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专利号: 2019104668433
申请人: 燕山大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 控制;调节
更新日期:2024-01-05
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种基于NFTSM的四旋翼无人机视觉伺服控制方法,其特征在于,其包括如下步骤:S1、利用安装在四旋翼无人机底部的摄像头采集图像信息,利用惯性测量单元获取无人机的姿态角φ,θ,ψ及角速度信息;

S2、使用透视投影的方法来提取地面目标的特征点,通过选取图像特征,并重新构建一个虚拟图像平面,来导出所述图像特征的视觉动态;选取用来控制位移运动的图像特征q为:q=[qx qy qz]T,

其中,符号T表示矩阵转置,v表示虚拟图像平面,(vug,vng)表示虚拟图像平面v中N个图像特征点(vuk,vnk),k∈{1:N}形成的凸状图像的形心坐标,a表示虚拟图像平面v中N个图像特征点(vuk,vnk)形成的凸状图像的面积,ad是a的期望值,λ为摄像头的焦距;

并且用来控制偏航角ψ的图像特征qψ为:

其中,vμij表示虚拟图像平面v中N个图像特征点(vuk,vnk)形成的凸状图像的中心距,S3、根据图像动态分别设计四旋翼飞行器的位置及姿态控制器,利用步骤S2提取的图像动态q、qψ和给定的期望的图像特征 设计非奇异快速终端滑模控制器,分别控制四旋翼无人机的位置和姿态,实现四旋翼无人机的自主飞行;

以及

S4、在仿真环境下,为四旋翼无人机设计视觉伺服控制系统,选取参数进行仿真,并对仿真结果进行分析;构建所述四旋翼无人机的视觉伺服数学模型和仿真平台,在所述仿真平台中形成目标轨迹,建立所述四旋翼无人机的六自由度运动模型,获得四旋翼无人机的仿真模型;在所述仿真模型的基础上,对控制器进行仿真及参数优化,实现预设的收敛性。

2.根据权利要求1所述的基于NFTSM的四旋翼无人机视觉伺服控制方法,其特征在于,所述虚拟图像平面的具体方法包括:构建惯性坐标系I={Oi,Xi,Yi,Zi}和机体坐标系B={Ob,Xb,Yb,Zb},并假设相机坐标系C={Oc,Xc,Yc,Zc}与机体坐标系重合;重新构建一个虚拟相机坐标系V={Ov,Xv,Yv,Zv},其偏航角ψ与相机坐标系相同,翻滚角φ和俯仰角θ为0,使在距离虚拟坐标系Ov焦距λ长度处生成的虚拟图像平面与地面平行。

3.根据权利要求2所述的基于NFTSM的四旋翼无人机视觉伺服控制方法,其特征在于,所述的透视投影方法:假设地面上一个固定点p,在虚拟相机坐标系中的坐标vp(t)=[vx vy vz]T表示为:其中,Rψ为绕z轴的旋转矩阵,Ip为点p在惯性坐标系下的坐标,Ov(t)为虚拟相机坐标系的原点;

v v

根据透视投影的方法,点p投影在虚拟图像平面的坐标(u,n)为:其图像动态为:

其中,v=[vvxvvyvvz]T为四旋翼无人机在虚拟相机坐标系中表达的线速度。

4.根据权利要求1或者3所述的基于NFTSM的四旋翼无人机视觉伺服控制方法,其特征在于,所述的非奇异快速终端滑模s选取为:[l]

其中,σ1和σ2为正常数,且参数p、q、l满足 和 关于变量x的数学符号x 的表达式为x[l]=|x|lsign(x),sign表示符号函数,为变量x的导数,数学符号 的表达式为

5.根据权利要求1或者3所述的基于NFTSM的四旋翼无人机视觉伺服控制方法,其特征在于,所述的外环位置控制器表示为:其中,图像特征误差eq=q-qd=[eqx eqy eqz]T,zd表示深度的期望值,δ为外部扰动的上界,η为任意正常数,常数k,p,q,l为需要调整的参数。

6.根据权利要求5所述的基于NFTSM的四旋翼无人机视觉伺服控制方法,其特征在于,所述的内环姿态控制器设计为:其中,J=diag[Jxx,Jyy,Jzz]为四旋翼的惯性矩阵,偏航特征误差 欧拉角误差eφ=φ-φd,eθ=θ-θd,φd和θd为期望的翻滚角和俯仰角,常数k,p,q,l为需要调整的参数。