微小型無人飛行器(UAV)視覺導(dǎo)航半實(shí)物仿真系統(tǒng)
微小型無人飛行器的英文簡稱是UAV，是指尺寸非常小，在米級、亞米級的無人飛行器。目前世界各國都在加大對它的研究和探索力度。因?yàn)轶w積小，所以可以用在陸軍師、團(tuán)所屬偵察分隊(duì)，用于比較復(fù)雜的環(huán)境，例如戰(zhàn)場、山地、城區(qū)等，進(jìn)行目標(biāo)定位、火炮較射、戰(zhàn)場偵察等任務(wù)。換裝任務(wù)載荷后，還可執(zhí)行諸如救援搜素、航拍監(jiān)視、事故預(yù)警等任務(wù)。
近幾年，UVA的發(fā)展速度非?？?，已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于軍事和民用領(lǐng)域，而且隨著計(jì)算機(jī)視覺算法性能和計(jì)算機(jī)硬件性能的提高，基于計(jì)算機(jī)視覺導(dǎo)航成為無人飛行器導(dǎo)航領(lǐng)域研究熱點(diǎn)。一般情況下，UVA會使用一個組合的導(dǎo)航系統(tǒng)，由全球定位系統(tǒng)(GPS)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)構(gòu)成，GPS可以修正INS累計(jì)的誤差，而且當(dāng)GPS丟失信號時，INS的測量值會逐漸漂移直至發(fā)散。
UVA的視覺導(dǎo)航是飛行器利用圖像中的信息，控制飛行器飛向目標(biāo)區(qū)域，完成目標(biāo)的一個過程。它獲取圖像是利用傳感器，然后通過圖處理技術(shù)對圖像進(jìn)行處理，并結(jié)合其他的數(shù)據(jù)處理算法從中提取出飛行器的姿態(tài)角、滾轉(zhuǎn)速度等導(dǎo)航信息，最后將信息專遞回控制系統(tǒng)，控制UVA的飛向。
UAV視覺導(dǎo)航中最常用的視覺傳感器有CCD攝像機(jī)，因?yàn)槠湫畔⒇S富、成本低而且可靠性高。但是UAV在飛行過程中，因?yàn)閿z像機(jī)隨機(jī)體一同平移和旋轉(zhuǎn)，所以會出現(xiàn)視野范圍有限，目標(biāo)偏離攝像機(jī)的視野的情況。所以有一些研究為了解決這樣的情況，會在地面移動機(jī)器人平臺上，通過控制云臺改變攝像機(jī)的視野，使目標(biāo)可以始終位于圖像中心。
曾有人設(shè)計(jì)研究過一種云臺跟蹤控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，分析了基于視覺的UAV地面目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)的特性，驗(yàn)證了各種機(jī)載云臺控制方法的穩(wěn)定性及其實(shí)際跟蹤效果。但是由于此類實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的平臺相對而言比較復(fù)雜，搭建和攜帶不方便，所以應(yīng)用并不是很廣泛。
為應(yīng)對上述問題，本文作者設(shè)計(jì)并開發(fā)了一種無人飛行器視覺導(dǎo)航半實(shí)物仿真系統(tǒng)。本文將介紹該系統(tǒng)的原理和一些技術(shù)問題。該系統(tǒng)可用于模擬UAV在飛行過程中的姿態(tài)的變化，并通過視頻采集系統(tǒng)將圖像信息采集下來，進(jìn)行圖像處理，進(jìn)而進(jìn)行飛行器導(dǎo)航參數(shù)的解算。為了測試該仿真系統(tǒng)的有效性以及基于圖像中地平線的姿態(tài)提取算法的可行性，模擬飛行器的飛行動態(tài)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該系統(tǒng)的有效性以及圖像處理算法的可行性……
本文由北京理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院徐蓓蓓，關(guān)震宇，張赫，楊歡，李杰撰寫，具體可下載附件查看。
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