專利名稱：基于視覺的飛艇定點(diǎn)魯棒控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于飛艇飛行控制領(lǐng)域，特別是一種基于視覺的飛艇定點(diǎn)魯棒控制方法。
背景技術(shù)：
目前，飛艇引起了人們的重視，并且被廣泛應(yīng)用于貨運(yùn)、廣告、監(jiān)測以及軍事任務(wù)等各種不同的領(lǐng)域中。飛艇是一種可操縱的輕于空氣的飛行器，依靠氣囊封閉的輕質(zhì)氣體產(chǎn)生的浮力在空中浮起，并可以依靠發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力在空中飛行。飛艇作為一種飛行器其最大的優(yōu)勢就是在于它具有無與倫比的滯空時(shí)間，其滯空時(shí)間可以天來計(jì)算。同時(shí)飛艇還可以悄無聲息的在空中穩(wěn)定飛行，這一特點(diǎn)在軍事上也具有重要的應(yīng)用。目前軍用飛艇一般都使用氦氣保持浮力，因此能安靜并且平穩(wěn)地完成升降和飛行，這對其攜帶現(xiàn)代化高科技監(jiān)視與偵察設(shè)備來說至關(guān)重要。其次飛艇可以在其氣囊中方便攜帶形狀和尺寸幾乎不受限制的大型雷達(dá)天線，對完成重要的軍事偵察具有重要的作用。同時(shí)飛艇與飛機(jī)相比，軍用飛艇可降低約30%左右的能耗和飛行費(fèi)用，制造成本也很低，其雷達(dá)反射面積也要比現(xiàn)代飛機(jī)小許多。因而飛艇在現(xiàn)代軍事發(fā)展中具有重要的地位。另一方面，當(dāng)今社會(huì)是一個(gè)人口密集、高度復(fù)雜的社會(huì)，人類的活動(dòng)范圍越來越大，面臨的突發(fā)事件和異常事件越來越多，監(jiān)控的重要性和難度也就越來越突出。飛艇作為一種新型監(jiān)控手段，有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，飛艇可以在一千多米高空，且其有效覆蓋面積達(dá)20 平方公里。同時(shí)可以利用其在目標(biāo)地域上空懸停很長一段時(shí)間，使其上搭載的偵察儀器可以既精確又高效率的探測目標(biāo)。結(jié)合我國的實(shí)際情況，我國有綿長的海岸線和陸地邊境線， 預(yù)警飛艇系統(tǒng)可用于為中空域內(nèi)作戰(zhàn)飛機(jī)提供情報(bào)和電子戰(zhàn)支援，為地面防空系統(tǒng)提供早期預(yù)警。而在民用上，由于我國地廣山多，許多地方自然災(zāi)害頻繁發(fā)生，對人民的生命財(cái)產(chǎn)造成嚴(yán)重的威脅，因此在災(zāi)害發(fā)生前進(jìn)行預(yù)測預(yù)防，在災(zāi)害發(fā)生后能第一時(shí)間掌握現(xiàn)場信息、開展迅速準(zhǔn)確的救援十分必要。此時(shí)可以用無人飛艇低空遙感平臺，一方面對環(huán)境信息進(jìn)行監(jiān)視采集為研究災(zāi)害的發(fā)生提供數(shù)據(jù)，另一方面能夠及時(shí)監(jiān)測災(zāi)害的發(fā)生，通過GPS 定位系統(tǒng)，可準(zhǔn)確探測出火源發(fā)生地，并且第一時(shí)間通知地面人員進(jìn)行救援工作，而在城市中，無人飛艇可運(yùn)用于城市交通監(jiān)控、市政建設(shè)航拍、高空大氣采樣、城市火警監(jiān)視等突發(fā)任務(wù)。特別的是，在國家開展重要性國際會(huì)議或展覽時(shí)，若利用飛艇在空中監(jiān)控，在其監(jiān)控范圍內(nèi)，能及早預(yù)防突發(fā)事情的發(fā)生。