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摘 要

无人飞行器(Unmanned Aerial Vehicle，UAV)是一类有无线遥控和飞控系统组成的飞行器，一般称之为无人机^[1]。本课题讨论了基于计算机视觉循线跟踪问题，设计并安装了四旋翼飞行器的硬件结构，为后续的飞行提供基础。对于四旋翼定高的问题，用超声波模块来测量四旋翼的高度，并将测量的结果作为串级PID的反馈输入来调节四旋翼的高度，减少了四旋翼震荡时间。介绍了图像处理算法，使用OTSU算法对图像进行阈值分割，将图像的目标与背景进行分离，采用分区域划分算法来获取目标相对飞行器的偏差值，将其作为输入进行PID调节，当飞行器飞出目标区域时能够根据记录的最大偏差值使其能够跟踪目标轨迹。

关键词：四旋翼定高 图像处理 分区域划分 循迹跟踪

Design of Quadrotor tracking system based on vision

ABSTRACT

Unmanned Aerial Vehicle (UAV) is a class of wireless remote control and flight control system composed of aircraft, commonly known as Drone. This subject discussed the problem of tracking based on computer vision,design and install the hardware structure of the quadrotor to provide the basis for the subsequent flight. For the quadrotor fixed high problem, ultrasonic is used to measure the distance of quadrotor to floor, and the measured results as a cascade PID feedback input to adjust the height of the quadrotor, reducing it’s oscillation time. Introduced the image processing algorithm, using the OTSU algorithm to Image Segmentation using Threshold,and the object is separated from the background, using the sub-regional partition algorithm to obtain the target relative to the deviation of the quadrotor, as an input for PID adjustment, when the quadrotor is flying out of the target area, it can return to the target area tracking target trajectory based on the recorded maximum deviation value.

Key words: Fixed high of quadrotor; Image processing; Sub regional division; Tracking

目 录

摘要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 四旋翼发展史 1

1.3海内外对四旋翼视觉算法的研究 3

1.3.1 海外研究现状 3

1.3.2 国内研究现状 5

1.4 相关章节的安排 6

第二章 四旋翼的搭建及原理 8

2.1 工作平台的搭建 8

2.2 四旋翼的原理 11

第三章 视觉图像的处理 14

3.1 图像处理的流程 14

3.2 数字图像处理 15

3.2.1图像预处理 15

3.3 阈值分割 15

第四章 四旋翼循迹控制的实现 17

4.1 PID基本原理 17

4.1.1 位置式算法 17

4.1.2 增量式算法 18

4.2 四旋翼定高 18

4.2.1 串联双环PID控制系统 19

4.3 区域划分算法 20

第五章 全文总结与展望 24

5.1 研究工作总结 24

5.2 后续工作 24

参考文献 26

致谢 28

附录 29

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

现在越来越多的驴友喜欢到荒无人迹的深山里探险，经常会有驴友发生迷路或者失联，当地消防和公安花费大量人力物力以及时间来搜寻他们。地震、海啸或洪水发生以后，地面建筑物遭到严重损坏，救援人员无法进入建筑物搜寻生还人员。无人机的机动性能和环境适应性的优势就会展现出来，在搜救和获取信息中起到非常重要的作用。

另外，无人机需要经过专业训练的操控者才能使用，就像驾驶证培训一样，但是现阶段无人机驾校培训才刚刚开始，能通过考试拿到证书的才有一小部分。高昂的培训费用再加上管理不当，使得大部分的遥控操作者还处于黑飞的状态，对四旋翼的不熟悉以及不了解飞行操作的情况下飞行，极易出现误操作或者炸机，这极大地威胁了公共安全，让无人机具备自主飞行能力会是无人机发展过程中必定会经历的阶段，视觉跟踪算法的设计与实现是飞行器在一定高度下飞行，根据摄像头摄像实时的传回PC站作进一步处理，使无人机跟随地面引导线完成飞行。

1.2 四旋翼发展史

无人机以其成本低廉、机动灵活、易隐蔽以及能够适应很多不同的环境等特点受到了很多国家的重视，世界上有很多政府和机构在研制和开发适应不同场合的无人机^[2]。在无人机上搭载各种设备来完成某些任务，比如直接在飞行器上搭载摄像机可以直接进行视频的拍摄或者进行电影拍摄。对于四旋翼的研究最早开始于20世纪初，1907年，法国Breguet兄弟制造了第一架四旋翼直升机（如图1-1所示），最后的结果并不令人满意，但为四旋翼奠定了一些基础，为以后的四旋翼发展提供了一些指导思路^[3]。上世纪90年代以后，随着科技的发展、人们在算法程序的不断突破以及各类相关芯片不断更新改进，人们对无人机再次表现出极大地兴趣^[4]。

图1-1 法国Breguet兄弟制造的四旋翼

目前，无人机市场以固定翼和旋翼为主。固定翼有航程较远、噪音小、可低空飞行不易被雷达等装备发现的优点，受到军事领域的青睐。如图1-2所示的美国RQ-4A全球鹰无人机，图1-3所示的中国翔龙无人机；旋翼无人机主要以四旋翼和六旋翼为主。旋翼无人机有操作灵活，适应很多狭小的环境，花费较小等优点，由于使用的是电池供电，也有飞行时间短，载重小等缺点。四旋翼是多旋翼中最简单也是最流行的一种，它通过控制翻滚、俯仰和旋转三个方向来控制四旋翼的姿态。如图1-4 大疆的精灵Phantom3，六旋翼与四旋翼类似，但是它比四旋翼多两个的旋翼，当遇到比较强的干扰时，比四旋翼有更好的控制和稳定性，图1-5所示的大疆S800。相比于四旋翼，六旋翼有更大的负重，常被应用于农业方面，如：无人机喷洒农药。

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