[发明专利]基于非奇异快速终端滑模的四旋翼无人机视觉伺服控制方法

摘要

本发明涉及飞行机器人控制技术领域，提供一种基于NFTSM的四旋翼无人机视觉伺服控制方法，实现在室内无GPS信号环境下，依靠机载相机和惯性测量元件实现对四旋翼无人机的飞行控制。本发明采用的技术方案是：基于NFTSM的四旋翼无人机视觉伺服控制方法，其包括如下步骤：利用安装在四旋翼无人机底部的摄像头采集图像信息，利用惯性测量元件获取无人机的姿态角及角速度信息；使用透视投影的方法来提取地面目标的特征点，来选取适当的图像特征；根据图像特征分别设计四旋翼飞行器的位置及姿态控制器，实现四旋翼无人机的自主飞行控制；仿真及实验验证。本发明实现了无人机在GPS信号缺失的环境下实现自主、精确飞行控制的目的。

主权项

1.一种基于NFTSM的四旋翼无人机视觉伺服控制方法，其特征在于，其包括如下步骤：S1、利用安装在四旋翼无人机底部的摄像头采集图像信息，利用惯性测量单元获取无人机的姿态角φ,θ,ψ及角速度信息；S2、使用透视投影的方法来提取地面目标的特征点，通过选取图像特征，并重新构建一个虚拟图像平面，来导出所述图像特征的视觉动态；选取用来控制位移运动的图像特征q为：q＝[q_x q_y q_z]^T，其中，符号T表示矩阵转置,v表示虚拟图像平面，(^vu_g,^vn_g)表示虚拟图像平面v中N个图像特征点(^vu_k,^vn_k),k∈{1:N}形成的凸状图像的形心坐标，a表示虚拟图像平面v中N个图像特征点(^vu_k,^vn_k)形成的凸状图像的面积，a_d是a的期望值,λ为摄像头的焦距；并且用来控制偏航角ψ的图像特征q_ψ为：其中，^vμ_ij表示虚拟图像平面v中N个图像特征点(^vu_k,^vn_k)形成的凸状图像的中心距，S3、根据图像动态分别设计四旋翼飞行器的位置及姿态控制器，利用步骤S2提取的图像动态q、q_ψ和给定的期望的图像特征设计非奇异快速终端滑模控制器，分别控制四旋翼无人机的位置和姿态，实现四旋翼无人机的自主飞行；以及S4、在仿真环境下，为四旋翼无人机设计视觉伺服控制系统，选取参数进行仿真，并对仿真结果进行分析；构建所述四旋翼无人机的视觉伺服数学模型和仿真平台，在所述仿真平台中形成目标轨迹，建立所述四旋翼无人机的六自由度运动模型，获得四旋翼无人机的仿真模型；在所述仿真模型的基础上，对控制器进行仿真及参数优化，实现预设的收敛性。