[发明专利]一种基于图形矩的无人机地面移动目标追踪控制方法

说明书

本发明公开了一种基于图形矩的无人机地面移动目标追踪控制方法，包括如下步骤S1.搭建硬件平台：包括四旋翼无人机及其搭载的光学传感器、惯性测量单元；S2.根据给定位置的参考图像的特征信息，通过图形矩测算四旋翼无人机在当前位姿捕获的图像的特征信息；S3.根据步骤S2中测算得到的图像的特征信息与参考图像的特征信息之间的误差，使用惯性测量单元获取的姿态信息，实现惯性系3D空间的映射；S4.使用IBVS方法设计控制器，保持图像的特征信息收敛于给定位置的参考图像的特征信息，即实现目标追踪任务。本发明的方法避免位置估计过程中传感器和估计算法导致的测量误差，以达到更高的控制精度。

技术领域

本发明属于控制工程技术领域，特别是实现无人机的移动目标追踪任务，具体涉及一种基于图形矩的无人机地面移动目标追踪控制方法。

背景技术

无人机具有结构紧凑、价格低廉、体积小、质量轻的特点，有着广阔的军用和民用前景，是目前全球科技发展的热点话题。随着无人机的控制技术的发展，无人机的自主定位也就成为了无人机的关键技术之一。为了实现无人机的自主飞行，提高无人机完成任务的能力，自主定位对于无人机发展具有深远的意义。

传统组合导航能在无人机大部分自主飞行任务中起到很好的作用，但在一些特定环境中，例如室内、山区等无法稳定、精确获取GPS信息的场景，则会导致传统组合导航系统的失效。同时，基于数值测算的无人机导航系统也并不能很好地完成复杂场景的识别、重建等复杂任务，传统的组合导航方法已经无法满足日益增长的需求，视觉技术已成为导航研究中不可缺少的元素。

虽然无人机视觉导航领域已有较多的研究成果，但受应用环境和导航效果影响，依旧存在很多需要解决的关键问题。无论是从方法上区分为基于地面图形和基于自然环境的导航方式，还是从实现方式上区分为多传感器融合方案和单相机方案，都存在各自优势和缺陷，需要长期的研究和实践，才能做到兼顾实时性和性能，实现更好的导航与控制效果。

考虑无人机系统的复杂飞行环境，如何提升视觉导航控制器的精度。无人机往往会遇到复杂的飞行环境，在飞行过程中面临地效信息变化、飞行不稳定的问题以及受到光影环境的影响，如何设计导航和控制系统，使得无人机克服环境的变化，保证控制精度和鲁棒性，是本发明需要解决的问题。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开了一种基于图形矩的无人机地面移动目标追踪控制方法，不需要控制系统完成精确到目标位置估计和自身位置估计，而是通过无人机捕获的图像计算得到的状态信息设置控制器，避免位置估计过程中传感器和估计算法导致的测量误差，以达到更高的控制精度。

上述的目的通过以下的技术方案实现：

一种基于图形矩的无人机地面移动目标追踪控制方法，该方法包括如下步骤：

S1.搭建硬件平台：包括四旋翼无人机及其搭载的光学传感器、惯性测量单元；

S2.根据给定位置的参考图像的特征信息，通过图形矩测算四旋翼无人机在当前位姿捕获的图像的特征信息；

S3.根据步骤S2中测算得到的图像的特征信息与参考图像的特征信息之间的误差，使用惯性测量单元获取的姿态信息，实现惯性系3D空间的映射；

S4.使用IBVS方法设计控制器，保持图像的特征信息收敛于给定位置的参考图像的特征信息，即实现目标追踪任务。

进一步地，步骤S1中所述光学传感器采用针孔摄像头，其安装角度垂直于四旋翼无人机的机体，所述惯性测量单元的安装角度平行于所述四旋翼无人机的机体。

进一步地，步骤S2的具体方法为：