[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

说明书

本发明公开了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，所述机架的上端活动安装有电机，所述电机的上端活动安装有螺旋桨，所述机架的上端固定安装有JetsonTX2板载计算机，所述JetsonTX2板载计算机的上端固定安装有pixhawk飞行控制器，所述机架的下端固定安装有单轴云台，所述单轴云台的下端活动安装有摄像机，该基于单轴云台的四旋翼无人机目标追踪系统，在算法中设置一个虚拟平面估计目标倾角，准确照在目标平面上使目标平面和摄像头成像平面平行，在当目标平面发生倾斜的时候，无人机可以自行判定目标倾角的大小然后调整云台的角度对目标进行追踪，以获得同等高度下目标的最大图像。在追踪侦测领域有巨大作用。也可在航拍领域进行广泛推广。

技术领域

本发明涉及无人机技术领域，具体为一种基于单轴云台的四旋翼无人机目标追踪系统。

背景技术

随着嵌入式技术，视觉处理技术和空气动力学领域的不断发展，无人机迎来了一个蓬勃发展的黄金时期，由仅仅用于飞行试验和航拍等任务逐渐扩展到了货物配送，电路设施检测，人员营救，环境探测，军事活动等领域，无人机的优势在于其活动灵活，具有空中优势还可搭配传感器获取更多信息。

无人机搭配视觉传感器和激光传感器等可以充分发挥其本身机动性强，获取信息多的特点。旋翼无人机较固定翼无人机而言，其机动性和灵活性都有了很大的提升，除此之外，它能够实现自由悬停、垂直起降等比较难的任务，旋翼无人机还可以实现低速低空平稳飞行，能够在隐蔽的空间里面执行任务、在很小的范围进行检测，因此旋翼无人机有更多的优势。

无人机最大的优势是搭配视觉传感器获取视觉信息对周围环境进行分析定位。视觉追踪是无人机应用的一个比较盛行的方向，可以跟踪目标进行拍摄或者抓取。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于单轴云台的四旋翼无人机目标追踪系统，以解决上述背景技术中提出针对追踪技术不完善，只能框选出目标对其位置进行追踪无法判别目标平面是否发生变化，对斜面上的目标追踪效果不佳的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于单轴云台的四旋翼无人机目标追踪系统，其步骤如下：

步骤S1:在此方法中我们一共使用四个坐标系，分别是世界坐标系(惯性坐标系)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}，我们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：