《关于旋翼飞行器使用摄像头视角的研究.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《关于旋翼飞行器使用摄像头视角的研究.doc（11页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、国际计算机应用杂志（0975-8887）2010年12月10号-卷11关于旋翼飞行器使用摄像头视角的研究Debadatta Sahoo Amit Kumar 教授助理 K. Sujatha EEE系 EEE系 EEE系M.G.R.博士大学 M.G.R.博士大学 M.G.R.博士大学摘要 本文以介绍控制摄像机的光轴安装摄像机机械手并固定在四旋翼遥控车为中心。一个四自由度的四旋翼无人机模型将用两自由度相机运动学模型来创建一个单一的系统与提供了相机视图的完整的六自由度驱动相结合。这个调查工作提出利用所有的相机中的信号来描述框架。该闭环控制器设计是基于李雅普诺夫型分析来使生产范围内的最终跟踪结果显（G
2、UUB）。由建议的控制器提供的计算机仿真结果证明。关键词 使用MATLAB，直流无刷电机，遥控，手动控制，可视摄像头1、 引言使用四旋翼飞行器（或任何飞行器）的典型场景摄像头作为视频平台是基于相机安装在一个位置，从车辆独立控制。当导航或监视任务变得复杂,可能需要两个人来实现摄像头瞄准目标:一个试点无人机导航和摄影师。摄像机操作者，使这个方案是可行的一部分的重要的基本操作是，拍摄者必须补偿扰乱瞄准摄像机无人机的运动; 摄像头上的无补偿的摄像头平台运动轴可能会失去目标,但一个场景,摄像头定位用于补偿平台运动可以保持摄像头视图。此典型操作情景的潜在缺点可以总结为：）多个熟练的技术人员通常是必需的，i
3、i）该摄像头操作者必须补偿导频的动作，以及iii）它不是直观的摄像头操作者的分裂摄像头的动作之间的摄像头瞄准任务定位在由操作者控制和命令的导频。提供直观的接口，其中操作者可以移动定位的摄像机、头，使摄像头跟踪目标图像的问题出现在很多地方。移动系统的困难在于遵循一个摄像头最近被解决的主题。固定的的角度来看这一相同的基本相机定位问题提出了相机平台,四旋翼无人机,相机定位装置被认为是一个单一的机械装置。在这项工作的基础上，以示对合并四转子摄像系统，从摄像头场 - 视移动两个元素生成的操作员命令的工作速度控制器的设计。本文的结构如下。在第3节中，四转子的运动学和动力学模型。运动学定位为三连杆相机的开发
4、;然而，只有两个链路被用在任何位置的情况。这样做的情况下定位成用在2链路，倾斜辊配置，以期待通过控制设计和仿真进行2。2、 文献综述 2.1旋翼模型A.在驱动四旋翼飞行器模型。的四旋翼无人飞行器模型的元素被显示在图2的四转子体固定帧，F，被选择为与重心这意味着它具有对角线惯性矩阵一致。运动学和四转子的动态模型被表示为1,2 （1） （2） （3） （4） 在这个模型中 R表示相对于地球固定的惯性坐标系的四转子体固定框架F的线速度，I表示被检体内的固定帧，F中，和 R表示的角速度相对于惯性坐标系的旋翼本体固定帧F，I，身体的固定框架，F.方程中表达（1） - （3）表示的四转子的运动。在（1）中
5、是旋翼的速度，在（2）中表示，角速度变换由矩阵变换的位置和角度，被认为是可衡量的。式（2）表示的建模假设角速度四转子的被代替的建模角度动力学的直接计算; 被认为是作为系统的输入。平移速度的动力学显示在（4）并且包含引力术语，当gR，表示重力加速度，E3=表示在惯性坐标系的坐标的单位矢量，是四转子的已知质量，代表一个有界函数，例如，气动阻尼力，是斜对称矩阵的一般形式6。四转子具有固有的6自由度的;然而，四线转子只有四个控制输入：沿z轴和三个角速度1平移力。图1：四旋翼带云台摄像机辊定位矢量指的是四转子平移力，但在现实代表被求和的四个转子产生的力产生和被表示为单一的平移力0 0 U1 ，其中B1
6、= I3是一款配置矩阵（执行器动力学超出了设计范围），并 图2 四转子的运动四转子有四个电动机位于跨框的前，后，左，右端。四转子是通过改变每个电机的旋转速度进行控制。前后转子逆时针方向旋转而左和右转子以顺时针方向旋转,平衡转矩由旋转的转子。左边和右边转子的相对速度是控制无人机的滚转率的变化。由合适的电机的速度降低相同的量增加了左马达的速度将保持由四个转子大致相同的所提供的总推力。另外，通过这两个转子产生的总扭矩保持恒定。类似地，俯仰速率是通过改变前后转子的相对速度控制。横摆率是通过改变向顺时针的相对速度（右和左）和逆时针（前和后）的转子来控制。集体推力是通过同时改变所有的转子的速度控制1-3，
