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《工程(英文)》 >> 2024年 第35卷 第4期 doi: 10.1016/j.eng.2023.05.017
无人飞行器在不确定扰动下的动态目标跟踪
a School of Mechanical Engineering and Automation, Fuzhou University, Fuzhou 350108, China
b Department of Computer Science, Aberystwyth University, Aberystwyth SY23 3DB, UK
c School of Robotics, Hunan University, Changsha 410082, China
d College of Electrical and Information Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China
e National Engineering Research Center of Robot Visual Perception and Control Technology, Hunan University, Changsha 410082, China
摘要
本研究针对全球定位系统(GPS)信号受限环境下无人飞行器(UAV)的动态目标跟踪问题,提出了一种在速度观测器下的基于图像的视觉伺服(IBVS)控制方法。该方法通过构建虚拟相机,推导出应用于欠驱动无人飞行器上的简化且解耦的图像动力学模型,并进一步考虑了由于动态目标的不可预测旋转和速度变化所带来的不确定性影响。本研究提出了一种新的图像深度模型,该模型拓展了基于图像的视觉伺服方法的应用范围,使之能够对任意姿态旋转的目标进行跟踪。所提出的深度模型确保了在跟踪旋转目标过程中图像特征的准确性和图像轨迹的平滑性。此外,采用所提出的速度观测器来估计无人飞行器与动态目标之间的相对速度。得益于速度观测器,不再需要对平移速度进行测量,并有效减轻了因使用包含噪声的测量数据导致的控制振荡现象。为了提高抗干扰能力,本研究还设计了一种基于积分的滤波器,用于补偿不可预测的环境干扰。所设计的速度观测器和视觉伺服控制器通过李雅普诺夫方法对其稳定性进行分析。通过对比仿真与多阶段实验验证了所提方法对于动态旋转目标跟踪的稳定性能、抗干扰能力和鲁棒性跟踪能力。
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