毕业设计（论文）基于视觉抓取的四旋翼飞行器系统设计.doc

工学学士学位论文基于视觉抓取的四旋翼飞行器系统设计Vision-based Crawl Quad-rotor System Design佳木斯大学2016年6月国内图书分类号：工学学士学位论文基于视觉抓取的四旋翼飞行器系统设计本 科 生：导师：申请学位级别：工学学士专 业：机械设计制造及其自动化所在单位：机械工程学院答辩日期：2016年6月授予学位单位：佳木斯大学摘 要四旋翼飞行器是一种用4个无刷直流电机做动力源驱动4个螺旋桨旋转且机架呈十字型的旋翼飞行器，它在军事侦察、灾区救援、农药喷洒和机器人技术等领域被广泛的应用。目前大部分的四旋翼无人飞行器的运用都是通过搭载微型摄像头和其他传感器去实现对地面上物体进行侦察和监控，而缺乏主动对环境物体进行交互和操作的功能。为了实现对环境物体主动交互和操作的功能，本文采用常规的四旋翼飞行器作为实视觉抓取系统的试验平台，主要研究基于视觉的自动识别抓取和对目标物体的运动跟踪问题，完成了系统设计、识别跟踪算法和物体抓取算法设计，并对此系统设计进行一整套流程的实验验证。本文以基于视觉抓取的四旋翼飞行器系统设计为研究对象，首先对四旋翼飞行器的机械结构和飞行原理进行阐述，接着对飞行器作力学建模及受力分析，在此基础上利用三维设计软件SolidWorks对飞行器进行三维建模设计，并将三维模型文件导入ADAMS中，然后使用ADAMS/Control模块提供ADAMS与MATLAB/Simulink联合仿真的数据接口，实现联合动态仿真，验证了虚拟样机中视觉抓取系统的有效性。在运动跟踪和目标抓取的问题上，本文采用Camshift跟踪算法去实现对目标运动跟踪，根据Camshift算法的特点确定飞行器对目标物体抓取的方案。最后进行系统设计和试验研究，介绍飞行器的硬件系统组成和以VS2010和Arduino IED为系统软件开发平台分别开发了系统的上位机和下位机，并对系统设计进行验证。关键字：四旋翼飞行器；SolidWorks；MATLAB/Simulink；ADAMS；Camshift算法；VS2010；Arduino IDE；AbstractIt is a Four-Rotor Aircraft with four brushless DC motor-powered source drive four propellers rotate and the rack was a cross-shaped rotor aircraft, which is widely used in the field of military reconnaissance, disaster relief, pesticide spraying and robotics applications. At present, most of the four-rotor UAV mounted through the use of miniature cameras and other sensors to achieve the objects on the ground to conduct reconnaissance and surveillance, and the lack of initiative on the environment to interact with objects and operations functions. In order to achieve the objects of the environment initiative of interaction and operation functions, it uses a conventional four-rotor aircraft as a real visual crawling system test platform, mainly based on automatic identification and visual crawl target object motion