因此，飛艇監(jiān)控研究具有重大的意義。采用飛艇作為監(jiān)控平臺有很有優(yōu)勢。相比其他飛行器而言，飛艇的有效載荷更加大；能夠垂直起降，對起飛跑道沒有要求，能夠在任何地方起飛；能夠在空中懸停；起飛和回收容易；用戶掌握和使用比較方便、可行。民用無人駕駛飛艇成本較低，易于推廣應(yīng)用。同時(shí)采用飛艇作為載體，在一定程度上能降低其飛行控制系統(tǒng)技術(shù)，能夠降低成本。文獻(xiàn)(飛行力學(xué)，26 :28-31)采用變結(jié)構(gòu)模型參考自適應(yīng)控制方法設(shè)計(jì)了飛艇的定點(diǎn)控制器，但沒有考慮到應(yīng)用圖像視覺實(shí)現(xiàn)智能自主定點(diǎn)控制。在飛艇監(jiān)控過程中，飛艇的定點(diǎn)控制是一個(gè)關(guān)鍵問題，利用視覺圖像設(shè)計(jì)高精度的飛艇定點(diǎn)控制技術(shù)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。攝像頭可以用于現(xiàn)場監(jiān)控，同時(shí)又可應(yīng)用與控制，這就提出了基于視覺的飛艇定點(diǎn)控制問題。隨著計(jì)算機(jī)視覺算法性能和可靠性的提高，非線性估計(jì)和識別技術(shù)的進(jìn)步，計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)的發(fā)展，以及完善的實(shí)時(shí)算法的應(yīng)用，基于視覺的控制成為可能，并將成為研究的一個(gè)熱
點(diǎn)ο綜上所述，基于視覺的飛艇定點(diǎn)控制技術(shù)是一個(gè)極其有價(jià)值的研究課題。其中需要解決的兩個(gè)關(guān)鍵的問題是一、飛艇位置和姿態(tài)的估計(jì)。二、控制器設(shè)計(jì)和圖像和控制技術(shù)的結(jié)合。目前，國內(nèi)外對位置和姿態(tài)的估計(jì)主要是針對無人機(jī)，我們可以參考無人機(jī)的位置和姿態(tài)估計(jì)算法來估計(jì)飛艇的位置和姿態(tài)。(1)基于投影關(guān)系的方法基于投影關(guān)系的方法通常要在飛艇定點(diǎn)視場內(nèi)設(shè)置一個(gè)人工制作的監(jiān)控圖標(biāo)，監(jiān)控圖標(biāo)的尺寸以及在視場坐標(biāo)系中的方向、位置參數(shù)一般都是已知的，從預(yù)先校準(zhǔn)好的機(jī)載攝像機(jī)實(shí)時(shí)拍攝的圖像中提取圖標(biāo)中某些特征元素的像面參數(shù)，利用投影前后的幾何關(guān)系，首先求解出攝像機(jī)與監(jiān)控圖標(biāo)的相對位置和姿態(tài)關(guān)系，然后經(jīng)相應(yīng)的坐標(biāo)變換，將位姿關(guān)系轉(zhuǎn)換到飛艇坐標(biāo)系中，根據(jù)利用特征元素的不同，基于投影關(guān)系的方法又可以分為基于點(diǎn)信息的方法、基于平行線信息的方法、基于區(qū)域信息的方法和基于圓信息的方法。(2)基于幾何關(guān)系的方法基于幾何關(guān)系的方法也使用定點(diǎn)圖標(biāo)，但并不通過圖標(biāo)上的特征元素的像面投影獲取位姿參數(shù)，而是借助多種機(jī)載傳感器的信息，通過簡單的立體幾何關(guān)系來求解。