[发明专利]一种基于云台相机的固定翼无人机对快速运动目标的跟踪方法

说明书

本发明公开了一种基于云台相机的固定翼无人机对快速运动目标的跟踪方法，其步骤包括：步骤S1：将整个过程分为跟踪态、调整态、过渡态三种状态，位于跟踪态时无人机按照前期设计的控制器进行飞行；步骤S2：调整态时无人机切换盘旋方向，同时云台由一侧旋转到另一侧，继续对目标进行跟踪；过渡态则是为了根据无人机当前的状态，选择进入跟踪态还是调整态，避免无人机远离目标。本发明具有原理简单、适用范围广、能够提高其对快速运动目标的跟踪性能等优点。

技术领域

本发明主要涉及到无人机技术领域，特指一种基于云台相机的固定翼无人机对快速运动目标的跟踪方法。

背景技术

无人机执行目标跟踪任务是其重要应用之一，也是明确后续任务的基础。相比于其它类型的无人机，固定翼无人机具有航时长、速度快的特点，可用于对地面目标的持续跟踪。整个跟踪过程中，无人机先通过机载视觉传感器捕获地面上的目标，并借助目标检测算法获得特征点在图像上的坐标。在此基础上，传统方法多借助传感器的内外参数解算目标相对无人机的位置，进而在三维空间上进行控制律的设计。然而，由于解算环节误差较大，且固定翼无人机的飞行速度较快，因此对跟踪效果影响较大。进一步，由于地面目标多处于运动状态，而固定翼无人机如何通过自身的运动和云台的偏转使目标保持在视场内，也是要解决的关键问题之一。

由于固定翼无人机有最低飞行速度的限制，且飞行方向不具备任意性，因此在实现其对运动目标的跟踪上难度更大。参考文献[1]提出一种目标跟踪算法，通过估计目标的GPS坐标、速度和朝向，结合低成本的微型云台实现固定翼无人机对运动目标的跟踪。参考文献[2]通过对目标速度进行估计，应用L₁快速自适应估计器进行跟踪控制器的设计，并为固定翼无人机配备单个带云台的相机和高带宽的无线链路用于视频和命令的传输，从而实现其对运动目标的跟踪。参考文献[3]提出了一种框架，通过考虑不同的光照、计算限制及清晰度不足等因素，采用目标识别、目标定位、状态估计及无人机制导的步骤，实现了固定翼无人机对地面运动目标的跟踪。需要注意的是，这些控制方法都是先进行目标定位，进而利用状态估计等完成控制器的设计，以实现固定翼无人机对运动目标的跟踪。然而，由于固定翼无人机的运动速度较快，若定位误差较大，将对跟踪误差产生很大影响。基于此，参考文献[4]让云台朝向与无人机飞行方向夹角趋于90度，通过基于图像的视觉伺服方法，直接利用目标特征点变化速率进行控制器的设计，并验证了地面目标缓慢运动时跟踪控制的有效性。虽然这种方法省略了目标定位环节，但只针对运动速度较慢时的目标的跟踪。因此，如何结合无人机的机动特性设计跟踪策略，对于快速运动目标的跟踪至关重要。

目前使用的固定翼无人机对运动目标的跟踪控制方法主要存在以下两个缺点：