《无人机跟踪问题研究任务书+开题报告（含文献综述）》

《无人机自主跟踪目标靶飞行研究》任务书本任务书下达给：级专业学生设计（论文）题目：一、毕业设计（论文）基本内容本论文选题主要研究由机器视觉系统定时定位目标靶位置与串级神经网络PID算法结合的飞控系统实现无人机自主跟踪目标靶飞行的目标。本文主要对以下几个核心内容进行了研究：一是四旋翼无人机飞行控制系统基础串级PID算法探究与实现；二是操纵嵌入式机械视觉体系在空中对方针靶辨认与定位的探讨与实现；三是基于神经网络PID的航位跟踪算法的研究与实现；四是对比研究神经网络PID与定参量PID在无人机目标靶跟踪控制的优劣。二、基本要求1.在基于STM32微控制器与MPU6050陀螺仪与加速度计为核心器件的飞控板上，设计串级PID算法实现四旋翼无人机的受控起飞、降落、及其他平飞动作；2.利用Matlab对特定圆形纯色方针靶点举行辨认与位置检测的仿真钻研，并按照成果举行算法优化，终究得出仿真算法流程；3.固定无人机在同一高度非倾斜状态下，在基于ARMCortex-A53为处理器、OV5640为视觉感光元件的视觉开发测试平台上，设计机器视觉算法实现对特定的圆形纯色目标靶点的识别与位置检测；4.建立并设计视觉与飞控间通信通道与机制；5.在飞控平台上研究通过IMU姿态数据纠正图像定位数据；6.设计神经网络PID控制算法实现目标靶点跟踪上的无人机位置控制；研究对比神经网络PID控制算法与传统固定参数PID控制算法在无人机目标靶点跟踪上的优劣。三、重点研究的问题机器视觉的四旋翼无人机靶点跟踪飞行控制系统设计，可以解决城市警力不足、打击犯罪缺乏机动性、应急能力等问题。无人机的立体跟踪，高空定位可以对此问题进行解决。在森林营救方面需要高效、全面的森林搜索，无人机跟踪飞行控制系统可以大大缩减搜索时间、增大营救成功几率。总体而言，无人机需要更全面的开发和利用。无人机的使用开发，现在只是起步阶段，还有很大的创新空间。在未来无人机的使用将很大的推进社会发展和科技进步。本设计重点研究的问题，就是用改善算法和目标点跟踪拍摄技术提高无人机的实用性和可靠性。设计四旋翼无人机基础飞行串级PID控制算法、仿真研究机器视觉对目标靶的识别与定位算法、设计嵌入式机器视觉目标靶识别与定位算法、设计IMU数据纠正图像倾斜畸变的算法与数据融合算法，也是我完成此设计所重点研究的问题，完成此设计对我的能力也是提高和锻炼。四、主要技术指标本文采用改善PID算法和无人机视觉体系的BLOB算法以及霍夫变换算法来实现黑点定位和靶点定位，利用目标点跟踪拍摄技术提高无人机的实用性和可靠性。设计四旋翼无人机基础飞行串级PID控制算法、仿真研究机器视觉对目标靶的识别与定位算法、设计嵌入式机器视觉目标靶识别与定位算法、设计IMU数据纠正图像倾斜畸变的算法与数据融合算法。此次设计综合了无人机基础飞行串级的PID控制算法和视觉体系定位的BLOB算法、霍夫变换算法等技术指标。五、其他要说明的问题本研究所设计的无人机基础飞行串级的PID控制算法和视觉体系定位的BLOB算法、霍夫变换算法等技术指标，还存在深度研究的不足性，为此在毕业论文撰写的过程中应及时和导师沟通交流，并增强相关文献资料的阅读能力，以解决相应问题。下达任务日期：年月日要求完成日期：年月日指导教师：

开题报告题目：学生姓名：学号：年月日一、文献综述1907年法国Breguet兄弟制造了第一架四旋翼飞行器，即Breguet-RichetGyroplaneNo.1，并在同年8月进行了第一次飞行试验，但由于没有设计飞行控制系统，因此飞行性能较差。1922年美国工程师GeorgeDeBothezat制造了一架大型四旋翼飞行器，该飞行器能实现拉力和方向的控制，相较于第一架四旋翼飞行器来说，其飞行性能有了很大提升，但由于其飞行性能达不到军方要求，同时耗费的研究经费逐渐上升，因此该项目最终被搁置。1924年，经过上千次的飞行试验，Omemichen四旋翼飞行器在稳定性和可控性上有了很大提升，其首次飞行高度达到360m，而其后飞行高度提升到525m，并且在7分40秒内完成了1km的闭环飞行.1956年，Convertawings公司的M.K.Adman设计了ConvertawingsModel四旋翼飞行器。该飞行器通过两个发动机进行悬停和机动，并取得了试飞成功。但由于该四旋翼飞行器载重量、飞行速度、持续飞行和飞行距离等能力太弱，与传统飞行器相比无法取得竞争优势，因此进一步研究被迫停止.此后的几十年间，由于当时惯性导航、动力系统等机上设备体积较大，且旋翼驱动相较于喷器机动的动力过小，导致四旋翼飞行器的有效载荷很小，与固定翼飞行器相比，四旋翼在各方面都没有优势，不能满足当时的各类任务需求，因此相关的研究进展一直停滞不前。