(3)基于模式識別的方法飛艇位置和姿態(tài)的估計(jì)有時(shí)也可以理解為分類問題，從拍攝的場景圖像中提取某些特征量，形成當(dāng)前特定的一個(gè)模式，通過傳統(tǒng)的模式識別方法或人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)將此模式與某一預(yù)先定義好的標(biāo)準(zhǔn)模式對應(yīng)起來，從而得出相應(yīng)的位姿參數(shù)。而把圖像加載入控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真，目前暫還沒有相關(guān)研究。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于視覺的飛艇定點(diǎn)魯棒控制方法，解決了基于視覺伺服的飛艇自主定點(diǎn)控制的兩大難點(diǎn)一是飛艇位置和姿態(tài)的估計(jì)算法的有效性和精確性；二是控制器設(shè)計(jì)以及圖像和控制的結(jié)合。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案為一種基于視覺的飛艇定點(diǎn)魯棒控制方法，步驟如下步驟一，定義地面坐標(biāo)系、艇體坐標(biāo)系、速度坐標(biāo)系和圖像坐標(biāo)系，在此基礎(chǔ)上確定機(jī)載攝像機(jī)安裝方式；步驟二，根據(jù)射影幾何學(xué)原理，提取飛艇的姿態(tài)角；步驟三，根據(jù)雙目視覺視差原理，得到包含飛艇的姿態(tài)和位置的非線性方程組，把步驟二中得到的姿態(tài)角代入非線性方程組中，得到飛艇位置；步驟四，采用Backst印ping方法設(shè)計(jì)飛艇的魯棒自適應(yīng)定點(diǎn)控制方案，通過分析證明所提出的Backst印ping控制方案能有效地保證閉環(huán)系統(tǒng)有界穩(wěn)定，并把基于圖像得到的姿態(tài)角和位置信息與控制相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)為(1)給出了基于視覺的定點(diǎn)監(jiān)控飛艇用的位置和姿態(tài)估計(jì)算法，同時(shí)基于Backstepping方法為飛艇設(shè)計(jì)定點(diǎn)飛行魯棒控制，把通過位置和姿態(tài)估計(jì)算法提取的位置和姿態(tài)信息加載入飛艇定點(diǎn)控制技術(shù)中，實(shí)現(xiàn)了基于視覺的飛艇定點(diǎn)的控制?；谝曈X的飛艇定點(diǎn)控制技術(shù)的原理是通過安裝在飛艇上的攝像機(jī)，獲取監(jiān)控區(qū)域的圖像，使用計(jì)算機(jī)視覺方法，估計(jì)出飛艇的飛行狀態(tài)和相對位置，結(jié)合其他艇載傳感器，實(shí)現(xiàn)飛艇的自主監(jiān)視控制。(2)分析坐標(biāo)系系統(tǒng)包括地面坐標(biāo)系、艇體坐標(biāo)系(攝像機(jī)坐標(biāo)系)、速度坐標(biāo)系和圖像坐標(biāo)系，在此基礎(chǔ)上確定機(jī)載攝像機(jī)安裝方式。 為了確定是由俯仰角變化引起還是飛艇在(X，1，ζ)方向移動(dòng)而引起的特征在圖像中位置的變化，本發(fā)明采用雙目CCD攝像機(jī)的特殊安裝來解決此問題。(3)選用的H型作為監(jiān)控圖像特征，根據(jù)圖像特征在圖像中的位置和角度的變化來估算姿態(tài)角?；趫D像估計(jì)出姿態(tài)角后，應(yīng)用雙目視覺視差原理得到飛艇的雙目測量模型，飛艇的雙目視差模型是關(guān)于飛艇位置和姿態(tài)的非線性模型，把姿態(tài)角代入非線性模型中，從而把非線性方程簡化為線性方程，估計(jì)出位置。