《無人機自主跟蹤目標靶飛行研究》任務書本任務書下達給：級專業學生設計（論文）題目：一、畢業設計（論文）基本內容本論文選題主要研究由機器視覺系統定時定位目標靶位置與串級神經網絡PID算法結合的飛控系統實現無人機自主跟蹤目標靶飛行的目標。本文主要對以下幾個核心內容進行了研究：一是四旋翼無人機飛行控制系統基礎串級PID算法探究與實現；二是操縱嵌入式機械視覺體系在空中對方針靶辨認與定位的探討與實現；三是基于神經網絡PID的航位跟蹤算法的研究與實現；四是對比研究神經網絡PID與定參量PID在無人機目標靶跟蹤控制的優劣。二、基本要求1.在基于STM32微控制器與MPU6050陀螺儀與加速度計為核心器件的飛控板上，設計串級PID算法實現四旋翼無人機的受控起飛、降落、及其他平飛動作；2.利用Matlab對特定圓形純色方針靶點舉行辨認與位置檢測的仿真鉆研，并按照成果舉行算法優化，終究得出仿真算法流程；3.固定無人機在同一高度非傾斜狀態下，在基于ARMCortex-A53為處理器、OV5640為視覺感光元件的視覺開發測試平臺上，設計機器視覺算法實現對特定的圓形純色目標靶點的識別與位置檢測；4.建立并設計視覺與飛控間通信通道與機制；5.在飛控平臺上研究通過IMU姿態數據糾正圖像定位數據；6.設計神經網絡PID控制算法實現目標靶點跟蹤上的無人機位置控制；研究對比神經網絡PID控制算法與傳統固定參數PID控制算法在無人機目標靶點跟蹤上的優劣。三、重點研究的問題機器視覺的四旋翼無人機靶點跟蹤飛行控制系統設計，可以解決城市警力不足、打擊犯罪缺乏機動性、應急能力等問題。無人機的立體跟蹤，高空定位可以對此問題進行解決。在森林營救方面需要高效、全面的森林搜索，無人機跟蹤飛行控制系統可以大大縮減搜索時間、增大營救成功幾率。總體而言，無人機需要更全面的開發和利用。無人機的使用開發，現在只是起步階段，還有很大的創新空間。在未來無人機的使用將很大的推進社會發展和科技進步。本設計重點研究的問題，就是用改善算法和目標點跟蹤拍攝技術提高無人機的實用性和可靠性。設計四旋翼無人機基礎飛行串級PID控制算法、仿真研究機器視覺對目標靶的識別與定位算法、設計嵌入式機器視覺目標靶識別與定位算法、設計IMU數據糾正圖像傾斜畸變的算法與數據融合算法，也是我完成此設計所重點研究的問題，完成此設計對我的能力也是提高和鍛煉。四、主要技術指標本文采用改善PID算法和無人機視覺體系的BLOB算法以及霍夫變換算法來實現黑點定位和靶點定位，利用目標點跟蹤拍攝技術提高無人機的實用性和可靠性。設計四旋翼無人機基礎飛行串級PID控制算法、仿真研究機器視覺對目標靶的識別與定位算法、設計嵌入式機器視覺目標靶識別與定位算法、設計IMU數據糾正圖像傾斜畸變的算法與數據融合算法。此次設計綜合了無人機基礎飛行串級的PID控制算法和視覺體系定位的BLOB算法、霍夫變換算法等技術指標。五、其他要說明的問題本研究所設計的無人機基礎飛行串級的PID控制算法和視覺體系定位的BLOB算法、霍夫變換算法等技術指標，還存在深度研究的不足性，為此在畢業論文撰寫的過程中應及時和導師溝通交流，并增強相關文獻資料的閱讀能力，以解決相應問題。下達任務日期：年月日要求完成日期：年月日指導教師：

開題報告題目：學生姓名：學號：年月日一、文獻綜述1907年法國Breguet兄弟制造了第一架四旋翼飛行器，即Breguet-RichetGyroplaneNo.1，并在同年8月進行了第一次飛行試驗，但由于沒有設計飛行控制系統，因此飛行性能較差。1922年美國工程師GeorgeDeBothezat制造了一架大型四旋翼飛行器，該飛行器能實現拉力和方向的控制，相較于第一架四旋翼飛行器來說，其飛行性能有了很大提升，但由于其飛行性能達不到軍方要求，同時耗費的研究經費逐漸上升，因此該項目最終被擱置。1924年，經過上千次的飛行試驗，Omemichen四旋翼飛行器在穩定性和可控性上有了很大提升，其首次飛行高度達到360m，而其后飛行高度提升到525m，并且在7分40秒內完成了1km的閉環飛行.1956年，Convertawings公司的M.K.Adman設計了ConvertawingsModel四旋翼飛行器。該飛行器通過兩個發動機進行懸停和機動，并取得了試飛成功。但由于該四旋翼飛行器載重量、飛行速度、持續飛行和飛行距離等能力太弱，與傳統飛行器相比無法取得競爭優勢，因此進一步研究被迫停止.此后的幾十年間，由于當時慣性導航、動力系統等機上設備體積較大，且旋翼驅動相較于噴器機動的動力過小，導致四旋翼飛行器的有效載荷很小，與固定翼飛行器相比，四旋翼在各方面都沒有優勢，不能滿足當時的各類任務需求，因此相關的研究進展一直停滯不前。