《無人機(jī)跟蹤問題研究任務(wù)書+開題報告（含文獻(xiàn)綜述）》

《無人機(jī)自主跟蹤目標(biāo)靶飛行研究》任務(wù)書本任務(wù)書下達(dá)給：級專業(yè)學(xué)生設(shè)計(jì)（論文）題目：一、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）基本內(nèi)容本論文選題主要研究由機(jī)器視覺系統(tǒng)定時定位目標(biāo)靶位置與串級神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID算法結(jié)合的飛控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無人機(jī)自主跟蹤目標(biāo)靶飛行的目標(biāo)。本文主要對以下幾個核心內(nèi)容進(jìn)行了研究：一是四旋翼無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)基礎(chǔ)串級PID算法探究與實(shí)現(xiàn)；二是操縱嵌入式機(jī)械視覺體系在空中對方針靶辨認(rèn)與定位的探討與實(shí)現(xiàn)；三是基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID的航位跟蹤算法的研究與實(shí)現(xiàn)；四是對比研究神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID與定參量PID在無人機(jī)目標(biāo)靶跟蹤控制的優(yōu)劣。二、基本要求1.在基于STM32微控制器與MPU6050陀螺儀與加速度計(jì)為核心器件的飛控板上，設(shè)計(jì)串級PID算法實(shí)現(xiàn)四旋翼無人機(jī)的受控起飛、降落、及其他平飛動作；2.利用Matlab對特定圓形純色方針靶點(diǎn)舉行辨認(rèn)與位置檢測的仿真鉆研，并按照成果舉行算法優(yōu)化，終究得出仿真算法流程；3.固定無人機(jī)在同一高度非傾斜狀態(tài)下，在基于ARMCortex-A53為處理器、OV5640為視覺感光元件的視覺開發(fā)測試平臺上，設(shè)計(jì)機(jī)器視覺算法實(shí)現(xiàn)對特定的圓形純色目標(biāo)靶點(diǎn)的識別與位置檢測；4.建立并設(shè)計(jì)視覺與飛控間通信通道與機(jī)制；5.在飛控平臺上研究通過IMU姿態(tài)數(shù)據(jù)糾正圖像定位數(shù)據(jù)；6.設(shè)計(jì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制算法實(shí)現(xiàn)目標(biāo)靶點(diǎn)跟蹤上的無人機(jī)位置控制；研究對比神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制算法與傳統(tǒng)固定參數(shù)PID控制算法在無人機(jī)目標(biāo)靶點(diǎn)跟蹤上的優(yōu)劣。三、重點(diǎn)研究的問題機(jī)器視覺的四旋翼無人機(jī)靶點(diǎn)跟蹤飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可以解決城市警力不足、打擊犯罪缺乏機(jī)動性、應(yīng)急能力等問題。無人機(jī)的立體跟蹤，高空定位可以對此問題進(jìn)行解決。在森林營救方面需要高效、全面的森林搜索，無人機(jī)跟蹤飛行控制系統(tǒng)可以大大縮減搜索時間、增大營救成功幾率?？傮w而言，無人機(jī)需要更全面的開發(fā)和利用。無人機(jī)的使用開發(fā)，現(xiàn)在只是起步階段，還有很大的創(chuàng)新空間。在未來無人機(jī)的使用將很大的推進(jìn)社會發(fā)展和科技進(jìn)步。本設(shè)計(jì)重點(diǎn)研究的問題，就是用改善算法和目標(biāo)點(diǎn)跟蹤拍攝技術(shù)提高無人機(jī)的實(shí)用性和可靠性。設(shè)計(jì)四旋翼無人機(jī)基礎(chǔ)飛行串級PID控制算法、仿真研究機(jī)器視覺對目標(biāo)靶的識別與定位算法、設(shè)計(jì)嵌入式機(jī)器視覺目標(biāo)靶識別與定位算法、設(shè)計(jì)IMU數(shù)據(jù)糾正圖像傾斜畸變的算法與數(shù)據(jù)融合算法，也是我完成此設(shè)計(jì)所重點(diǎn)研究的問題，完成此設(shè)計(jì)對我的能力也是提高和鍛煉。四、主要技術(shù)指標(biāo)本文采用改善PID算法和無人機(jī)視覺體系的BLOB算法以及霍夫變換算法來實(shí)現(xiàn)黑點(diǎn)定位和靶點(diǎn)定位，利用目標(biāo)點(diǎn)跟蹤拍攝技術(shù)提高無人機(jī)的實(shí)用性和可靠性。