和目標(biāo)三者均在運(yùn)動(dòng)。目前，系統(tǒng)的研究焦點(diǎn)集中在圖像處理方面，而機(jī)載云臺(tái)的控制方法一般是負(fù)反饋控制。跟蹤過程中，容易因無人機(jī)的飛行姿態(tài)變化引起攝像機(jī)視野偏離，導(dǎo)致目標(biāo)丟失，或因無人機(jī)的飛行速度高而引起圖像模糊，或因云臺(tái)的速度波動(dòng)大，導(dǎo)致圖像跳動(dòng)，不能連續(xù)穩(wěn)定地跟蹤目標(biāo)。 在機(jī)器人技術(shù)的研究中，仿生技術(shù)日益受到關(guān)注。在對(duì)運(yùn)動(dòng)物體的跟蹤方面，人眼具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。人眼具有許多特殊的功能，如前庭動(dòng)眼反射能自動(dòng)快速補(bǔ)償因頭部運(yùn)動(dòng)

3、引起的視線偏離，視動(dòng)反射使人能看清運(yùn)動(dòng)背景里的物體，人眼的平滑追蹤運(yùn)動(dòng)能使視線平滑地跟蹤注視目標(biāo)，等等。這些功能是由眼球運(yùn)動(dòng)中不同的運(yùn)動(dòng)形式實(shí)現(xiàn)的。人眼的這些功能為解決地面目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)中上述機(jī)載云臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制的問題提供了啟示。解剖學(xué)家、生理學(xué)家對(duì)眼球運(yùn)動(dòng)的神經(jīng)信號(hào)傳遞回路的充分研究和國內(nèi)外眼球運(yùn)動(dòng)控制的仿生研究為機(jī)載云臺(tái)運(yùn)動(dòng)的仿生控制研究提供了堅(jiān)實(shí)的研究基礎(chǔ)和理論依據(jù)。 本論文從仿生的角度出發(fā)，根據(jù)人眼生理學(xué)和解剖學(xué)的基本特性和構(gòu)

4、造，利用現(xiàn)代控制理論來分析眼球運(yùn)動(dòng)控制神經(jīng)系統(tǒng)，在建立了眼球三維運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上，將其應(yīng)用到地面目標(biāo)低空跟蹤系統(tǒng)的機(jī)載云臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，對(duì)機(jī)載攝像機(jī)和無人機(jī)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，將眼球的前庭動(dòng)眼反射應(yīng)用到自動(dòng)補(bǔ)償因無人機(jī)姿態(tài)變化引起的攝像機(jī)光軸偏離，將眼球的視動(dòng)反射應(yīng)用到高速運(yùn)動(dòng)背景里的目標(biāo)跟蹤，將眼球的平滑追蹤運(yùn)動(dòng)應(yīng)用到攝像機(jī)對(duì)地面目標(biāo)的平滑跟蹤，盡量使機(jī)載攝像機(jī)象人眼一樣，連續(xù)、平滑、清晰、穩(wěn)定地跟蹤目標(biāo)。本論文的研究工作主要有：

5、 1.首先，對(duì)國內(nèi)外地面目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)的研究方法和現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，分析和總結(jié)了現(xiàn)有系統(tǒng)的不足;然后，綜述了國內(nèi)外眼球運(yùn)動(dòng)仿生控制研究的方法、進(jìn)展和現(xiàn)狀，總結(jié)了研究的特點(diǎn)； 2.在人眼生理學(xué)和解剖學(xué)研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)控制眼球運(yùn)動(dòng)的神經(jīng)回路，利用現(xiàn)代控制理論建立了能實(shí)現(xiàn)前庭動(dòng)眼反射、視動(dòng)反射、平滑追蹤運(yùn)動(dòng)和復(fù)合運(yùn)動(dòng)的單眼眼球一維運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)模型； 3.在眼球一維運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)目標(biāo)三維運(yùn)動(dòng)與相應(yīng)的眼球運(yùn)動(dòng)之

