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基于立體視覺的無人機動態目標實時跟蹤

2020年信息技術與網絡安全第12期

唐凱，張海濤，鄭建杰，孔維迪

陸軍工程大學國防工程學院，江蘇南京210000

摘要： 針對小型四旋翼飛行器的動態目標跟蹤問題，提出了連續自適應橢圓檢測(Continuously Adaptive Ellipse Detector，CAED)算法的飛行器目標定位以及一種基于立體視覺的跟蹤控制算法。首先，雙目相機拍攝的圖像通過CAED算法得到目標的像素中心點，利用三角測量原理，實現了對目標位置的有效估計。其次，針對運動目標跟蹤任務，設計并實現了兩個級聯串級PID的四旋翼位置姿態控制律。最后，在四旋翼上將圖像處理算法與四旋翼控制相結合，進行了測試實驗，驗證了本文所提出的檢測和控制方法。

關鍵詞： 目標檢測四旋翼無人機立體視覺目標跟蹤

中圖分類號： TP391.41
文獻標識碼： A
DOI： 10.19358/j.issn.2096-5133.2020.12.006
引用格式：唐凱，張海濤，鄭建杰，等. 基于立體視覺的無人機動態目標實時跟蹤[J].信息技術與網絡安全，2020，39(12)：30-36.

Real-time tracking of UAV dynamic target based on stereo vision

Tang Kai，Zhang Haitao，Zheng Jianjie，Kong Weidi

National Defense Engineering College，PLA Army University of Engineering，Nanjing 210000，China

Abstract： Aiming at the dynamic target tracking problem of small quadrotors, a continuous adaptive ellipse detection(Continuously Adaptive Ellipse Detector，CAED) algorithm for vehicle target positioning and a tracking control algorithm based on stereo vision are proposed. First of all, the image taken by the binocular camera obtains the pixel center point of the target through the CAED algorithm, and the effective estimation of the target position is realized by the principle of triangulation. Secondly, for the task of moving target tracking, two cascade PID four-rotor position and attitude control laws are designed and implemented. Finally, the image processing algorithm is combined with the quadrotor control on the quad-rotor, and test experiments are carried out to verify the detection and control method proposed in this paper.

Key words : target detection；quadrotor UAV；stereo vision；target tracking

0 引言

對空中動態目標的跟蹤是實現無人機協同工作的基礎，也是當前無人機技術領域研究的前沿課題之一。單目相機無法提供目標深度，使用限制較多，雙目相機根據三角測量原理可以直接計算目標的空間位置，適用范圍更廣^[1]。TEULIERE C^[2]等人使用搭載俯視單目相機的四旋翼飛行器，跟蹤地面模型賽車，由IMU計算飛行器高度，實現了對目標的航向角鎖定與跟蹤定位。MIGUEL^[3]等人使用搭載前視單目相機的四旋翼飛行器，跟蹤紅色氣球，通過特征面積計算相對距離，使用模糊控制實現了目標定位跟蹤。

張梁等人^[4]利用雙目相機測量目標的空間位置，實現了六旋翼飛行器對目標的跟蹤。

TEULIERE C^[2]、MIGUEL^[3]、張梁等人^[4]實現的目標跟蹤是基于顏色的特征跟蹤Camshift^[5]算法，該算法的跟蹤窗口可根據目標實時縮放，跟蹤定位效果較好，但該算法只適用于光照恒定的室內環境以及背景色彩單一的室外環境。

本文提出了一種基于輪廓的特征跟蹤方法，連續自適應橢圓檢測(Continuously Adaptive Ellipse Detector，CAED)算法，克服了特征跟蹤Camshift算法過于依賴色彩的缺陷，降低了復雜室外環境下目標丟失的幾率，提高了目標檢測的適用范圍。文中提出的對空中動態目標跟蹤算法，通過在四旋翼飛行器上搭載雙目相機，并自行設計四旋翼飛行控制算法，實現對空中動態目標的平穩跟蹤。對于無人機協同工作以及無人機電力巡檢、除障等有一定的參考意義。

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作者信息:

唐凱，張海濤，鄭建杰，孔維迪

(陸軍工程大學國防工程學院，江蘇南京210000)

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