：无人机地面目标跟踪系统的建模与控制!辛哲奎!方勇纯（南开大学机器人与信息自动化研究所天津）摘要对无人机地面目标跟踪系统进行了分析，并建立了各个子系统的数学模型，针对跟踪过程中可能导致目标丢失的两个关键问题———无人机的飞行轨迹和云台摄像机的控制，给出了一种轨迹规划与跟踪算法，该算法既可以使无人机与目标保持一定距离，又保证了无人机在飞行过程中机头始终朝向目标。此外，设计了一种云台摄像机控制方法，该方法利用无人机与目标的相对位姿和目标偏离图像中心的偏差作为反馈信息对云台摄像机进行控制。仿真结果表明本文所设计的无人机地面目标跟踪系统具有良好的性能。关键词无人机，目标跟踪，建模，云台控制引言近来，无人机（，）一直是一个非常活跃的研究领域。小型无人直升机具有在狭小空间和复杂环境中垂直起降和悬停等能力，这使其成为完成侦察、监视、追踪等任务的理想平台。无人机地面目标跟踪系统在民用、反恐防爆和军事打击等方面都有重要应用，得到了国际上的极大关注。地面目标跟踪系统是指在低空飞行的无人机上携带摄像机的云台运动控制系统，它利用摄像机获得的视觉信息，自动调整机载云台的旋转和俯仰角度，使被跟踪的地面移动目标始终保持在摄像机的图像中心，并将图像和位置信息传回地面指挥中心［］。在地面目标跟踪系统中，无人机、摄像机和目标三者均在运动，而无人机的控制技术还不是很成熟，因而系统存在很多研究难点。在文献［，］中，等人设计并实现了一种基于视觉的目标跟踪系统，他们通过将摄像机和相结合的方法来估计目标的位置，这种方法没有涉及机载云台运动的控制，跟踪的对象主要为静止物体。文献［，］的研究主要集中在由机载摄像机得到的目标图像对运动目标的位置和速度进行估计和滤波。文献［］针对跟踪目标运动的平滑性不够好，视频图像跳动、模糊以及目标丢失等问题，提出了一种基于仿生眼球运动的机载云台摄像机控制方法。从国内外的研究现状来看，无人机地面目标跟踪系统的研究尚处在发展阶段。本文首先对无人机地面目标跟踪系统进行分析，并对各个子系统建立了数学模型。然后，针对跟踪过程中可能导致目标丢失的两个关键问题———无人机的飞行轨迹和摄像机的姿态控制，提出了一种基于几何约束的方法来规划跟踪飞行轨迹，同时利用无人机的位姿和目标图像信息作反馈，设计了一种摄像机姿态控制方法，使得跟踪过程中目标始终位于图像的中心。在模块下对该轨迹规划方法和摄像机姿态控制方法进行仿真的结果验证了系统的跟踪性能。问题描述首先对无人机地面目标跟踪系统的工作过程作简单介绍，然后着重分析跟踪过程中可能导致目标丢失的两个关键问题：无人机的飞行轨迹和摄像机的姿态控制。无人机地面目标跟踪系统的整体结构如图所示。整个系统可以分为两部分：第一部分由视觉信息处理和摄像机姿态控制器组成，控制器根据目标图像等信息调整摄像机的姿态使目标始终位于摄像机的视野范围内，实现视觉跟踪。第二部分由无人机轨迹规划和机载飞行控制器组成，即首先根据自身的飞行位姿和摄像机的姿态等信息估计目标的位置，然后规划飞行轨迹，最后控制无人机跟踪该轨迹——高技术通讯年第卷第期："!男，年生，博士；研究方向：无人机导航与控制，机器人视觉伺服；联系人，：（收稿日期：）国家自然科学基金（）、教育部“新世纪优秀人才支持计划”（）和天津市应用基础研究计划（）资助项目。万方数据实现目标跟踪飞行。图!无人机地面目标跟踪系统通过以上对无人机地面目标跟踪系统的分析，我们不难发现，在跟踪目标的过程中，目标相对无人机的位置完全由机载摄像机的图像计算得到。因此，如何规划并控制无人机的飞行轨迹以便摄像机能更好地跟踪目标，以及如何控制云台摄像机的姿态使得目标始终处在图像中心以避免目标丢失，成为无人机地面目标跟踪技术的两个关键问题。地面目标跟踪系统的运动学建模本节主要针对图中的无人机地面目标跟踪系统建立运动学模型，以便于随后的跟踪系统分析和控制器设计。在地面目标跟踪系统中，无人机利用摄像机捕捉到的图像信息来估计动态目标物体的运动状态，在此基础上，通过控制无人机的运动...