tracking, complete system design, object recognition and tracking algorithms and crawling algorithm design, system design and experimental verification of this set of processes.In this paper, based on visual crawled four-rotor aircraft systems designed for the study, the first of the mechanical structure and principles of flight elaborate four-rotor aircraft, and then to the aircraft for mechanical modeling and stress analysis, based on the use of three-dimensional design software SolidWorks three-dimensional modeling of aircraft design and three-dimensional model into ADAMS file, and then use ADAMS/Control module provides ADAMS and MATLAB/Simulink co-simulation data interface to achieve joint dynamic simulation, virtual prototyping to verify the visual crawling system effectiveness. On motion tracking and target crawling issues, this paper Camshift tracking algorithm to achieve the target motion tracking, determination of vehicle to the target object to crawl program according to the characteristics Camshift algorithm. Finally, the system design and experimental research, presentation of the aircraft and hardware system to VS2010 and Arduino IED software development platform for the system were developed system of the host computer and the next crew, and system design verification.Keywords: Four-rotor aircraft; SolidWorks; MATLAB/Simulink; ADAMS; Camshift-algorithm; VS2010; Arduino IDE;目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题研究背景及意义11.2 国内外发展现状11.2.1 国内发展现状11.2.2 国外发展现状31.3 主要研究内容5第2章 力学建模与虚拟样机设计62.1 力学建模62.1.1 四旋翼飞行器结构62.1.2 四旋翼飞行器飞行原理62.1.3 四旋翼飞行器坐标系的转换和变换矩阵102.1.4 四旋翼飞行器受力和力矩分析122.1.5 四旋翼飞行器动力学模型建立142.2 虚拟样机设计152.2.1 三维模型和运动仿真模型的建立152.2.2 联合仿真的机械系统建立172.2.3 联合仿真的控制系统建立182.2.4 联合仿真系统结果与分析202.3 本章小结20第3章 