基于改进KCF算法的四旋翼无人机视觉跟踪系统设计

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1、硕士学位论文基于改进KCF算法的四旋翼无人机视觉跟踪系统设计DESIGNOFVISIONTRACKINGSYSTEMFORQUADROTORUAVBASEDONIMPROVEDKCFALGORITHM褚天鹏哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：TP273学校代码：10213国际图书分类号：681.5密级：公开工程硕士学位论文基于改进KCF算法的四旋翼无人机视觉跟踪系统设计硕士研究生：褚天鹏导师：张立宪教授申请学位：工程硕士学科：控制工程所在单位：航天学院答辩日期：2018年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TP273U.D.C:681

2、.5DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringDESIGNOFVISIONTRACKINGSYSTEMFORQUADROTORUAVBASEDONIMPROVEDKCFALGORITHMCandidate：ChuTianPengSupervisor：Prof.ZhangLixianAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：ControlScienceandEngineeringAffiliation：SchoolofAstronauticsDateofDefe

3、nce：June,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要四旋翼无人机是一种性能优良的飞行器，自由度高，所以机动性强，能实现机体坐标系下x和y方向的单独控制，可定点悬浮。因其优良的性能应用领域极其广泛。本文基于四旋翼无人机研究了视觉跟踪系统的设计，包括视觉跟踪算法和位置控制算法，最后在实物平台进行了无人机端和地面站端的设计。首先，本文进行了基于四旋翼无人机的视觉跟踪系统的模型建立工作，包含四旋翼无人机的动力学模型和目标成像模型的建立，无人机动力学模型的建立

4、为位置控制算法的研究打下基础，目标成像模型建立的目的是为了解析无人机与目标物之间的位置差。其次，针对无人机摄取的图像序列（包含目标物及其周围相关的背景信息），采用基于卡尔曼滤波器改进的KCF（核相关滤波）目标跟踪算法。KCF目标跟踪算法在测试集上的测试结果表明具有抗部分遮挡、光线变化等干扰的优越性。但在测试后发现KCF在应对航拍时物体快速移动或者相机抖动的挑战时有诸多缺陷，所以本文在KCF算法的基础上增加了预测和修正功能。随后，针对无人机模型的欠驱动子系统和全驱动子系统设计了串级PD控制器和PD控制器。仿真结果表明，所设计的用于跟踪的位置控制器性能良好。最后，在实物平台

5、进行了基于Opencv视觉库和大疆SDK的算法实现，包括无人机平台的视觉跟踪算法实现和位置控制算法实现，并通过WIFI实时将跟踪结果回传至地面端，地面端具有显示模块实时显示跟踪画面以供监控并且可以向无人机发送任务指令，如起飞、降落、目标物的选取等。关键词：四旋翼无人机；视觉跟踪算法；位置控制；核相关滤波i哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractQuadrotorUAVisanexcellentaircraftwithhighdegreeoffreedom,soithasstrongmaneuverabilityandcanrealizeindependentcon

6、trolofthex-axisandy-axisunderthebodycoordinatesystem.Itcanbefixed-pointsuspension.Duetoitsexcellentperformance,theapplicationfieldisextremelywide.Thisdissertationstudiesthedesignofvisualtrackingsystembasedonfour-rotordrones,includingvisualtrackingalgorithmandpositioncontrolalgorithm.Fina

7、lly,thedesignofunmannedaerialvehicleandgroundstationiscarriedoutonthephysicalplatform.Firstly,themodelingworkofthequadrotorUAV-basedvisualtrackingsystemiscarriedout,includingtheestablishmentofthedynamicmodelandthetargetimagingmodelofthequadrotorUAV,andtheestablishmentofth