[发明专利]一种基于单轴云台的四旋翼无人机目标追踪系统

权利要求书

1.一种基于单轴云台的四旋翼无人机目标追踪系统，包括机架(4)，其特征在于：所述机架(4)的上端活动安装有电机(5)，所述电机(5)的上端活动安装有螺旋桨(6)，所述机架(4)的上端固定安装有Jetson TX2板载计算机(2)，所述Jetson TX2板载计算机(2)的上端固定安装有pixhawk飞行控制器(1)，所述机架(4)的下端固定安装有单轴云台(7)，所述单轴云台(7)的下端活动安装有摄像机(3)；

步骤S1:一共使用四个坐标系，分别是世界坐标系I＝{O_i,X_i,Y_i,Z_i}，机体坐标系B＝{O_b,X_b,Y_b,Z_b}，相机坐标系C＝{O_c,X_c,Y_c,Z_c}，虚拟坐标系V＝{O_v,X_v,Y_v,Z_v}，假设相机坐标系和机体坐标系的原点重合，虚拟坐标系下的虚拟图像平面是始终水平的，在机体坐标系下的无人机的运动学方程如下:

F＝-U₁E₃+mgR^Te₃

其中ζ代表的是世界坐标系下的位移，R表示的是从机体坐标系到世界坐标系的转换矩阵，上述的第二个公式表示的是转换矩阵的求导公式，第三个公式表示机体坐标系下无人机的加速度m表示的是无人机的质量，Ω表示无人机的角速度，F是机体坐标系下无人机所受的合力，J是无人机的转动惯量，第四个公式是无人机旋转方向上的运动公式，τ是作用在无人机上的转矩，第五个公式表示的是无人机在机体坐标系下所受到的合力；

步骤S2:在虚拟坐标系计算完偏角并且云台调整完之后在相机坐标系下基于backstepping控制法的无人机控制率如下：

一共经过三层的推导，第一层是以速度为控制量，第二层是以力为控制量，第三层是以力的导为控制量，上式是经过backstepping推导计算得到的最终结果，其中表示的是推力的导数，sk(·)表示反对称矩阵，e₃表示三维列向量[0,0,1]^T，并且q₁，q₂，q₃是backstepping方法中每一步的控制量误差，是构建速度观测器时q₁的测量值和估计值之差，z^*是高度的期望值，c₁，k₁，k₂，k₃，k₄，k₅是控制参数，偏航控制的控制率为其中Ω₁和Ω₂是无人机的俯仰、横滚角速度；

步骤S3：所使用的虚拟平面是水平的一个平面，世界坐标系，相机坐标系，虚拟坐标系，机体坐标系的关系如下：

I＝R_PR_ψV＝R_ψC＝R_ψR_θR_φB

其中I是世界坐标系，B是机体坐标系，C是相机坐标系，V是虚拟坐标系，相机坐标系和世界坐标系之间平行只相差一个偏航的误差，R_P是虚拟坐标系与相机坐标系之间的变换矩阵只有一个俯仰变化；

步骤S4：判别世界坐系下目标平面的偏角其方法如下：

追踪的目标至少可以是四个特征点，假设这四个特征点分别是位于正方形的四个角上，当目标处于水平的平面上，虚拟坐标系下四个特征点也应该是两两之间距离相等的，目标点在虚拟平面下的横纵坐标分别是u₁,v₁，u₂,v₂，u₃,v₃，u₄,v₄，首先求虚拟平面下四个边的长度：

然后比较相对的一对边与另一对边的长短，即比较A+C和B+D，当A+C大于B+D则表示目标平面是在俯仰方向产生了倾斜，反之则是图像平面在横滚方向产生了倾斜，至于目标倾斜角的正负，由于通过摄像机透视法则，离摄像头近的在图像平面中会比里的远的大，则是需要直接比较相对的两个边的大小，当A＞C时表示目标的偏转角为正，此时控制单轴云台向机头方向偏转，相机平面与目标平面平行，角度的计算是

步骤S5：对于无人机控制信息获取如下：在相机坐标系下的特征点位置信息是：对于位置信息的微分如下：

其中是相机坐标系相对于惯性坐标系的线速度，v＝[^cv_x^cv_y^cv_z]是在相机坐标系下的线速度，根据相机透视法得到像素坐标系下点的坐标：可以根据上式得到像素坐标的导如下：

然后计算特征点坐标的平均值，并且使用图像矩来控制无人机的追踪动作，特征点平均坐标是：a＝^cμ₂₀+^cμ₀₂，

设置a^*是a的理想值，控制位移和偏航的图像矩为：

步骤S6：在backstepping控制法下进行仿真实验，验证追踪方法的有效性。