目标跟踪与定位抓取算法213.1 基于Camshift的目标跟踪算法213.1.1 颜色RGB与HSV转换213.1.2 颜色直方图与反向投影233.1.3 Mean-shift算法243.1.4 Camshift算法263.2 定位算法设计273.2.1 实验平台简介273.2.2 定位抓取方案273.2.3 目标物体定位算法283.2.4 夹持器高度定位算法293.3 本章小结30第4章 系统设计与试验研究314.1 系统硬件设计314.1.1 系统硬件结构314.1.2 指令输入系统324.1.3 控制器系统324.1.4 驱动器与执行器系统334.1.5 传感器系统344.2 系统软件设计354.2.1 上位机控制程序354.2.2 下位机控制程序374.3 试验研究384.3.1 设备调试384.3.2 飞行试验384.3.3 试验结果及分析394.4 本章小结40结 论41致 谢42参考文献43附录1 中文译文46附录2 外文原文59第1章 绪论1.1 课题研究背景及意义本课题来源于黑龙江省大学生创新创业训练计划项目“基于视觉的四旋翼飞行器飞行抓取系统研究”（项目编号：201410222016）。四旋翼飞行器是一种能够垂直起降的多旋翼飞行器并且具有很多可以创新的地方和广阔的应用前景。近年来，军事领域和民用邻域都运用广泛，例如用于监视、侦察、搭建临时通信通道、救援、巡航、对多种路线进行安全测量、种子播撒、快递投送等方面1。但是四旋翼飞行器一个具有欠驱动、多变量、非线性等复杂的控制系统2并且它的改进空间大的优点，得到国内外科研院校和机构的关注和研究。随着电子技术、MEMS（微机电系统）制造、空气动力学、自主控制技术以及数字通信技术的不断发展，促进无人机逐渐成为新型的空中力量和广泛的运用。但是四旋翼飞行器主要的应用还是限制在拍摄和监测的层面上，不能对环境中的物体进行操作3。如果给四旋翼飞行器安装上机械手、摄像头和各种传感器，那么就可以将机器人技术和视觉系统技术运用到飞行器上并且飞行器能够环境中的物体进行交互操作。由于视觉系统具有精度高、成本低廉、采集的信息丰富等优点和具有良好的抗干扰能力的机载摄像机，可提高飞行器系统的性能。所以目前对四旋翼飞行器的视觉系统技术研究主要有基于视觉的姿态估计技术、基于视觉的自主导航技术和基于视觉的目标跟踪技术这三方面内容。视觉系统技术在四旋翼飞行器应用中，除了可对室内、城市街道、丛林深处等地方执行侦察、勘测、监视等相关任务外，它还可以通过视觉系统采集的图像信息，经图像处理来提取和识别相关信息，从而给飞行器飞行控制系统提供所需飞行参数。同时还可以弥补位置与姿态传感器失灵后所造成微小型飞行器失衡或无法飞行等缺陷。1.2 国内外发展现状1.2.1 国内发展现状目前国内对四旋翼飞行器的研究相对较多较多，并将机器人技术、视觉系统技术、微电子技术等引入其中让四旋翼飞行器的创新研究更多。在运用方面的研究主要集中在航拍方面，并且在这个方面取得非常的进步和完全实现商业化比如大疆的精灵Phantom就是一款主打航拍的飞行器（见图1-1）。在研究四旋翼飞行器的系统研究方面，有许多的高校研究并在这方面的研究较深和取得很大的进步。将视觉系统技术运用到四旋翼飞行器上的研究，近几年也有许多高校研究。如吉林大学研究的基于视觉的微小型四旋翼飞行器位姿估计研究4（见图1-2），它主要是解决在近地面复杂环境中飞行器可以基于视觉进行自主导航飞行；南京航空航天大学研究的基于视觉的四旋翼飞行器目标识别及跟踪5（见图1-3），它主要研究飞行器搭载的摄像头对地面目标物体识别和控制飞行器进行运动跟踪；哈尔滨工业大学研究的多旋翼无人机的机械臂抓取动力学分析和控制研究6（见图1-4），它主要研究无人机的机械臂抓取的仿真和理论的分析。图1-1 大疆精灵Phantom图1-2 基于视觉的微小型四旋翼飞行器图1-3 基于视觉的四旋翼飞行器图1-4 多旋翼无人机1.2.2 国外发展现状国外的四旋翼飞行器主要以德国的Microdrones、美国的Dragonflyer和法国的AR.DRONE最为出名7。由于四旋翼飞行器是一个具有6个状态输出的欠驱动系统，所以稳定性的控制显得尤其重要。