直到近十几年，四旋翼飞行器通过采用新型动力源大幅提升了可装载有效载荷的重量，而采用新型复合材料后四旋翼飞行器将具有质量更轻、强度更高的机体，MEMS技术的发展使得设备小型化趋势越加迅速，重量只有几克的MEMS惯性导航系统得以被开发运用，再加上现代飞行控制理论技术的突飞猛进，四旋翼飞行器的结构和性能有了极大的提高，同时，考虑到微小型飞行器相较于固定翼飞行器所具有的优势，研制并发展微小型四旋翼飞行器成为目前各国商业公司的重点研究对象目前，国内外对四旋翼飞行器的研究主要以遥控航模、小型四旋翼以及微型四旋翼飞行器等为主.美国Draganflyer公司研制了可折叠遥控航模四旋翼飞行器（DraganflyerX8），主要用于进行航拍作业。其外型折叠尺寸为长70cm，高25.4cm，宽35.5cm；有效载荷800g，最大起飞重量2700g；可无负载飞行20min，最高飞行速度达到50km/h。DraganflyerX8的姿态增稳控制是通过3个压电晶体陀螺仪进行控制的。瑞士洛桑联邦科技学院开发了一种电动小型四旋翼飞行器OS4。该飞行器全长73cm，重约235g；采用Draganflyer的十字框架及旋翼，使用四个Faulhaber1724电机。测试人员通过飞行测试平台分别采用PID控制、LQ控制、Backstepping控制、滑模控制等多种算法实现了姿态控制HMX4是宾夕法尼亚大学研制的小型四旋翼飞行器，通过基于Backstepping控制算法设计的控制器使飞行器能自主悬停，飞行器的位置和姿态通过一套基于地面和机载双摄像头的视觉定姿与定位系统测量，具有测量精度高的特点，从而使该飞行器适用于固定平台自主起降、与地面多功能机器人进行协同作业等特殊任务。佐治亚理工大学研制的GTMARS系统是专门为执行火星探测任务所设计的CAD无人机系统，具有封装折叠功能。旋翼半径达0.92m，质量为20kg，最大可持续航行时间30min。此外，GTMARS登陆火星后，机构可自动展开，从而实现自主起降。微型四旋翼飞行器（MAV）也是目前研究人员着重研制的飞行器之一，其中以斯坦福大学研制的Mesicopter最为著名，采用了微型旋翼飞行器技术，并可进行多机协同任务。机身为方形框架；旋翼半径为0.75cm；电机半径为1.5mm，质量为325mg。现已经研制出试验样机并试飞成功.国内方面对四旋翼飞行器展开研究的高校主要集中在哈尔滨工业大学、北京理工大学和南京航空航天大学等著名高校。而在企业方面，中国深圳大疆创新科技有限公司由于产品可靠性较高，已成为全球领先的无人飞行器研发商。大疆在2015年推出了phantom3四旋翼无人机，其飞行重量为1280g，最大飞行高度6000m，最大飞行时间23min，采用飞机与相机一体化设计，省去了繁琐的接线过程，使用方便。选题的目的和意义机器视觉的四旋翼无人机靶点跟踪飞行控制系统设计，可以解决城市警力不足、打击犯罪缺乏机动性、应急能力等问题。无人机的立体跟踪，高空定位可以对此问题进行解决。在森林营救方面需要高效、全面的森林搜索，无人机跟踪飞行控制系统可以大大缩减搜索时间、增大营救成功几率。总体而言，无人机需要更全面的开发和利用。无人机的使用开发，现在只是起步阶段，还有很大的创新空间。在未来无人机的使用将很大的推进社会发展和科技进步。本设计的意义，就是用改善算法和目标点跟踪拍摄技术提高无人机的实用性和可靠性。设计四旋翼无人机基础飞行串级PID控制算法、仿真研究机器视觉对目标靶的识别与定位算法、设计嵌入式机器视觉目标靶识别与定位算法、设计IMU数据纠正图像倾斜畸变的算法与数据融合算法，也是我完成此设计所需要的吃透的算法，完成此设计对我的能力也是提高和锻炼。三、研究方案（框架）本文的研究方案如下：1.在基于STM32微控制器与MPU6050陀螺仪与加速度计为核心器件的飞控板上，设计串级PID算法实现四旋翼无人机的受控起飞、降落、及其他平飞动作；2.利用Matlab对特定圆形纯色方针靶点举行辨认与位置检测的仿真钻研，并按照成果举行算法优化，终究得出仿真算法流程；3.固定无人机在同一高度非倾斜状态下，在基于ARMCortex-A53为处理器、OV5640为视觉感光元件的视觉开发测试平台上，设计机器视觉算法实现对特定的圆形纯色目标靶点的识别与位置检测；4.建立并设计视觉与飞控间通信通道与机制；5.在飞控平台上研究通过IMU姿态数据纠正图像定位数据；6.设计神经网络PID控制算法实现目标靶点跟踪上的无人机位置控制；研究对比神经网络PID控制算法与传统固定参数PID控制算法在无人机目标靶点跟踪上的优劣。四、进度计划（1）选题确