該方法提取出精確的俯仰角估計(jì)方案、得到了基于雙目視覺視差原理的雙目測量模型，把姿態(tài)和雙目測量模型結(jié)合起來，把測量模型由非線性簡化為線性，系統(tǒng)的計(jì)算量大大減少，且能提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。(4)圖像和控制的結(jié)合采用Backstepping設(shè)計(jì)方法，該方法的優(yōu)點(diǎn)在于不要求非線性系統(tǒng)中的非線性必須滿足增長性約束條件，僅要求系統(tǒng)的非線性能保證非線性系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為參數(shù)純反饋的形式即可。同時(shí)反推設(shè)計(jì)方法使控制器設(shè)計(jì)過程系統(tǒng)化，結(jié)構(gòu)化，且可以保證閉環(huán)系統(tǒng)的全局有界穩(wěn)定性。所發(fā)展的基于視覺的飛艇定點(diǎn)控制技術(shù)可以指導(dǎo)基于視覺的直升機(jī)的定點(diǎn)飛行控制與基于視覺的自主機(jī)器人控制技術(shù)開發(fā)。下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。


圖1是飛艇控制總框圖。
圖2是飛艇坐標(biāo)系示意圖。圖3(a)是安裝雙目攝像機(jī)的飛艇主視圖；圖3(b)是安裝雙目攝像機(jī)的飛艇右視圖。圖4是本發(fā)明采用的特征圖像。圖5是飛艇俯仰角估計(jì)示意圖。圖6是飛艇偏航角估計(jì)示意圖。圖7是基于視覺的飛艇運(yùn)動(dòng)控制框圖，其中(a)是偏航姿態(tài)控制系統(tǒng)圖，(b)俯仰姿態(tài)控制系統(tǒng)圖。圖中的標(biāo)號含義為1、氦氣囊，2、氦氣囊閘閥，3、螺旋槳，4、升降舵，5、方向舵，6、 位于飛艇Y。軸方向的攝像機(jī)，7、位于飛艇質(zhì)心的攝像機(jī)，8、空氣囊
具體實(shí)施例方式圖1是飛艇的控制總框圖，其系統(tǒng)分為艇載部分和地面控制站部分，具體的工作原理為首先由艇載攝像機(jī)拍攝地面標(biāo)志物的序列圖像，通過艇載天線發(fā)射出去，由地面站接收設(shè)備接收，并傳輸?shù)降孛嬲究刂朴?jì)算機(jī)。地面計(jì)算機(jī)對其進(jìn)行快速處理，獲取標(biāo)志物特征，通過這些特征完成飛艇姿態(tài)和位置的估計(jì)。然后由地面的發(fā)射天線將所得到的飛艇姿態(tài)和位置估計(jì)值發(fā)射出去，由飛艇上的接收設(shè)備接受，并傳輸?shù)酵лd計(jì)算機(jī)，由其完成估計(jì)值與艇載傳感器所測得信號按比例組合的方式進(jìn)行融合形成控制反饋信號，最后按 Backstepping方法設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制器，達(dá)到對飛艇德魯棒穩(wěn)定控制。飛行控制系統(tǒng)是飛艇的核心部分，它在飛艇上的功能主要有兩個(gè)一是飛行控制，當(dāng)飛艇在飛行的過程中受到外界環(huán)境的干擾時(shí)，能夠做出實(shí)時(shí)的反應(yīng)，保持飛艇的姿態(tài)和航跡不變，同時(shí)能夠從地面站或艇載計(jì)算機(jī)中接受指令改變飛艇的飛行狀態(tài)。二是飛行管理，能夠進(jìn)行導(dǎo)航計(jì)算和無線數(shù)據(jù)傳輸，在出現(xiàn)故障的情況下采取應(yīng)急措施等等。