如果飞行器无法平稳准确的飞行，那么实现抓取地面上的物体就很难做到。四旋翼飞行器的稳定性控制国外已经有很多的研究成果出现，并且这方面已经很成熟。如：S.Bouabdallah等人详细阐述了用PID和LQ控制四旋翼飞行器稳定飞行的方法8；Nicols Guenard等人实现了通过视觉伺服的方法来控制飞行器的稳定飞行9；Paul Pounds等人在不忽略空气阻力对飞行器的影响以及考虑飞行器的灵敏度和机械结构等，对飞行器建立精确的动力学模型10；Dongbin Lee等人针对四旋翼飞行器的输出反馈跟踪做控制研究11；Erding Altuk等人基于双目视觉反馈做控制方法的研究12。基于这些研究，相关方面的四旋翼飞行器的发展中取得进步。宾夕法尼亚大学的GRASP实验室研究利用视觉信息测量微型四旋翼飞行器的姿态（见图1-5），它是通过安装在飞行器飞行空间上方的摄像机采集飞行器上特殊标识而获得飞行器的位置信息，然后经过定位算法确定四旋翼飞行器的姿态信息和位置信息，并融合机载惯性单元的测量数据和视觉数据来控制多个四旋翼飞行器协作飞行。在TED Global的机器人实验室里，拉菲洛·安德烈将微软Kinect技术用于对四旋翼飞行器的位姿控制（见图1-6），让飞行器根据算法输入解决灵活性问题；在IEEE上海机器人国际学术会议（ICRA 2011）上，瑞士（苏黎世联邦理工学院）的学生介绍他们的四旋翼飞行器（见图1-7），这一个是利用飞行器上的单目视觉和惯性导航器纠正自身的姿态并且定位，同时用飞行器上面的处理器直接做信号处理和运动控制。图1-5 GRASP实验室研制的四旋翼飞行器图1-6 Kinect技术控制的四旋翼飞行器图1-7 ETHZ（苏黎世联邦理工）的四旋翼飞行器1.3 主要研究内容本文在四旋翼飞行器的基础上，对视觉抓取的四旋翼飞行器系统进行研究。基于四旋翼飞行器的动力学模型，在ADAMS与MATLAB中对飞行器进行机械系统模型和控制系统模型的设计。在设计飞行器视觉的运动跟踪控制算法和目标物体算法上，详细的阐述Camshift算法实现运动跟踪的原理，为实现物体抓取提供理论基础。本文的重点是四旋翼飞行器的力学建模、控制器设计和视觉的运动跟踪，整个飞行器系统的难点是如何实现物体的抓取以及飞行器的平稳性的控制。本文的主要研究内容是：（1）动力学建模和应用SolidWorks、ADAMS和MATLAB三个软件进行联合动力学仿真与结果分析，实现机电一体化产品的设计并验证机械模型和控制模型（详见第2章“力学建模与虚拟样机设计”）；（2）基于Camshift算法讲述运动跟踪实现原理和物体精确抓取的方法（详见第3章“目标跟踪与定位抓取算法”）；（3）介绍硬件系统的组成和在VS2010软件平台上结合OpenCV设计PC机上位机软件对机载视觉传输图像的处理和控制飞行器的位姿，根据Arduino IDE软件开发下位机程序主要处理上位机发送的指令、机载模块的单元反馈和控制机械手的动作，最后对设计的系统进行试验研究（详见第4章“系统设计与试验研究”）。第2章 力学建模与虚拟样机设计2.1 力学建模2.1.1 四旋翼飞行器结构四旋翼飞行器的机械结构如图2-1所示，它是一个十字交叉形结构的飞行器。它的四个直流无刷电机分别对称分布在机架的上下、左右四个方向且四个直流无刷电机离机架中心的距离相等，在同一个水平面高度上安装两对正反螺旋桨叶在电机输出轴上，其中螺旋桨1和螺旋桨3逆时针旋转，螺旋桨2和螺旋桨4顺时针旋转，机架中间位置安装微型飞行控制计算机和其他设备13。由于四旋翼飞行器的十字交叉形结构在总距控制和周期变距控制方面是一种控制不复杂的稳定控制方式，所以四旋翼飞行器结构设计不能应用复杂的机械结构14。图2-1 四旋翼飞行器的结构形式2.1.2 四旋翼飞行器飞行原理四旋翼飞行器与直升飞机控制不同，它是通过四个电机的转速变化来改变螺旋桨的转速，从而实现上升拉力改变和位姿的控制。因为飞行器是通过改变四个电机的转速来使上升拉力的变化，所以需要保持飞行器平稳的控制算法，否则会导致动力不稳定。四旋翼飞行器是有六个状态输出的垂直升降的固定翼飞行器，因此它飞行的灵活性好。