电视跟踪系统及导航教育案例研究

第九届国际会计师联合会控制教育进展国际自动控制联合会，俄罗斯下诺夫哥罗德，2012年跟踪系统设计安德烈·E巴拉巴诺夫·德米特里·罗马耶夫圣彼得堡国立大学数学与力学系，198504 Saint Petersburg，Russia（电子邮件：Andrey. gmail.com）俄罗斯圣彼得堡海军学院（电子邮件：Romaev@yandex.ru）翻译后摘要：开发并安装在St.圣彼得堡国立大学。它包含一个小型直升机与电视系统和传感器。为学生制定了一些问题，其中包含从测试平台收集的输入数据关键词：TV识别;飞行动力学识别电视图像和一个小型电动直升机陀螺仪传感器被选为训练学生学习和设计导航系统的实验平台。选择了一架口径为M24的电动直升机进行实验。图1.口径M24它的重量是380 g。主旋翼的直径为500 mm，轮毂为Hiller型，带有两个叶片和两个伺服叶片。每对刀片硬连接在杆上。控制面板有2个自由度的2个摇杆。机载传感器传输的信号具有较大的比噪声，在用于直升机跟踪系统之前必须对其进行衰减。学生将学习输入数据分析、准谐波噪声检测和最佳滤波器设计等问题，以正确处理数据下一个教育目标是线性卡尔曼滤波器的案例研究，当图像上的点被阴影或重叠时，以及当植物方程包含不确定性或不可靠时。2.电视观察两个标准的网络摄像机罗技临4000是安装的电视观察。直升机和摄像机之间的距离在1米到4米之间无需校准摄像机及其位置。相机通过USB端口以每秒30张图像的平均速率1. 教育目标实验室任务的重要目的是展示一个完整的导航系统，该系统将电视图像或机载传感器数据转换为直升机在任何时刻的状态向量。该系统由初始数据处理和二次弹道估计两部分组成。对于电视跟踪系统，初始数据是特定的图像。该系统解决了二极管在非均匀背景下的检测问题实验室任务的主要目标包括快速过滤灰度图像;快速检测二极管上的斑点;精确估计斑点中心;分离重叠斑点。图2.电视图像四个二极管安装在直升机上，如图1所示二极管由车载电池供电。它们之间的距离是固定的，这些信息足以通过屏幕图像计算它们的三维© 2012 IFAC 144 10.3182/20120619-3-RU-2024.000852012年6月19日至21日，俄罗斯下诺夫哥罗德，国际会计师联合会第九届研讨会145- -直升机位置的一个特殊测量方法是一个单一的电视图像，其中包含斑点从二极管上的非均匀背景，见图2。如果二极管指向外部，或者位于明亮的背景上，或者有阴影，则光斑形状可能会失真。图像还包含光点、物体的明亮边界和来自表面的反射。图3.光斑形状光斑的形状和幅度取决于二极管相对于相机的透视缩短。一个点的直径通常是在4和10个像素之间的水平70%的振幅为距离1.5 - 2米之间的相机和直升机，见图中的上部图片3.两台摄像机的总平均速率为每秒30张图像。但是连续图像之间的间隔是随机的。如果曝光时间不短，从移动的直升机上接收到的光点会被分散，见图中下图。3.2.1 问题TV-1给定如图2所示的图像，需要从四个二极管提取该图像上的斑点。提供了图像平滑、对比度增强、连通域快速给定图像中的连通域，需要计算近似椭球。计算一阶矩和二阶矩用于参数识别。然后，需要消除与二极管的斑点不相似的畴在各种条件下收集输入图像。学生必须选择适当的阈值，并进行读取数据分析，以解释计算结果。2.2 问题TV-2在初步识别阶段，直升机位置以及两个摄像机的位置都是未知的。这些物体是三个固体，它们的位置由重心或焦点的坐标和欧拉角确定。需要通过每个摄像机的一个图像对两个摄像机进行初始校准，每个摄像机包含一个静止的直升机，垂直铅锤上有四个二极管和三个地球坐标系的原点被定义为相机焦点之间的线段的中间。