設(shè)計(jì)四旋翼無人機(jī)基礎(chǔ)飛行串級PID控制算法、仿真研究機(jī)器視覺對目標(biāo)靶的識別與定位算法、設(shè)計(jì)嵌入式機(jī)器視覺目標(biāo)靶識別與定位算法、設(shè)計(jì)IMU數(shù)據(jù)糾正圖像傾斜畸變的算法與數(shù)據(jù)融合算法。此次設(shè)計(jì)綜合了無人機(jī)基礎(chǔ)飛行串級的PID控制算法和視覺體系定位的BLOB算法、霍夫變換算法等技術(shù)指標(biāo)。五、其他要說明的問題本研究所設(shè)計(jì)的無人機(jī)基礎(chǔ)飛行串級的PID控制算法和視覺體系定位的BLOB算法、霍夫變換算法等技術(shù)指標(biāo)，還存在深度研究的不足性，為此在畢業(yè)論文撰寫的過程中應(yīng)及時和導(dǎo)師溝通交流，并增強(qiáng)相關(guān)文獻(xiàn)資料的閱讀能力，以解決相應(yīng)問題。下達(dá)任務(wù)日期：年月日要求完成日期：年月日指導(dǎo)教師：

開題報告題目：學(xué)生姓名：學(xué)號：年月日一、文獻(xiàn)綜述1907年法國Breguet兄弟制造了第一架四旋翼飛行器，即Breguet-RichetGyroplaneNo.1，并在同年8月進(jìn)行了第一次飛行試驗(yàn)，但由于沒有設(shè)計(jì)飛行控制系統(tǒng)，因此飛行性能較差。1922年美國工程師GeorgeDeBothezat制造了一架大型四旋翼飛行器，該飛行器能實(shí)現(xiàn)拉力和方向的控制，相較于第一架四旋翼飛行器來說，其飛行性能有了很大提升，但由于其飛行性能達(dá)不到軍方要求，同時耗費(fèi)的研究經(jīng)費(fèi)逐漸上升，因此該項(xiàng)目最終被擱置。1924年，經(jīng)過上千次的飛行試驗(yàn)，Omemichen四旋翼飛行器在穩(wěn)定性和可控性上有了很大提升，其首次飛行高度達(dá)到360m，而其后飛行高度提升到525m，并且在7分40秒內(nèi)完成了1km的閉環(huán)飛行.1956年，Convertawings公司的M.K.Adman設(shè)計(jì)了ConvertawingsModel四旋翼飛行器。該飛行器通過兩個發(fā)動機(jī)進(jìn)行懸停和機(jī)動，并取得了試飛成功。但由于該四旋翼飛行器載重量、飛行速度、持續(xù)飛行和飛行距離等能力太弱，與傳統(tǒng)飛行器相比無法取得競爭優(yōu)勢，因此進(jìn)一步研究被迫停止.此后的幾十年間，由于當(dāng)時慣性導(dǎo)航、動力系統(tǒng)等機(jī)上設(shè)備體積較大，且旋翼驅(qū)動相較于噴器機(jī)動的動力過小，導(dǎo)致四旋翼飛行器的有效載荷很小，與固定翼飛行器相比，四旋翼在各方面都沒有優(yōu)勢，不能滿足當(dāng)時的各類任務(wù)需求，因此相關(guān)的研究進(jìn)展一直停滯不前。直到近十幾年，四旋翼飛行器通過采用新型動力源大幅提升了可裝載有效載荷的重量，而采用新型復(fù)合材料后四旋翼飛行器將具有質(zhì)量更輕、強(qiáng)度更高的機(jī)體，MEMS技術(shù)的發(fā)展使得設(shè)備小型化趨勢越加迅速，重量只有幾克的MEMS慣性導(dǎo)航系統(tǒng)得以被開發(fā)運(yùn)用，再加上現(xiàn)代飛行控制理論技術(shù)的突飛猛進(jìn)，四旋翼飛行器的結(jié)構(gòu)和性能有了極大的提高，同時，考慮到微小型飛行器相較于固定翼飛行器所具有的優(yōu)勢，研制并發(fā)展微小型四旋翼飛行器成為目前各國商業(yè)公司的重點(diǎn)研究對象目前，國內(nèi)外對四旋翼飛行器的研究主要以遙控航模、小型四旋翼以及微型四旋翼飛行器等為主.美國Draganflyer公司研制了可折疊遙控航模四旋翼飛行器（DraganflyerX8），主要用于進(jìn)行航拍作業(yè)。其外型折疊尺寸為長70cm，高25.4cm，寬35.5cm；有效載荷800g，最大起飛重量2700g；可無負(fù)載飛行20min，最高飛行速度達(dá)到50km/h。DraganflyerX8的姿態(tài)增穩(wěn)控制是通過3個壓電晶體陀螺儀進(jìn)行控制的。瑞士洛桑聯(lián)邦科技學(xué)院開發(fā)了一種電動小型四旋翼飛行器OS4。該飛行器全長73cm，重約235g；采用Draganflyer的十字框架及旋翼，使用四個Faulhaber1724電機(jī)。