毕业设计(论文)基于视觉抓取的四旋翼飞行器系统设计.doc
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1、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
2、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ADA
3、MS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
4、 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-roto
5、r 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 in
6、itiative 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
7、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 air
8、craft 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 inter
9、face 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 progra
10、m 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 syste
11、m 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.
12、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.
13、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
14、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
15、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
16、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
17、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
18、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
19、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
20、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AD
21、AMS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
22、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
23、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
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