由于四旋翼飞行器的四旋翼的旋转方式，所以在飞行器平稳的飞行时产生的陀螺效应和空气动力扭矩效应均被抵消并产生平衡机身的反扭矩15。飞行器在三维空间上具有6个飞行运动状态（沿X、Y、Z坐标轴作平移运动和绕X、Y、Z坐标轴旋转动作），6个状态分别是：（1）垂直运动；（2）俯仰运动；（3）滚转运动；（4）偏航运动；（5）前后运动；（6）侧向运动16。（1）垂直运动：四旋翼飞行器垂直运动简图如图2-2所示。从图中可以看出，轴1和轴3为逆时针旋转，轴2和轴4为顺时针旋转，逆时针旋转与顺时针旋转可以产生相反的扭矩。当四个电机的转速同时增大，继而产生更大的向上拉力。当四个旋翼产生的总拉力足以克服自身的重量时，飞行器即可离地垂直上升。反之，当四个电机的转速同时减小时，产生的向上拉力逐渐减小，致使飞行器垂直下降，直至平稳降落到地面，实现飞行器沿Z轴方向的垂直运动。图2-2 四旋翼飞行器垂直运动简图（2）俯仰运动：四旋翼飞行器俯仰运动简图如图2-3所示，从图中可以看出，轴1和轴3为逆时针旋转，轴2和轴4为顺时针旋转，逆时针旋转与顺时针旋转可以产生相反的扭矩。电机1的转速增大，电机3的转速减小且电机1和电机3的转速改变量大小相等，电机2、电机4的转速保持不变。由于旋翼1的转速升高产生的向上拉力逐渐增大，旋翼3的转速下降产生的向上拉力逐渐减小，电机2、电机4产生的向上拉力不变，故电机1和电机3产生的不平衡力矩使机身绕Y轴旋转。图2-3 四旋翼飞行器俯仰运动简图（3）滚转运动：四旋翼飞行器滚转运动简图如图2-4所示，从图中可以看出，轴1和轴3为逆时针旋转，轴2和轴4为顺时针旋转，逆时针旋转与顺时针旋转可以产生相反的扭矩。电机2的转速减小，电机4的转速增大且电机2和电机4的转速改变量大小相等，电机1、电机3的转速保持不变。由于旋翼2的转速减小产生的向上拉力逐渐减小，旋翼4的转速增大产生的向上拉力逐渐增大，电机1、电机3产生的向上拉力不变，故电机2和电机4产生的不平衡力矩使机身绕X轴旋转。图2-4 四旋翼飞行器滚转运动简图741680836（4）偏航运动：四旋翼飞行器偏航运动简图如图2-5所示，从图中可以看出，轴1和轴3为逆时针旋转，轴2和轴4为顺时针旋转，逆时针旋转与顺时针旋转可以产生相反的扭矩。在空气阻力的作用下，飞行中的飞行器会产生与旋翼的旋转方向相反的扭矩。为克服方扭矩对飞行器平衡的影响，让四个旋翼的轴1和轴3反（正）转，轴2和轴4正（反）转。作用力与反作用力是相互的，同理反扭矩的大小随旋翼转速的增大（减小）而增大（减小）。当四个电机旋转速度达到相同时，旋翼1、旋翼3产生与旋翼2、旋翼4方向相反大小相等的反扭矩使飞行器处于垂直状态。当电机1和电机3的转速增大产生的向上的拉力逐渐增大，电机2和电机4的转速减小产生的向上的拉力逐渐减小，旋翼1和旋翼3大于旋翼2和旋翼4对机身的反扭矩，因此机身在两个反扭矩相减的差值作用下绕Z轴旋转且转向与电机1、电机3相反。图2-5 四旋翼飞行器偏航运动简图（5）前后运动：四旋翼飞行器前后运动简图如图2-6所示，从图中可以看出，轴1和轴3为逆时针旋转，轴2和轴4为顺时针旋转，逆时针旋转与顺时针旋转可以产生相反的扭矩。电机1的转速减小，电机3的转速增大且电机1和电机3的转速改变量大小不相等，电机2、电机4的转速保持不变。电机1转速减小产生的升力的大小改变量小于电机3转速增加产生的升力的大小改变量，同时为保持飞行器的反扭矩平衡，于是产生沿X轴的水平分量的拉力使飞行器向前或向后的运动。图2-6 四旋翼飞行器前后运动简图（6）倾向运动：四旋翼飞行器倾向运动简图如图2-7所示，从图中可以看出，轴1和轴3为逆时针旋转，轴2和轴4为顺时针旋转，逆时针旋转与顺时针旋转可以产生相反的扭矩。电机2的转速减小，电机4的转速增大且电机2和电机4的转速改变量大小不相等，电机1、电机3的转速保持不变。电机2转速减小产生的升力的大小改变量小于电机4转速增加产生的升力的大小改变量，同时为保持飞行器的反扭矩平衡，于是产生沿Y轴的水平分量的拉力使飞行器向右或向左的运动。图2-7 四旋翼飞行器倾向运动简图2.1.3 四旋翼飞行器坐标系的转换和变换矩阵为便于动力学模型的建立，需要为飞行器选择合适的特定坐标系作为参考依据，从而使运动方程的推导简单化。