7、4。2.2相机定位运动学如前所述，四转子可以在z方向上的推力，但是它不能推力在x-或y-方向。由于直升机旋翼下致动在它的两个平移速度，两致动器镜头被添加来实现六个自由度（DOF）控制的在相机中的帧。一个tiltroll相机被添加到直升机看到。有了新的摄像头边框的正面，现在有三个旋转和三个译本，共有六自由度，来驱动。控制任何的自由度，也不论相机必须移动时，UAV必须移动，或两者兼而有之。2.2.1对无人机的前倾斜辊相机无人机框架和可见上图1相机帧之间的旋转矩阵为：因为只有角度的2有所不同，雅可比行列式可以被重新定义为：最后，这有利于摄像机的角度的计算。022.2.2视觉传感器通常，视觉传感器包括
8、一个摄像机和图像处理块的。在模拟的对象被定义为通过在MATLAB多面体命令与地球的每个点的坐标3X1向量。来表征物体的四个特征点被选中，被定义为相机是仿照通过使用相机的位置和方向以及对象（XC，XO）。图像处理模块是仿照成像几何和透视投影的详细信息可以在许多计算机视觉文本被发现6。开发的视觉传感器模型，第一帧被定义。直升机帧为Rh，相机架是Rc与该对象帧是罗如图3。图3 相机对象和直升机的轴2.3四旋翼的控制直升机控制器具有为U1，U2，U3和U4的4输入命令。U1表示绕z轴的平移。 U2表示绕y轴（侧倾角）的旋转。 U3表示绕x轴（俯仰角）的旋转。最后，U4表示绕z轴线（偏航角）的旋转。在这
9、项研究中，比例微分（PD）控制器被设计为控制直升机6。这是因为，该控制算法能够从直升机模型来获得与该算法使系统呈指数稳定图4 四旋翼控制系统2.3.1. 高度控制直升飞机的高度控制方程1 (1)z *参考线速度价值在z轴是直升机的第三个组件参考速度矢量vh *。2.3.2. 翻译控制有必要控制音高和辊角度控制x和y轴周围的翻译。因此,对于翻译在x轴,参考螺旋角和螺旋角(的角速率。* *)要求。同样,在y轴进行翻译,参考横摇角(*,*)和横摇角的角速率要求。而角利率决定从向量vh *(4和5 thcomponents),角度是由使用Eq(2). (2) (3)2.3.3. 偏航控制所需的输入信号
10、为直升飞机的偏航控制方程给出了3 (4)图5 线性和角度直升机的速度2.4. 旋翼设计过程定制设计的实验测试台在用于执行安全实验图6was所示。该试验台可让直升机自由地进行偏航运动，允许高达2米的高度，以及高达 20 侧倾和俯仰运动。该实验系统包括一个模型的四旋翼直升机，一个试验台，平移/针锋相对/变焦摄像头，反射折射摄像机在将来的研究中使用，和一个IMU传感器。一个Core2Quad 2.40 GHz处理器的桌上型电脑与3绿带内存在Windows XP上，有一个双重图像采集卡已被使用。算法采用矩阵图像库8.0 C + +的 20 开发的。一个索尼的平移/倾斜/缩放摄像机被定向到一个固定的地面
11、目标。拍摄的图像与特征提取程序处理，以确定在现场的黑色斑点的功能。被选定为简单性和实时性能不同大小的黑色斑点。为了验证了该算法的有效性已经完成偏航运动的视觉伺服控制下的实验。直升机开始于70度的偏航角和目标是达到视觉伺服控制下的110度的偏航角。直升机的实验过程中的欧拉角示于图。直升机达到所需的偏航值的滚转和俯仰角的运动过程中保持在零度。图6 欧拉角的直升机在实验中在实验过程中的线速度和角速度都在图6中，所需的角速度，其与横摆运动相关的趋近于零线作为直升机接近期望的偏航角.图7 偏航控制实验的结果3 提出的技术在我们的UAV建议的技术在下面列出。它有四个转子和使用四个螺旋桨。这将是更为稳定。它
12、的身体1视觉相机。它可以给适当的图像向上to100m拟合（近似） 。它能够达到的高度可达100配合（近似） 。它具有的容量3000转的无刷直流电动机，这将是非常轻的重量。我们的项目充分展示了重要的控制功能，从而允许一个系统，该系统是动态的，否则不稳定的自主平衡。阿四转子构成比单转子或双转子内嵌直升机更具挑战性的控制问题，因为控制要求包括会计电机之间存在，并导致每个电机提供一个稍微不同的级别升降的微妙变化。为了使四转子工艺是稳定的，这四个马达都必须提供升力的相同量，并且它是在控制系统通过调节供给到每一个的功率占电机之间的变化的任务。我们认为是四旋翼飞行器的控制作为一种有价值的挑战追求。这种工艺的