本發(fā)明基于視覺的飛艇定點(diǎn)魯棒控制方法實(shí)現(xiàn)第一個(gè)功能，利用視覺圖像得到飛艇受干擾后的位姿信息，并設(shè)計(jì)控制器保持飛艇的姿態(tài)和位置不變，包括以下具體步驟1、坐標(biāo)系系統(tǒng)和機(jī)載攝像機(jī)安裝方式的確定圖2是飛艇的坐標(biāo)系系統(tǒng)，包括地面坐標(biāo)系、艇體坐標(biāo)系(攝像機(jī)坐標(biāo)系)和速度坐標(biāo)系。具體的坐標(biāo)系定義如下(1)地面坐標(biāo)系 Sg-ojgygzg地面坐標(biāo)系\-0gXgygZg，在地面上選一點(diǎn)Og，使\軸在水平面內(nèi)并指向某一方向， Zg軸垂直于地面并指向地心，yg軸也在水平面內(nèi)并垂直于\軸，其指向按照右手定則確定。 本發(fā)明把地面坐標(biāo)系設(shè)為慣性參考系簡稱慣性系。(2)艇體坐標(biāo)系(攝像機(jī)坐標(biāo)系)Sci-OcIcTc^原點(diǎn)0取在飛艇體積中心，坐標(biāo)系與飛艇固連，X。軸在飛艇對稱平面內(nèi)并平行于飛艇的設(shè)計(jì)軸線指向艇頭，Y。軸垂直于飛艇的對稱平面指向艇體右方，4軸在飛艇對稱平面內(nèi)，與X。軸垂直并指向艇體下方。攝像機(jī)與飛艇固連，不另外取坐標(biāo)系。(3)速度坐標(biāo)系 Sc_c ayaza速度坐標(biāo)系也稱氣流坐標(biāo)系，原點(diǎn)ο取在飛艇的體積中心，0 軸與飛行速度向量 V的方向一致，不一定在飛艇縱剖面內(nèi)；Oza軸在飛艇縱剖面內(nèi)垂直于c a軸指向艇腹部；oya 軸垂直于^CaOZa平面指向右側(cè)。(4)圖像坐標(biāo)系Oxy圖像坐標(biāo)系(固聯(lián)攝像頭)位于圖像平面內(nèi)，原點(diǎn)0為光軸與圖像平面的交點(diǎn)，χ 軸和y軸分別平行于X。軸和Y。軸。圖3是飛艇的結(jié)構(gòu)圖，該飛艇包括氦氣囊1，氦氣囊閘閥2，螺旋槳3，升降舵4，方向舵5，空氣囊8，位于飛艇y軸方向設(shè)置一個(gè)固連攝像機(jī)6，位于飛艇質(zhì)心設(shè)置另一個(gè)懸掛攝像機(jī)7，該圖包含雙目攝像機(jī)的安裝方案。雙目視覺基本原理是從兩個(gè)視點(diǎn)觀察同一景物，以獲取在不同視角下的感知圖像，通過成像幾何原理計(jì)算圖像像素間的位置偏差，來獲取景物的三維信息，這一過程與人類視覺的立體感知過程是類似的。本發(fā)明采用的雙攝像機(jī)安裝方案為一個(gè)攝像頭固定安裝于飛艇的質(zhì)心，其光心與艇體軸系ζ軸重合；另一個(gè)攝像頭懸掛于飛艇的y軸上，其光心始終垂直地心，如圖3所示。 首先，在監(jiān)控區(qū)域選取H型特征，假設(shè)其始終在成像平面。當(dāng)飛艇在X。軸位置或飛艇俯仰角發(fā)生改變時(shí)，特征在圖像坐標(biāo)系X方向位置也會(huì)改變，因此可以認(rèn)為飛艇\軸位置和俯仰角與特征在圖像坐標(biāo)系X方向位置存在某種關(guān)系。因?yàn)橹灰w艇的形狀不發(fā)生改變，則飛艇的定點(diǎn)高度變化不大，所以由高度引起的特征位置變化忽略不計(jì)。而飛艇在機(jī)體坐標(biāo)系γ。(即為艇體坐標(biāo)系的y軸)方向的位置變化會(huì)只引起圖像特征在圖像坐標(biāo)系y方向的位置變化，但是特征在圖像坐標(biāo)系χ方向的位置變化，卻有可能是由飛艇)(。軸位置變化或飛艇俯仰角變化而引起。