測試人員通過飛行測試平臺分別采用PID控制、LQ控制、Backstepping控制、滑模控制等多種算法實(shí)現(xiàn)了姿態(tài)控制HMX4是賓夕法尼亞大學(xué)研制的小型四旋翼飛行器，通過基于Backstepping控制算法設(shè)計(jì)的控制器使飛行器能自主懸停，飛行器的位置和姿態(tài)通過一套基于地面和機(jī)載雙攝像頭的視覺定姿與定位系統(tǒng)測量，具有測量精度高的特點(diǎn)，從而使該飛行器適用于固定平臺自主起降、與地面多功能機(jī)器人進(jìn)行協(xié)同作業(yè)等特殊任務(wù)。佐治亞理工大學(xué)研制的GTMARS系統(tǒng)是專門為執(zhí)行火星探測任務(wù)所設(shè)計(jì)的CAD無人機(jī)系統(tǒng)，具有封裝折疊功能。旋翼半徑達(dá)0.92m，質(zhì)量為20kg，最大可持續(xù)航行時間30min。此外，GTMARS登陸火星后，機(jī)構(gòu)可自動展開，從而實(shí)現(xiàn)自主起降。微型四旋翼飛行器（MAV）也是目前研究人員著重研制的飛行器之一，其中以斯坦福大學(xué)研制的Mesicopter最為著名，采用了微型旋翼飛行器技術(shù)，并可進(jìn)行多機(jī)協(xié)同任務(wù)。機(jī)身為方形框架；旋翼半徑為0.75cm；電機(jī)半徑為1.5mm，質(zhì)量為325mg?，F(xiàn)已經(jīng)研制出試驗(yàn)樣機(jī)并試飛成功.國內(nèi)方面對四旋翼飛行器展開研究的高校主要集中在哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京理工大學(xué)和南京航空航天大學(xué)等著名高校。而在企業(yè)方面，中國深圳大疆創(chuàng)新科技有限公司由于產(chǎn)品可靠性較高，已成為全球領(lǐng)先的無人飛行器研發(fā)商。大疆在2015年推出了phantom3四旋翼無人機(jī)，其飛行重量為1280g，最大飛行高度6000m，最大飛行時間23min，采用飛機(jī)與相機(jī)一體化設(shè)計(jì)，省去了繁瑣的接線過程，使用方便。選題的目的和意義機(jī)器視覺的四旋翼無人機(jī)靶點(diǎn)跟蹤飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可以解決城市警力不足、打擊犯罪缺乏機(jī)動性、應(yīng)急能力等問題。無人機(jī)的立體跟蹤，高空定位可以對此問題進(jìn)行解決。在森林營救方面需要高效、全面的森林搜索，無人機(jī)跟蹤飛行控制系統(tǒng)可以大大縮減搜索時間、增大營救成功幾率。總體而言，無人機(jī)需要更全面的開發(fā)和利用。無人機(jī)的使用開發(fā)，現(xiàn)在只是起步階段，還有很大的創(chuàng)新空間。在未來無人機(jī)的使用將很大的推進(jìn)社會發(fā)展和科技進(jìn)步。本設(shè)計(jì)的意義，就是用改善算法和目標(biāo)點(diǎn)跟蹤拍攝技術(shù)提高無人機(jī)的實(shí)用性和可靠性。設(shè)計(jì)四旋翼無人機(jī)基礎(chǔ)飛行串級PID控制算法、仿真研究機(jī)器視覺對目標(biāo)靶的識別與定位算法、設(shè)計(jì)嵌入式機(jī)器視覺目標(biāo)靶識別與定位算法、設(shè)計(jì)IMU數(shù)據(jù)糾正圖像傾斜畸變的算法與數(shù)據(jù)融合算法，也是我完成此設(shè)計(jì)所需要的吃透的算法，完成此設(shè)計(jì)對我的能力也是提高和鍛煉。三、研究方案（框架）本文的研究方案如下：1.在基于STM32微控制器與MPU6050陀螺儀與加速度計(jì)為核心器件的飛控板上，設(shè)計(jì)串級PID算法實(shí)現(xiàn)四旋翼無人機(jī)的受控起飛、降落、及其他平飛動作；2.利用Matlab對特定圓形純色方針靶點(diǎn)舉行辨認(rèn)與位置檢測的仿真鉆研，并按照成果舉行算法優(yōu)化，終究得出仿真算法流程；3.固定無人機(jī)在同一高度非傾斜狀態(tài)下，在基于ARMCortex-A53為處理器、OV5640為視覺感光元件的視覺開發(fā)測試平臺上，設(shè)計(jì)機(jī)器視覺算法實(shí)現(xiàn)對特定的圓形純色目標(biāo)靶點(diǎn)的識別與位置檢測；4.建立并設(shè)計(jì)視覺與飛控間通信通道與機(jī)制；5.在飛控平臺上研究通過IMU姿態(tài)數(shù)據(jù)糾正圖像定位數(shù)據(jù)；6.設(shè)計(jì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制算法實(shí)現(xiàn)目標(biāo)靶點(diǎn)跟蹤上的無人機(jī)位置控制；研究對比神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制算法與傳統(tǒng)固定參數(shù)PID控制算法在無人機(jī)目標(biāo)靶點(diǎn)跟蹤上的優(yōu)劣。四、進(jìn)度計(jì)劃（1）選題確