基于ORB的交叉双旋翼无人直升机视觉跟踪控制系统
作者:
作者单位:

1.天津工业大学机械工程学院,天津 300387;2.中北大学航空宇航学院,太原 030051;3.北京清航紫荆装备科技有限公司,北京 102101;4.南京航空航天大学航天学院,南京 211106;5.清华大学航空航天学院,北京 100084;6.内蒙古工业大学航空学院,呼和浩特 010051

作者简介:

通讯作者:

李京阳,男,博士,教授,博士生导师,E-mail:18911638156@163.com。

中图分类号:

V249

基金项目:

国家自然科学基金(11602123);内蒙古自治区杰出青年培育基金(2019JQ002)。


A Visual Tracking Control System for Intermeshing-Rotor Unmanned Helicopters Based on ORB
Author:
Affiliation:

1.School of Mechanical Engineering, TianGong University, Tianjin 300387, China;2.School of Aerospace Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China;3.Beijing TsingAero Armament Technology Co.,Ltd., Beijing 102101, China;4.College of Astronautics, Nanjing University of Aeronautics & Astronautics, Nanjing 211106, China;5.School of Aeronautics and Astronautics, Tsinghua University, Beijing 100084, China;6.School of Aviation, Inner Mongolia University of Technology, Hohhot 010051, China

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    摘要:

    为了使交叉双旋翼无人直升机在全球定位系统(Global positioning system, GPS)信号不稳定的情况下实现对目标的视觉跟踪,设计了一种交叉双旋翼无人直升机视觉跟踪控制系统。首先,设计了一种视觉模块,对跟踪目标进行图像处理,利用基于方向性快速的特征点检测和旋转BRIEF(Oriented FAST and rotated BRIEF, ORB)描述子特征匹配和矩形检测,获取跟踪目标的中心点像素坐标,通过相机模型和旋转矩阵解算出跟踪目标的中心点实际位置。然后,设计了一种跟踪控制模块,采用串级比例积分微分(Proportional-integral-derivative,PID)加前馈的控制结构,为了限制极限位置和最大加速度,位置控制中采用平方根控制器,姿态控制中设计了一种交叉双旋翼姿态控制机构。之后,通过飞控地面站搭建仿真环境,对添加视觉模块的飞行控制系统进行仿真验证,结果表明,无人直升机可以很好地跟踪到视觉模块输出的期望位置。最后,进行实验验证,在设定最大飞行速度为1 m/s的条件下,姿态角最大为8°左右,位置与期望位置之间的误差最大为0.08 m,可以实现交叉双旋翼无人直升机对目标的视觉跟踪。

    Abstract:

    To enable visual tracking of targets by intermeshing-rotor unmanned helicopters in the presence of unstable global positioning system(GPS) signals, a visual tracking control system for intermeshing-rotor unmanned helicopters is designed. Firstly, a vision module is designed to perform image processing on tracked targets, obtain the pixel coordinates of the center point of the tracked target using oriented FAST and rotated BRIEF(ORB) feature matching and rectangle detection. Thus, the actual position of the center point of the tracked target is solved by the camera model and the rotation matrix. Secondly, a tracking control module is designed with a serial proportional-integral-derivative(PID) plus feed-forward control structure. An open-square controller is used in the position control in order to limit the limit position and maximum acceleration, and an intermeshing-rotor attitude control mechanism is designed in the attitude control. Then, the simulation environment is built by the flight control ground station to simulate and verify the flight control system with the added vision module. The results show that the unmanned helicopter can track the desired position output from the vision module very well. Finally, the experimental validation is conducted under the conditions of the maximum flight speed of 1 m/s, the maximum attitude angle of about 8°, and the maximum error of 0.08 m between the position and the desired position. The experiment demonstrates that the proposed system can fulfill the visual tracking of the intermeshing-rotor unmanned helicopter for the target.

    参考文献
    相似文献
    引证文献
引用本文

席鹏航,李京阳,印明威,杨洪伟,宝音贺西.基于ORB的交叉双旋翼无人直升机视觉跟踪控制系统[J].南京航空航天大学学报,2023,55(6):966-976

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  • 收稿日期:2023-09-29
  • 最后修改日期:2023-11-30
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  • 在线发布日期: 2023-12-05
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