為了區(qū)分出特征在圖像坐標(biāo)系X方向位置變化原因，本文采用懸掛式攝像機(jī)和固聯(lián)式攝像機(jī)相結(jié)合的安裝方案。假設(shè)懸掛式攝像頭拍攝圖片1，固聯(lián)式攝像頭拍攝圖片2。首先將飛艇X。軸位置變化和俯仰角變化引起的圖像特征位置變化統(tǒng)一認(rèn)為由俯仰引起，然后再解算由純飛艇X。軸位置變化引起的特征位置變化，結(jié)合二者就可以求得完全由俯仰運(yùn)動(dòng)引起的特征在圖像位置的變化關(guān)系。其中飛艇運(yùn)動(dòng)變化對應(yīng)的圖像特征位置變化關(guān)系如表1所示。其中假設(shè)飛艇俯仰時(shí)頭部指向+X。方向。圖4是研究本發(fā)明選取的H型圖像特征，H型圖像包含面積、矩、質(zhì)心、主軸方向等各種豐富的信息，有利于飛艇的位姿估計(jì)。如圖所示，在基準(zhǔn)狀態(tài)下，O1為特征中心，X1與 Y1分別平行于圖像坐標(biāo)系X軸與y軸，P1到P8為特征的邊緣點(diǎn)。2、飛艇姿態(tài)估計(jì)圖5是飛艇的俯仰角提取示意圖，對于位于飛艇質(zhì)心的攝像機(jī)(即固聯(lián)式攝像機(jī))，假設(shè)基準(zhǔn)狀態(tài)即當(dāng)飛艇平飛時(shí)，H特征中心水平線Oiyi略低于像平面1的y軸，且距離為d，這是因?yàn)榭紤]了飛艇的平衡性，飛艇初始具有俯仰角α (—般說來，飛艇初始狀態(tài)下 α較小)。f是焦距，則有α =arctan(d/f)0當(dāng)飛艇的俯仰角變?yōu)棣?‘時(shí)，像平面和Oj1 的位置發(fā)生了改變，Oiyi移動(dòng)到ο' y工，設(shè)ο' y工與像平面2的y軸的距離為d'，則有θ c = θ ‘ -α = arctan(d' /f)-a(1)對于位于飛艇y軸方向的攝像機(jī)(即懸掛式攝像機(jī))，我們可以將飛艇X。軸位置變化引起的特征位置的改變視為飛艇俯仰角所引起的特征位置的改變。設(shè)定飛艇平飛時(shí)的 OcYc和Oiyi重合。當(dāng)飛艇X。(即為艇體坐標(biāo)系的χ軸)軸位置變化時(shí)，圖像中Oiyi相距像平面的中心線的距離為d' i，則同理可到θ χ = arctan(d' ,/f)(2)這里的Q1是由于飛艇X。軸位置的變化產(chǎn)生的等價(jià)俯仰角，θ ε是包含了飛艇X。 軸位置變化產(chǎn)生的等價(jià)俯仰角和飛艇本身的俯仰角。綜上所述就可以得到飛艇的實(shí)際俯仰角θ = Oe-O1(3)圖6是飛艇的偏航角提取圖。當(dāng)飛艇發(fā)生偏航時(shí)，對應(yīng)圖像特征在圖像坐標(biāo)系中也會(huì)偏轉(zhuǎn)一定角度。如圖6所示，根據(jù)射影幾何關(guān)系，H特征的左邊緣線P1P5和圖像坐標(biāo)系 χ軸正方向的夾角即為偏航角，其中，0' P1與圖像坐標(biāo)系Oy平行，0' P1 = (11；0' P5和圖像坐標(biāo)系Ox平行，0' p5 = d2。這樣就可以得到飛艇的偏航角
權(quán)利要求
1.一種基于視覺的飛艇定點(diǎn)魯棒控制方法，其特征在于步驟如下步驟一，定義地面坐標(biāo)系、艇體坐標(biāo)系、速度坐標(biāo)系和圖像坐標(biāo)系，在此基礎(chǔ)上確定機(jī)載攝像機(jī)安裝方式；步驟二，根據(jù)射影幾何學(xué)原理，提取飛艇的姿態(tài)角；步驟三，根據(jù)雙目視覺視差原理，得到包含飛艇的姿態(tài)和位置的非線性方程組，把步驟二中得到的姿態(tài)角代入非線性方程組中，得到飛艇位置；步驟四，采用Backstepping方法設(shè)