首先建立两个坐标系17（见图2-8）：（1）惯性坐标系E（X，Y，Z）：考虑被研究的对象是飞行器在空中平稳飞行的状态，那么飞行器的位置、姿态、速度、角速度等飞行状态参数都是相对地面上某点作为参考坐标系的。在忽略地球自转和地球重心引力的作用，可选定地球表面上一点作为坐标原点建立惯性坐标系。原点O位于地面参照物内一点，X轴指向正东方向，Y轴与X轴垂直且指向正北方向，Z轴与X轴和Y轴构成的XOY平面垂直且方向垂直向上。（2）机体坐标系B（x，y，z）：机体坐标系以飞行器的重心为原点o建立机体坐标系且x轴和y轴构成的xoy在四旋翼飞行器对称平面内。x轴与X轴平行且指向正东方向，y轴与Y轴平行且指向正北方向，z轴与Z轴平行且指向上方。为了便于描述惯性坐标和机体坐标的转换关系，定义3个欧拉角（见图2-9）分别表示机体绕x轴，y轴，z轴旋转到OYZ平面，OXZ平面，OXY平面投影的角度变化，这3个角度构成飞行器的姿态角：（1）滚转角：表示四旋翼飞行做滚转运动时绕x轴旋转在OYZ平面上的投影形成z轴与Z轴、y轴与Y轴的夹角；（2）俯仰角：表示四旋翼飞行器做俯仰运动时绕y轴旋转在OXZ平面上的投影形成z轴与Z轴、x轴与X轴的夹角；（3）偏航角：表示四旋翼飞行器做偏航运动时绕z轴旋转在OXY平面上的投影形成x轴与X轴、y轴与Y轴的夹角；图2-8 四旋翼飞行器坐标系图2-9 姿态角示意简图从图2-9中可以得到机体坐标系转换到惯性坐标系的姿态角转换矩阵18： （2-1） （2-2） （2-3）此时机体坐标系B转换成惯性坐标系E的矩阵转换式为： （2-4）将式（2-1）、（2-2）、（2-3）代入式（2-4）中可得式（2-5）： （2-5）取机体坐标系的一组标准正交基为，惯性坐标系的一组标准正交基为，则两个坐标系间向量的变换为： （2-6）2.1.4 四旋翼飞行器受力和力矩分析四旋翼飞行器的动力学模型是描述飞行器所受外力、力矩、飞行器速度和加速度之间关系的方程。为了简化动力学数学模型可以做如下假设：（1）机体结构为对称分布的刚体；（2）飞行器几何中心及质心与机体坐标系的原点重合；（3）飞行器所受空气阻力和重力加速度不受外界因素影响；（4）不考虑旋翼扭矩对机体的作用；（5）螺旋桨视为刚体。根据上述的假设，采用经典力学理论知识对四旋翼飞行器在垂直起降时所受外力进行分析（见图2-10）：（1）机体的重力G的方向沿z轴负方向；（2）四个电机带动桨叶所产生的升力Fi（i=1，2，3，4），力的方向沿z轴正方向；（3）垂直起降时旋翼的倾转角。在机体坐标系中重力在x轴、y轴z轴的分量如下： （2-7）在机体坐标系中螺旋桨的升力在x轴、y轴z轴的分量如下： （2-8） （2-9） （2-10）图2-10 四旋翼飞行器受力分析综合上述分析，由式（2-7）、（2-8）、（2-9）、（2-10）得出作用在四旋翼飞行器上的力和力矩在机体坐标系上分量如下： （2-11） （2-12）其中L为绕机体坐标系的x轴，y轴，z轴转动力矩的力臂长度。2.1.5 四旋翼飞行器动力学模型建立由牛顿第二定律对飞行器进行动力学分析有19： （2-13） （2-14）其中，F为在飞行器上作用的外力和，FB为四个旋翼产生的升力，m为飞行器的总质量，v为在惯性坐标系中飞行器的速度矢量。由矩阵变换可知，机体在惯性坐标系下受到的升力为： （2-15）其中Fi（i=1，2，3，4）是单个旋翼的升力。将四旋翼飞行器在惯性坐标系的线位移表示为，那么运动速度为、运动加速度为。由公式（2-13）、（2-15），可得四旋翼飞行器在惯性坐标系中的线位移运动方程为： （2-16）其中K1，K2，K3为四旋翼飞行器在惯性坐标系X轴、Y轴、Z轴三个方向上受到的空气阻力。从四旋翼飞行器的飞行状态和受力分析，四旋翼飞行器受到的力矩主要来自旋翼力矩和空气阻力等作用的影响。