6、間的關(guān)系，以及人的頭部繞三個(gè)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，半規(guī)管與前庭眼動(dòng)反射之間的關(guān)系，建立了單眼眼球三維運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)模型； 4.對(duì)本論文建立的眼球運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)模型在與生理學(xué)實(shí)驗(yàn)相同的條件下，用Matlab分別進(jìn)行了前庭動(dòng)眼反射、視動(dòng)反射和平滑追蹤運(yùn)動(dòng)及復(fù)合運(yùn)動(dòng)的仿真實(shí)驗(yàn)。仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)果與生理學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致，證明了本論文建立的眼球運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)模型是可行的。該模型根據(jù)頭部運(yùn)動(dòng)和目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的不同情況，可實(shí)現(xiàn)人眼的前庭動(dòng)眼反射、視動(dòng)反射、平滑追蹤運(yùn)動(dòng)

7、和復(fù)合運(yùn)動(dòng); 5.將本論文建立的眼球運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)模型用于云臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制，進(jìn)行了生理學(xué)實(shí)驗(yàn)類似條件下的前庭動(dòng)眼反射、視動(dòng)反射和平滑追蹤運(yùn)動(dòng)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明本論文建立的眼球運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)模型用于實(shí)際機(jī)電系統(tǒng)后能產(chǎn)生類似生理學(xué)上的前庭動(dòng)眼反射、視動(dòng)反射和平滑追蹤運(yùn)動(dòng)； 6.根據(jù)現(xiàn)代控制理論將本論文建立的眼球運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)模型離散化，以便用微處理器編程，實(shí)時(shí)控制機(jī)載云臺(tái)運(yùn)動(dòng)。然后，根據(jù)機(jī)載要求合作設(shè)計(jì)并構(gòu)建了云臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的硬

8、件平臺(tái)，同時(shí)完成了云臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的軟件編程工作； 7.建立了超小型無人旋翼機(jī)地面目標(biāo)低空跟蹤實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)，先后進(jìn)行了固定臺(tái)面實(shí)驗(yàn)、移動(dòng)導(dǎo)軌實(shí)驗(yàn)和野外跟蹤實(shí)驗(yàn)。經(jīng)過不斷調(diào)試和改進(jìn)，采用眼球運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)模型的機(jī)載云臺(tái)運(yùn)動(dòng)仿生控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)載攝像機(jī)和無人機(jī)的協(xié)調(diào)控制，機(jī)載攝像機(jī)能連續(xù)、穩(wěn)定、清晰地跟蹤地面移動(dòng)目標(biāo)； 8.為了對(duì)比采用眼球運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的仿生控制跟蹤系統(tǒng)與傳統(tǒng)的視覺反饋控制跟蹤系統(tǒng)的跟蹤效果，特別進(jìn)行了前庭動(dòng)眼反射、

9、視動(dòng)反射、平滑跟蹤三組對(duì)比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明采用眼球運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的仿生控制跟蹤系統(tǒng)的跟蹤效果優(yōu)于傳統(tǒng)的視覺反饋控制跟蹤系統(tǒng)。 本論文的特色和創(chuàng)新點(diǎn)主要有： 1.將具有人眼生理學(xué)特性的眼球運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)模型用于超小型無人機(jī)的機(jī)載云臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，用人眼的前庭動(dòng)眼反射補(bǔ)償因無人機(jī)振動(dòng)引起的視線偏離，用人眼的視動(dòng)性反射跟蹤運(yùn)動(dòng)背景里的目標(biāo)，用人眼的平滑性眼球運(yùn)動(dòng)使視線平滑地跟蹤目標(biāo)。采用眼球運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)模型的云臺(tái)運(yùn)動(dòng)仿生控制系統(tǒng)

10、考慮了無人機(jī)的飛行對(duì)機(jī)載攝像機(jī)的影響，實(shí)現(xiàn)了攝像機(jī)與無人機(jī)的協(xié)調(diào)控制； 2.在人眼生理學(xué)和解剖學(xué)研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)控制眼球運(yùn)動(dòng)的神經(jīng)回路，利用現(xiàn)代控制理論首先建立了能實(shí)現(xiàn)前庭動(dòng)眼反射、視動(dòng)反射、平滑追蹤運(yùn)動(dòng)和復(fù)合運(yùn)動(dòng)的單眼眼球一維運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)模型；進(jìn)而根據(jù)目標(biāo)三維運(yùn)動(dòng)與相應(yīng)的眼球運(yùn)動(dòng)之間的關(guān)系，以及人的頭部繞三個(gè)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，半規(guī)管與前庭眼動(dòng)反射之間的關(guān)系，建立了單眼眼球三維運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)模型； 3.目前眼球運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)模型都