計(jì)飛艇的魯棒自適應(yīng)定點(diǎn)控制方案，通過分析證明所提出的Backstepping控制方案能有效地保證閉環(huán)系統(tǒng)有界穩(wěn)定，并把基于圖像得到的姿態(tài)角和位置信息與控制相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于視覺的飛艇定點(diǎn)魯棒控制方法，其特征在于坐標(biāo)系的定義如下第一步，將地面坐標(biāo)系設(shè)為慣性參考系\_ogXgygZg，在地面上選一點(diǎn)0g，使Xg軸在水平面內(nèi)并指向某一方向，Zg軸垂直于地面并指向地心，yg軸在水平面內(nèi)并垂直于Xg軸；第二步，確定艇體坐標(biāo)系，即攝像機(jī)坐標(biāo)系S。-0。X。Y。Z。，原點(diǎn)0。取在飛艇體積中心，坐標(biāo)系與飛艇固連，X。軸在飛艇對稱平面內(nèi)并平行于飛艇的設(shè)計(jì)軸線指向艇頭，Y。軸垂直于飛艇的對稱平面指向艇體右方，Zc軸在飛艇對稱平面內(nèi)，與χ軸垂直并指向艇體下方；位于飛艇質(zhì)心的攝像機(jī)與飛艇固連，即為艇體坐標(biāo)系；第三步，確定速度坐標(biāo)系Sa-Cwvi,原點(diǎn)ο取在飛艇的體積中心，c a軸與飛行速度向量V的方向一致；Oza軸在飛艇縱剖面內(nèi)垂直于c a軸指向艇腹部；oya軸垂直于^caOZa平面指向右側(cè)；第四步，圖像坐標(biāo)系Oxy，圖像坐標(biāo)系位于圖像平面內(nèi)，原點(diǎn)O為光軸與圖像平面的交點(diǎn)，χ軸和y軸分別平行于\軸和Y。軸。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于視覺的飛艇定點(diǎn)魯棒控制方法，其特征在于攝像機(jī)安裝方式為一個(gè)攝像頭固定安裝于飛艇的質(zhì)心，其光心與艇體軸系&軸重合；另一個(gè)攝像頭懸掛于飛艇的Y。軸方向上，其光心始終垂直地心。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于視覺的飛艇定點(diǎn)魯棒控制方法，其特征在于在步驟二中，選用H型圖像作為特征圖像，先對所獲取的圖像采用常規(guī)算法進(jìn)行預(yù)處理包括中值濾波和增強(qiáng)處理，根據(jù)圖像特征在圖像中的位置和角度的變化來提取飛艇的姿態(tài)角。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于視覺的飛艇定點(diǎn)魯棒控制方法，其特征在于提取飛艇的姿態(tài)角的方法為對于位于飛艇質(zhì)心的攝像機(jī)，假設(shè)基準(zhǔn)狀態(tài)即當(dāng)飛艇平飛時(shí)，H特征中心水平線Oiyi 略低于像平面1的y軸，且距離為d，飛艇初始具有俯仰角α，則有α = arctan(d/f)，其中f是焦距，當(dāng)飛艇的俯仰角變?yōu)棣?時(shí)，像平面和Oiyi的位置發(fā)生了改變，Oiyi移動(dòng)到 O1' y/，設(shè)O/ Y1 ‘與像平面2的y軸的距離為d'，則有 θ e = θ ‘ -α = arctan(d' /f)-a對于位于飛艇y軸方向的攝像機(jī)，將飛艇X。軸位置變化引起的特征位置的改變視為飛艇俯仰角所引起的特征位置的改變，設(shè)定飛艇平飛時(shí)的0。Y。和Oiyi重合；當(dāng)飛艇X。軸位置變化時(shí)，圖像中O1Y1相距像平面的中心線的距離為d/，則同理可到 θ x = arctan(d1' /f)該Q1是由于飛艇X。軸位置的變化產(chǎn)生的等價(jià)俯仰角，Θ ε是包含了飛艇χ。軸位置變化產(chǎn)生的等價(jià)俯仰角和飛艇本身的俯仰角，飛艇的實(shí)際俯仰角為