13、优点保证了设计挑战，为四旋翼工艺比singlerotor工艺更高效，更灵活。不像单旋翼机，其采用了第二个较小的垂直推进器来改变方向，则四转子工艺的定向运动是由四个相同的电机所提供升力产生。此外，四旋翼可以改变方向，而无需重新调整自身 - 有正面和工艺的背面没有区别。在旋翼，每个转子起着罗林方向和所述车辆的平衡以及升力，不同的是比较传统的单旋翼直升机设计，其中每一个转子都有一个特定的任务 - 升降机或方向控制 - 但从未两者。我们也用结构部件，在下面的表1中提及。表1 结构组件S.no结构部件的名称1少刷直流电动机2推进式螺旋桨，螺旋桨拖拉机3齿轮箱4臂5电池6中央枢纽7电机安装8速度控制器9视
14、摄像头3.1 直流无刷电机该电机是钴，拉丝，额定为12 V直流电动机，15个安培的电流。直流，有刷电机的配置是需要的，便于控制（能够通过PWM控制）的。该cobaltmotors使用强的稀土磁铁，并提供体重可用于模型飞机爱好电机的比最好的动力。我们通过我们的designbudget仅限于这些爱好电机。因此，我们的结构设计的其余部分都是围绕着这些电机的选择和工艺的允许重量的基础上，如图8这些马达（约350克电梯从每个电机）提供的升力。图8 无刷直流电机和电池3.2 螺旋桨螺旋桨是从尖10给小费。两个是拖拉机式的，为顺时针旋转，而其他两个是推杆式的，为逆时针旋转。对于我们的设计，具有攻击的小角度螺
15、旋桨是必要的，因为它提供了垂直电梯的稳定盘旋。我们使用的螺旋桨是的，因为这是在生产拖拉机和推两种款式螺旋桨有限比理想的设计更陡。3.3 变速箱齿轮箱具有2.5:1的传动比。它们减少相比，电动机的速度的螺旋桨的速度，从而使电动机施加更大的扭矩在螺旋桨同时绘制远小于在直接驱动配置的电流。3.4 臂我们的四转子设计的臂需要的是重量轻，强度足以承受10应力和应变所引起的电动机的重量，并在其相对的端部的中心轮毂。碳纤维被认为是由于其重量，以强度比的最佳选择。该管的厚度被选择为尽可能小，以降低其重量。基于所述螺旋桨被选择，每个臂（10“）的长度。所使用的螺旋桨是10“长每所以我们不得不留出足够的空间，他们
16、没有彼此遭遇乱流旋转。由于这样的现象将是相当复杂的分析，我们简单地隔开马达farenough分开，以避免转子之间的湍流干扰的可能性。 3.5 电池将电池的功率要求为所选电机/齿轮箱组合的基础上选择。我们选择的锂聚合物品种的电池，尽管这是大大高于其它电池提供相同的功率更昂贵，因为该电池提供最佳的功率 - 重量比。我们的电池的选择是一个1450mah12.0V12C锂聚合物电池。（注：因为我们没有足够的时间来整合车载控制系统的电路，因而只进行系留飞行，我们最终并没有购买的电池。），如图9。 图9 锂聚合物品种3.6 中央集线器中央轮毂承载的所有电子设备，传感器，以及电池。它位于比电动机4，以使重心
17、向下，增加稳定性较低。我们使用快速成型机考虑我们的设计为枢纽制造它，快速成型机是因为它能够产生比较复杂的细节，例如斜孔，允许为中心枢纽坐比周围低的电机能力理想。在快速成型中使用的热塑性聚合物具有良好的强度重量比。3.7 电机支架电机支架连接马达的碳纤维臂。因为其复杂的细节，他们使用快速成型机进行制造的，因此，由热塑性聚合物制成。3.8 四旋翼控制框图下图描绘了我们的控制系统。该图表示控制系统与控制的四旋翼飞行物理系统的交互方式。该系统的控制包括四个独立的PID回路。PID回路时需要变桨控制，侧倾控制，偏航控制和高度控制。作为各自的PID控制计算如何在平台必须改变时，结果被总结为每个产生所需的四
18、转子的集成控制如图10所示的校正的电机。图10 框图控制系统原理图4 结论这项调查本文提出了一种新的飞了摄像头的方法来设计一个驱动下的四旋翼飞行器恭维四转子运动有两个额外的摄像头轴产生一个完全启动相机定位平台非线性控制器。该方法熔断器车辆导航和摄影机瞄准到那里的驾驶员目视和苍蝇的系统通过骑在相机光轴的单个任务的经常独立的任务。该控制器被证明提供位置和角度跟踪全球统一的最终有界（ GUUB ）结果的形式。视觉信息已经被完全用于与特征估计，基于图像的控制和直升机控制器模块车辆的控制。在MATLAB和对模型直升机进行各种实验，仿真结果表明，该方法是成功的。作为未来的工作中，我们计划通过实验验证了仿真