飞行器的角位移运动方程经拉格朗日力学方法推导，飞行器的动能方程为20： （2-17）飞行器的势能公式方程为： （2-18）由拉格朗日方程可知，L=T-V并取广义坐标，故其广义力为： （2-19）将式（2-17）、（2-18）、（2-19）分别代入拉格朗日方程中，可得飞行器的角位移运动方程： （2-20）上式（2-17）、（2-18）、（2-19）、（2-20）中、分别为滚转角速度、俯仰角速度、偏航角速度；、分别为滚转角加速度、俯仰角加速度、偏航角加速度；、分别为x轴的转动惯量、y轴的转动惯量、z轴的转动惯量；为机体重心到每个旋翼的距离。根据四旋翼飞行器的飞行原理定义飞行器子系统的4个输入量为21： （2-21）式（2-21）中：U1为垂直速度控制量；U2滚转控制量；U3俯仰速度控制量；U4偏航速度控制量。由线位移运动方程、角运动方程和式（2-21）可得四旋翼飞行器的运动学方程如下： （2-22）2.2 虚拟样机设计2.2.1 三维模型和运动仿真模型的建立ADAMS是一个专门做机械系统动力学自动分析的虚拟样机分析软件。虽然ADAMS具有多种建模的工具，但是在ADAMS软件中直接建较复杂的三维模型是很困难的。由于在ADAMS中建立飞行器的模型是非常复杂和困难，所以需要借助三维绘图软件建立飞行器的三维模型并将模型导入ADAMS软件中。本课题选择在SolidWorks软件中建立四旋翼飞行器三维模型，飞行器三维模型如图2-11所示。图2-11 四旋翼飞行器三维结构模型由于在SolidWorks中创建的飞行器三维模型的结构较为复杂且零部件较多，为便于导入ADAMS中的三维模型进行动力学分析。所以将设计的四旋翼飞行器简化为由1个机架、4个电机、4个旋翼和1个电池组成的三维结构模型（见图2-12）。图2-12 四旋翼飞行器简化的三维结构模型由于在SolidWorks中创建的四旋翼飞行器结构模型文件为SLDASM格式，所以在SolidWorks软件中要将文件的SLDASM格式转换为_X_T（Parasolid）格式导入到ADAMS软件中。在ADAMS中对导入进来的模型，首先，每个零部件进行质量、材料、转动惯量等相关属性编辑。经过对零件的相关属性编辑完后，为了实现精确的虚拟样机的真实仿真和前面的力学建模理论知识，还需对导入ADAMS软件中的模型进行定义相关的约束及驱动。对三维模型中的两两不发生相对移动部件进行布尔运算变成一个零部件22，如此可以将飞行器的零部件之间的约束关系确定。在4个电机输出轴的轴线处分别定义旋转驱动作为4个输入的驱动力矩。根据动力学建模的理论知识和简化仿真难度，本联合仿真将忽略空气阻力等因素，并且把4个输入的升力简化为刚性作用力（见图2-13）。图2-13 定义约束后的四旋翼飞行器模型2.2.2 联合仿真的机械系统建立为让ADAMS与MATLAB/Simulink进行联合仿真，首先将在ADAMS中建立的机械系统模型利用ADAMS/Control模块导入到MATLAB中，然后在MATLAB/Simulink中搭建控制系统模型。在使用ADAMS/Control模块并设置相关的参数，就可生成能在MATLAB中打开的文件和软件之间数据交互的借口23。在ADAMS/Control模块创建机械系统的参数状态变量分别是3个欧拉角变量和4个控制转速变量。在联合仿真的过程中，4个电机输入Speed1、Speed2、Speed3、Speed4的四个旋翼转速变量值，AngleX、AngleY、AngleZ分别作为滚转角、俯仰角、偏航角输出并反馈到控制系统中，从而构成闭环姿态控制系统（见图2-14）。在ADAMS中利用ADAMS/Control模块生成3个文件分别是2个CMD格式和1个MDL格式。然后打开MATLAB软件并在命令窗口中输入命令：adams_sys去调用ADAMS/Control模块，即生成四旋翼飞行器机械系统模块（见图2-15）。图2-14 联合仿真系统的数据传递图2-15 联合仿真系统的机械系统2.2.3 联合仿真的控制系统建立PID控制是工业自动控制领域发展最早的控制理论之一，而且目前PID控制还在广泛应用在机械、化工、电子等工业领域。PID控制的原理简单、方便使用、适用范围广、鲁棒性好等优点24。它是通过将被控对象产生的被控变量值与输入的设定值进行大小比较，从而产生一个与偏差信号相关的控制信号输入被控对象中。经典PID控制系统是由比例、积分、微分三个环节组成的负反馈闭环控制，原理框图如图2-16所示。