“刀鋒”無人機(jī)目標(biāo)跟蹤監(jiān)測技術(shù)研究

徐峰 陳軍建 李武岐 李亮

摘 要：隨著無人機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域日趨多元化，但在目標(biāo)跟蹤監(jiān)測方面的研究還需要進(jìn)一步加強(qiáng)。筆者結(jié)合拓展無人機(jī)執(zhí)行任務(wù)領(lǐng)域，從高精度目標(biāo)云臺指向技術(shù)、提升飛行控制能力、準(zhǔn)確控制飛機(jī)航線及云臺轉(zhuǎn)角、開發(fā)目標(biāo)跟蹤監(jiān)測潛能等方面進(jìn)行闡述。

關(guān)鍵詞：“刀鋒”無人機(jī);目標(biāo)跟蹤與精確定位技術(shù);云臺改裝

為實(shí)現(xiàn)“刀鋒”無人機(jī)系統(tǒng)的目標(biāo)跟蹤監(jiān)測能力，建立空巡平臺，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)跟蹤監(jiān)測以及精確定位，提供偵察跟蹤保障手段，為指揮決策提供有力的支撐，筆者對“刀鋒”無人機(jī)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)跟蹤監(jiān)測的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。

1研究背景

隨著時代的發(fā)展，測繪技術(shù)在各個領(lǐng)域中都發(fā)揮著非常重要的作用。近年來，圖像處理、自動控制、數(shù)據(jù)傳輸?shù)燃夹g(shù)廣泛應(yīng)用于無人機(jī)視覺跟蹤領(lǐng)域，無人機(jī)的視覺功能越來越完善，涵蓋智能控制、物流、低空航拍等國民經(jīng)濟(jì)的很多領(lǐng)域。通過應(yīng)用無人機(jī)開展目標(biāo)跟蹤，不但可以有效的提升跟蹤的效率，同時還可以獲得更加清晰和準(zhǔn)確的測量數(shù)據(jù)。對低空目標(biāo)進(jìn)行自動跟蹤的無人機(jī)視覺云臺技術(shù)受到高度關(guān)注，研究一種能保持視頻設(shè)備位置穩(wěn)定，并具有目標(biāo)檢測與跟蹤任務(wù)的視頻采集系統(tǒng)，具有實(shí)際意義。隨著硬件性能的快速發(fā)展，2000年之后目標(biāo)檢測跟蹤技術(shù)得到快速發(fā)展，并取得豐碩成果。目標(biāo)跟蹤從簡單場景到復(fù)雜場景、從單目標(biāo)到多目標(biāo)。多樣化目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)已經(jīng)投向?qū)嵱没?、產(chǎn)業(yè)化。世界很多著名高校、一些重要的研究機(jī)構(gòu)都設(shè)有計算機(jī)目標(biāo)視覺專業(yè)實(shí)驗室，比如：斯坦福大學(xué)、牛津大學(xué)、麻省理工學(xué)院等，進(jìn)行專項學(xué)習(xí)研究。背景中動態(tài)目標(biāo)的詳細(xì)信息是進(jìn)行目標(biāo)跟蹤的最終結(jié)果。在導(dǎo)彈定位、軍事航天、氣象實(shí)時、機(jī)器人導(dǎo)航、安防醫(yī)療、交通信息、安全監(jiān)視、視頻壓縮等多方面有廣泛應(yīng)用。我國目標(biāo)跟蹤技術(shù)起步較晚，雖然目前發(fā)展速度較快，但與發(fā)達(dá)國家的技術(shù)水平有比較大的差距。目前，許多高等院校和研究所等機(jī)構(gòu)，如：清華大學(xué)人機(jī)交互與媒體集成研究所、中科院自動化研究所、哈工大、上海交大航空航天學(xué)院信息與控制研究所、華中科技大學(xué)等都在圖像跟蹤領(lǐng)域做了大量的工作。

2高精度目標(biāo)云臺指向技術(shù)

云臺攜帶可見光載荷，是無人機(jī)信息獲取的主要技術(shù)手段，目標(biāo)探測能力、識別能力、精確指向能力，是實(shí)現(xiàn)無人機(jī)目標(biāo)實(shí)時跟蹤監(jiān)測的基本前提。小型無人機(jī)作為新興的偵查技術(shù)手段，價格便宜，部署靈活，使用方便，維護(hù)成本低，但載荷能力有限，受環(huán)境擾動大，無人機(jī)一體化設(shè)計受到云臺體積重量功耗限制，振動、傳感器精度、伺服精度等問題是必須突破的關(guān)鍵技術(shù)。飛行中，由于自身穩(wěn)定性和受到大氣氣流等影響，會出現(xiàn)傾斜或者顛簸，都會影響到影像的實(shí)時獲取，需要增加裝置來穩(wěn)定鏡頭姿態(tài)。無人機(jī)所掛載的云臺部件采用集成式設(shè)計，將自穩(wěn)云臺、高清攝像機(jī)、無線圖傳集成一體，配合多旋翼無人機(jī)可全天候完成穩(wěn)定、清晰的視頻采集和數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)。改裝云臺主要包含以下內(nèi)容：

2.1設(shè)計減振結(jié)構(gòu)

根據(jù)刀鋒無人機(jī)發(fā)動機(jī)標(biāo)稱工作點(diǎn)頻率、機(jī)身機(jī)翼結(jié)構(gòu)固有頻率以及飛行剖面和氣動載荷情況，設(shè)計云臺減震器固有頻率與阻尼比，去除高頻分量對云臺跟蹤精度影響。