19、结果与在控制回路用更先进的运动静止和非静止物体。5 致谢作者非常感谢MGR博士当局教育研究院，晨奈，印度，提供了进行这项研究work.Many生活和命运是由于缺乏正确的引导，方向和机遇销毁设施。正是在这方面，我们觉得我们今天是在更好的条件下，由于动机的连续过程和重点我的父母和教师普遍提供。该项目的完成过程是非常繁琐和需要照顾和支持的各个阶段。我们想强调通过对这一个人所扮演的角色。 我们很感激内部向各位夫人K.Sujatha为我们提供了机会和基础设施，以完成项目为B.技术程度的一个部分履行。我们非常感谢L.Ramesh，EEE系系主任，他的鼎力支持和信任我们。6 参考文献1 Nicolas Gu
20、enard, Tarek Hamel,and Robert Mahony, “A Practical Visual Servo Control for an Unmanned Aerial Vehicle” transaction on robotics,vol-24,no-2,april2008 33. Member, IEEE.2 Andrew E. Neff, DongBin Lee, Vilas K. Chitrakaran, Darren M. Dawson and Timothy C. Burg “Velocity Control for a Quad-Rotor UAV Fly-
21、By-Camera Interface” Clemson University.3 Dong Bin Lee1, Vilas Chitrakaran2, Timothy Burg1, Darren Dawson1, and Bin Xian “ Control of a Remotely Operated Quad rotor Aerial Vehicle and Camera Unit Using a Fly-The-Camera Perspective” Proceedings of the46th IEEE Conference on Decision and Control New O
22、rleans, LA, USA, Dec. 12-14, 2007.4 Clinton Allison Mark Schulz “ Build a Micro Air Vehicle (MAV) Analysis and design of an on-board electronic system for a Quad Rotor Micro Aerial Vehicle.”ENGG4801 Thesis Project.5 Erding Altuk, James P. Ostrowski, Camillo J. Taylor“Quad rotor Control Using Dual Ca
23、mera Visual Feedback” GRASP Lab. University of Pennsylvania, Philadelphia,PA 19104, USA. September 14-19, 2003.6. Zehra Ceren, Erdin Altu “Vision-based Servo Control of a Quad rotor Air Vehicle”, IEEE, 2006.7. Engr. M. Yasir Amir 1, Dr. Valiuddin Abbass 2 “Modeling of Quadrotor Helicopter Dynamics”
24、April 9-11, 2008 in KINTEX,8. James F. Roberts, Timothy S. Stirling, Jean-Christophe Zufferey and Dario Floreano Ecole Polytechnique Fdrale de Lausanne (EPFL), Lausanne, 1015,Switzerland. “Quadrotor Using 9. Thae Su Aye, Pan Thu Tun, Zaw Min Naing, and Yin Mon Myint. “Development of Unmanned Aerial Vehicle Manual Control System”. World Academy of Science, Engineering and Technology 42, 2008