图2-16 经典PID控制原理框图PID控制器是根据设定值与实际输出量构成控制偏差，再对偏差进行比例、积分、微分调节的一种方法，其控制规律为25： （2-23）将上式变换成传递函数表示为： （2-24）其中，为系统偏差，为比例环节系数，为积分环节系数，为微分环节系数。PID控制是综合了比例、积分、微分三种控制的特点，比例控制快速抵消干扰的影响，积分控制作用于外界干扰或者建立的模型与实际系统之间不匹配而引起的稳态误差，微分控制具有某种程度的预见性，改善系统稳定性，提高控制精度。根据以上的PID控制理论和飞行器模型受力分析，在MATLAB/Simulink中列出电机调速控制系统，如图2-17所示。图2-17 电机调速控制系统由于飞行器的输入变量与输出变量之间的耦合作用、系统的不确定性和外部的干扰因素，所以使得飞行器系统的控制变得很复杂。本设计在开始联合仿真前将MIOM非线性系统简化为线性多变量解耦系统，分别对俯仰角、滚转角、偏航角采用PID控制飞行器的四个电机转速的控制，实现对飞行器的3个欧拉角的控制并且对欧拉角变化进行精确的跟踪。为了简化控制系统复杂度，本设计只对滚转角和俯仰角进行电机调速控制。在4个电机调速控制系统Subsystem1、Subsystem2、Subsystem3、Subsystem4设定12V电压输入的参数值。在Subsystem1与Subsystem4的前向通道加入PID控制器，分别是PID Controler1和PID Controler2，然后把俯仰角与滚转角的负反馈信息输入（见图2-18）。在仿真试验中用试凑法整定联合仿真姿态控制系统的PID参数。图2-18 联合仿真姿态控制系统2.2.4 联合仿真系统结果与分析在机械系统模型和和控制系统模型建立好之后以及各个参数设定完毕后，在MATLAB/Simulink中设置好仿真时间，点击开始仿真按钮，并将从Scope1、Scope2、Scope3中获得的三条曲线导入到ADAMS/PostProcessor中，得到欧拉角跟踪特性曲线图（见图2-19）。图2-19 欧拉角的跟踪特性曲线从仿真结果分析可以看出，在Step1和Step2对旋翼1和旋翼4输入阶跃信号的干扰下，利用Scope1、Scope2、Scope3捕捉的系统响应时间可以看出，控制系统起到调节的作用。而且系统能够在较短的时间内使当前飞行器的姿态迅速的达到稳定状态，验证机械模型和控制模型的准确性。2.3 本章小结本章主要介绍了四旋翼飞行器的力学建模和虚拟样机系统的仿真。首先阐述飞行器的机械结构和飞行原理，为后面的飞行器的受力分析做了铺垫；为方便飞行器的数学模型建立和力学理论的讲解，建立了倾转四旋翼飞行器机体坐标系和地理坐标系；力学建模为ADMAS软件的机械系统模型和MATLAB中控制系统模型的建立奠定理论基础；利用Solidworks软件的三维建模功能、ADAMS软件的机械动力学分析功能和MATLAB软件的动态系统建模功能建立了飞行器的机械系统模型与控制系统模型，实现了多个软件的联合仿真及验证本实验的飞行器系统有效性。在本章的力学模型和系统的仿真的基础上，为第四章的软件系统设计奠定基础。第3章 目标跟踪与定位抓取算法3.1 基于Camshift的目标跟踪算法3.1.1 颜色RGB与HSV转换摄像头传输给计算机的视频图像是RGB模型下的颜色分布，由于RGB对光照强度的影响很敏感，所以将RGB模型转换成HSV模型可以去除光照影响。RGB模型空间是正方体，模型空间可以用笛卡尔坐标系来表示，其中坐标系的3个轴分别用R、G、B表示，坐标原点对应黑色（Black）（见图3-1）。由三基色原理可知，自然界中的色光S都是由红（Red）、绿（Green）、蓝（Blue）三种基色按不同的比例分量相加组合而成： （3-1）式中（3-1）s代表新组成的一种色光S，r代表红色（R）的比例系数，g代表绿色（G）的比例系数，b代表蓝色（B）的比例系数，其中r、g、b的比例系数取值范围在0到1之间。当R、G、B三个比例系数都为0时，S代表一种黑色光；当R、G、B三个比例系数都为1时，S代表一种白色光。图3-1 RGB模型空间HSV是A.R.Simth