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于視覺的飛艇定點(diǎn)魯棒控制方法，其特征在于步驟三中的飛艇位置估計(jì)，即假設(shè)目標(biāo)區(qū)域有已知點(diǎn)P，在地面坐標(biāo)系中用坐標(biāo)Xg，yg，zg表示；它在兩個(gè)圖像平面上的投影點(diǎn)分別為P1和P2，其圖像坐標(biāo)分別為(Xl，Y1)和U2，y2) ；P點(diǎn)在兩個(gè)攝像機(jī)坐標(biāo)系統(tǒng)的坐標(biāo)分別為\、’ Yb, Zb和X。，Yc, Zc ；在兩個(gè)攝像機(jī)坐標(biāo)系統(tǒng)中，都采用小孔成像投影模型，設(shè)兩攝像機(jī)的焦距為f，光心距離為1，每個(gè)模型得到兩個(gè)透視投影公式
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于視覺的飛艇定點(diǎn)魯棒控制方法，其特征在于步驟四中， 采用Backstepping方法設(shè)計(jì)飛艇的魯棒自適應(yīng)定點(diǎn)控制方案的步驟為 假設(shè)飛艇被控對象為
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于視覺的飛艇定點(diǎn)魯棒控制方法，其特征在于步驟四中的圖像和控制的結(jié)合，即將第二步和第三步得到的飛艇姿態(tài)和位置與艇載傳感器所測得相應(yīng)信號進(jìn)行按線性比例組合的方式進(jìn)行融合，從而形成控制的反饋信號，代入按 Backstepping方法設(shè)計(jì)的魯棒自適應(yīng)定點(diǎn)控制方案，進(jìn)而達(dá)到魯棒穩(wěn)定控制。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于視覺的飛艇定點(diǎn)魯棒控制方法，首先定義地面坐標(biāo)系、艇體坐標(biāo)系、速度坐標(biāo)系和圖像坐標(biāo)系，在此基礎(chǔ)上確定機(jī)載攝像機(jī)安裝方式；根據(jù)射影幾何學(xué)原理，提取飛艇的姿態(tài)角；根據(jù)雙目視覺視差原理，得到包含飛艇的姿態(tài)和位置的非線性方程組，把步驟二中得到的姿態(tài)角代入非線性方程組中，得到飛艇位置；采用Backstepping方法設(shè)計(jì)飛艇的魯棒自適應(yīng)定點(diǎn)控制方案，通過分析證明所提出的Backstepping控制方案能有效地保證閉環(huán)系統(tǒng)有界穩(wěn)定，并把基于圖像得到的姿態(tài)角和位置信息與控制相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。本發(fā)明給把通過位置和姿態(tài)估計(jì)算法提取的位置和姿態(tài)信息加載入飛艇定點(diǎn)控制技術(shù)中，實(shí)現(xiàn)了基于視覺的飛艇定點(diǎn)的控制。
文檔編號B64B1/00GK102190081SQ20101011716
公開日2011年9月21日 申請日期2010年3月4日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月4日
發(fā)明者姜長生, 尹衛(wèi)平, 江駒, 陳謀 申請人:南京航空航天大學(xué)