2.2設(shè)計電子穩(wěn)像

云臺光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計電子穩(wěn)像模式，可將20Hz以上的高頻影響去除，保證目標(biāo)特征清晰，穩(wěn)定為后續(xù)的可靠跟蹤提供必要前提。

2.3選擇高帶寬無刷直流電機(jī)

云臺選用高帶寬大扭矩?zé)o刷直流電機(jī)，配備非接觸式旋轉(zhuǎn)變壓器，降低云臺摩擦干擾力矩，同時配合小間隙和精確的重心偏置調(diào)節(jié)，降低非線性和重力偏心力矩，保證云臺對2～10Hz范圍外部擾動具有很高的干擾隔離能力，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的目標(biāo)指向，同時保證產(chǎn)品長壽命可靠。

2.4選擇低漂移傳感器

選擇ADI高精度低漂移的角速率傳感器，并利用試驗測試數(shù)據(jù)和自研算法為傳感器零位和溫漂進(jìn)行修正補(bǔ)償，保證云臺測量反饋信號高精度、低噪聲、高帶寬條件下閉環(huán)快、穩(wěn)、準(zhǔn)。

2.5設(shè)計先進(jìn)補(bǔ)償控制算法

采用先進(jìn)的內(nèi)回路預(yù)測校正補(bǔ)償算法、外回路四元數(shù)過零點(diǎn)補(bǔ)償算法，實(shí)現(xiàn)云臺全范圍無死點(diǎn)精確快速控制。如果目標(biāo)的距離與無人機(jī)距離變大，會導(dǎo)致目標(biāo)圖像變小而難以檢測與識別，必須對飛行軌跡進(jìn)行控制，讓二者距離保持不變。因此在云臺調(diào)整角度對目標(biāo)跟蹤時，無人機(jī)也必須對目標(biāo)進(jìn)行跟蹤。

3無人機(jī)實(shí)時航跡規(guī)劃技術(shù)

小型無人機(jī)姿態(tài)控制受風(fēng)場影響較大，為實(shí)現(xiàn)對機(jī)動目標(biāo)可靠、持續(xù)、穩(wěn)定跟蹤定位，需要實(shí)現(xiàn)實(shí)時航跡規(guī)劃技術(shù)，保證在有限能力的小型光電載荷條件下，實(shí)時跟進(jìn)環(huán)境和目標(biāo)規(guī)劃航跡，并精準(zhǔn)控制航跡。這要求無人機(jī)飛行控制算法具備很高的抗風(fēng)魯棒性能，制導(dǎo)算法具備很高的實(shí)時規(guī)劃能力，對無人機(jī)全機(jī)系統(tǒng)的傳感器，飛管計算機(jī)硬件性能、在線航跡規(guī)劃算法要求提升，最終實(shí)現(xiàn)目標(biāo)位置的可靠持續(xù)估計。

通過建立無人機(jī)模型來設(shè)計飛行控制系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)飛行控制系統(tǒng)使無人機(jī)更好更快跟蹤預(yù)定航跡，對提高整體性能，發(fā)展航空事業(yè)都有重要意義。地面控制臺的航跡規(guī)劃，可以實(shí)現(xiàn)常規(guī)航線的規(guī)劃。但目標(biāo)跟蹤過程需要根據(jù)目標(biāo)變化，重新規(guī)劃航線，增強(qiáng)飛機(jī)的機(jī)動性。飛行航跡跟蹤控制的最終目的是使飛機(jī)以足夠的準(zhǔn)確度保持或跟蹤預(yù)定的飛行航跡。在無人機(jī)搜索過程中采用提前規(guī)劃航線飛行，但由于目標(biāo)的不確定性，當(dāng)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)進(jìn)入跟蹤模式以后，由于目標(biāo)的機(jī)動的不可預(yù)知性，需要按照模板特性進(jìn)行實(shí)時航跡規(guī)劃。第一步進(jìn)行預(yù)測，用過去得到的信息進(jìn)一步修正模型，獲得人、物體下一個將出現(xiàn)位置。第二步進(jìn)行校正，獲得一個測量值，與基于前一次測量的預(yù)測值進(jìn)行調(diào)整。完成兩步估計任務(wù)的方法稱為預(yù)估器。

4目標(biāo)精確定位技術(shù)

“刀鋒”無人機(jī)為提供目標(biāo)準(zhǔn)確的經(jīng)緯高信息，云臺指向提供了目標(biāo)指示，無人機(jī)在線航跡規(guī)劃保證可靠跟蹤。為實(shí)現(xiàn)連續(xù)，光滑，可靠的目標(biāo)信息估計，需要利用擴(kuò)展卡爾曼濾波對目標(biāo)位置進(jìn)行估計，綜合利用無人機(jī)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)信息、無人機(jī)慣導(dǎo)系統(tǒng)信息、云臺框架信息、目標(biāo)視線立軸角信息等多傳感器融合估計，否則，由于小型無人機(jī)的姿態(tài)晃動、振動、云臺延遲、目標(biāo)機(jī)動或短時丟失，將導(dǎo)致目標(biāo)位置計算出現(xiàn)極大的偏離和隨機(jī)散布，無法提供可靠連續(xù)合理的位置指示，無法完成后續(xù)任務(wù)。