直到近十幾年，四旋翼飛行器通過采用新型動力源大幅提升了可裝載有效載荷的重量，而采用新型復合材料后四旋翼飛行器將具有質量更輕、強度更高的機體，MEMS技術的發展使得設備小型化趨勢越加迅速，重量只有幾克的MEMS慣性導航系統得以被開發運用，再加上現代飛行控制理論技術的突飛猛進，四旋翼飛行器的結構和性能有了極大的提高，同時，考慮到微小型飛行器相較于固定翼飛行器所具有的優勢，研制并發展微小型四旋翼飛行器成為目前各國商業公司的重點研究對象目前，國內外對四旋翼飛行器的研究主要以遙控航模、小型四旋翼以及微型四旋翼飛行器等為主.美國Draganflyer公司研制了可折疊遙控航模四旋翼飛行器（DraganflyerX8），主要用于進行航拍作業。其外型折疊尺寸為長70cm，高25.4cm，寬35.5cm；有效載荷800g，最大起飛重量2700g；可無負載飛行20min，最高飛行速度達到50km/h。DraganflyerX8的姿態增穩控制是通過3個壓電晶體陀螺儀進行控制的。瑞士洛桑聯邦科技學院開發了一種電動小型四旋翼飛行器OS4。該飛行器全長73cm，重約235g；采用Draganflyer的十字框架及旋翼，使用四個Faulhaber1724電機。測試人員通過飛行測試平臺分別采用PID控制、LQ控制、Backstepping控制、滑模控制等多種算法實現了姿態控制HMX4是賓夕法尼亞大學研制的小型四旋翼飛行器，通過基于Backstepping控制算法設計的控制器使飛行器能自主懸停，飛行器的位置和姿態通過一套基于地面和機載雙攝像頭的視覺定姿與定位系統測量，具有測量精度高的特點，從而使該飛行器適用于固定平臺自主起降、與地面多功能機器人進行協同作業等特殊任務。佐治亞理工大學研制的GTMARS系統是專門為執行火星探測任務所設計的CAD無人機系統，具有封裝折疊功能。旋翼半徑達0.92m，質量為20kg，最大可持續航行時間30min。此外，GTMARS登陸火星后，機構可自動展開，從而實現自主起降。微型四旋翼飛行器（MAV）也是目前研究人員著重研制的飛行器之一，其中以斯坦福大學研制的Mesicopter最為著名，采用了微型旋翼飛行器技術，并可進行多機協同任務。機身為方形框架；旋翼半徑為0.75cm；電機半徑為1.5mm，質量為325mg?，F已經研制出試驗樣機并試飛成功.國內方面對四旋翼飛行器展開研究的高校主要集中在哈爾濱工業大學、北京理工大學和南京航空航天大學等著名高校。而在企業方面，中國深圳大疆創新科技有限公司由于產品可靠性較高，已成為全球領先的無人飛行器研發商。大疆在2015年推出了phantom3四旋翼無人機，其飛行重量為1280g，最大飛行高度6000m，最大飛行時間23min，采用飛機與相機一體化設計，省去了繁瑣的接線過程，使用方便。選題的目的和意義機器視覺的四旋翼無人機靶點跟蹤飛行控制系統設計，可以解決城市警力不足、打擊犯罪缺乏機動性、應急能力等問題。無人機的立體跟蹤，高空定位可以對此問題進行解決。在森林營救方面需要高效、全面的森林搜索，無人機跟蹤飛行控制系統可以大大縮減搜索時間、增大營救成功幾率。總體而言，無人機需要更全面的開發和利用。無人機的使用開發，現在只是起步階段，還有很大的創新空間。在未來無人機的使用將很大的推進社會發展和科技進步。本設計的意義，就是用改善算法和目標點跟蹤拍攝技術提高無人機的實用性和可靠性。設計四旋翼無人機基礎飛行串級PID控制算法、仿真研究機器視覺對目標靶的識別與定位算法、設計嵌入式機器視覺目標靶識別與定位算法、設計IMU數據糾正圖像傾斜畸變的算法與數據融合算法，也是我完成此設計所需要的吃透的算法，完成此設計對我的能力也是提高和鍛煉。三、研究方案（框架）本文的研究方案如下：1.在基于STM32微控制器與MPU6050陀螺儀與加速度計為核心器件的飛控板上，設計串級PID算法實現四旋翼無人機的受控起飛、降落、及其他平飛動作；2.利用Matlab對特定圓形純色方針靶點舉行辨認與位置檢測的仿真鉆研，并按照成果舉行算法優化，終究得出仿真算法流程；3.固定無人機在同一高度非傾斜狀態下，在基于ARMCortex-A53為處理器、OV5640為視覺感光元件的視覺開發測試平臺上，設計機器視覺算法實現對特定的圓形純色目標靶點的識別與位置檢測；4.建立并設計視覺與飛控間通信通道與機制；5.在飛控平臺上研究通過IMU姿態數據糾正圖像定位數據；6.設計神經網絡PID控制算法實現目標靶點跟蹤上的無人機位置控制；研究對比神經網絡PID控制算法與傳統固定參數PID控制算法在無人機目標靶點跟蹤上的優劣。四、進度計劃（1）選題確