平面OYZ包含两个焦点，水平轴OX指向直升机并做出正确的三轴。如果图像包含垂直铅垂线，则轴OY可以向上指向在所选择的坐标系中，相机焦点的矢量分别具有坐标（0，Yc，Zc）和（0，Yc，Zc），其中Yc和Zc的值被包括在总系统状态矢量中。图4.电视观测相机相对于地球坐标系的欧拉角分别由（γc1，Φc1，θc1）和（γc2，Φc2，θc2）表示此后，γ表示滚转，Φ表示偏航，θ表示俯仰。所研究的动态系统的完整状态向量包含20个变量：S=（x，y，z，Vx，Vy，Vz，Vx， Vy，Vz，γ， Φ，θ，γc1， Φc1，θc1，γc2，Φc2，θc2，Yc，Zc）T，其中r=（x，y，z）T是直升机重心的矢量，V=（Vx，Vy，Vz）T是线速度矢量，θ =（Vx，Vy，Vz）T是角速度矢量，γ，Φ，θ是直升机的欧拉角。所有的矢量都写在地球坐标系中。这个向量的初始估计是由最大似然法。估计值与其协方差矩阵一起计算。因此，摄像机和直升机位置的初始估计步骤通过计算20维矢量S和该矢量的全协方差矩阵P通过直接测量相互的摄像机位置和直升机位置，可以很容易地验证结果。3. 机载传感器一个机载传感器连接在直升机机身上。它包含三个陀螺仪和三个加速度计。陀螺仪测量直升机的角速度.范围在-3和+3 rad/s之间 一个1024点的网格采样率约为每秒273.5个样本。它对应于主转子每转10个样本。2012年6月19日至21日，俄罗斯下诺夫哥罗德，国际会计师联合会第九届研讨会14610.5用传感器测量滚动速度并从电视图像估计要求滤除周期性、频率趋势缓慢可以应用各种自适应滤波方法0−0.5−10 0.5 1 1.5 2 2.53秒俯仰速度传感器测量和电视图像估计3.2问题传感器-2需要精确地估计主转子的旋转频率和在任何时刻的旋转相位10.50−0.5−1传感器相机0 0.5 1 1.5 2 2.53秒在前一个任务中衰减的振荡噪声成为当前任务中的研究对象。其周期约为传感器数据的10个样本或主转子的1转。主转子的频率通过传感器干扰估计28.428.228图五、测量：机载传感器和电视摄像头来自陀螺仪的数据显示，由主旋翼的旋转迫使机身的大而快的振荡。角度变化很小，但振荡的角速度似乎比其平滑值大3-4倍。直升机的俯仰和滚转速度如图5所示。传感器数据是蓝色的，通过摄像机观测的卡尔曼滤波估计是红色的。3.1问题传感器-1给定来自Roll和Pitch陀螺仪的信号，需要去除振荡噪声并提取与从相机观察获得的角速度类似的俯仰角速度和滚转角速度。27.827.627.427.21601581561541521500 5 10 15 20 25 30 3540俯仰和滚转振荡主谐波的相位差0 5 10 15 20 25 30 3540秒见图7。通过两个陀螺仪俯仰角速度。频率响应25201510500 20 40 60 80 100 120 140滚转角速度频率响应20151050一个特殊的“钟”技术提供了精确的估计的频率和相位的局部谐波信号。利用这种技术，主转子旋转时间估计高达1%。主旋翼在37 s时间间隔内的旋转频率估计值滚动和俯仰通道中的陀螺仪测量值是独立处理的。从图7可以看出，结果一致，精度高。即使是主转子频率的突变也是相同的。主旋翼频率波动的原因包括控制信号和机载电池充电趋势。对振动信号的详细研究表明，它是频率为主转子旋转频率F的倍数的纯谐波之和。 频率F的变化如图7所示。通过相应的滤波从信号中提取所有谐波谐波的最大幅度是在0 20 40 60 80 100 120 140赫兹频率F。主谐波的相位为见图6。体振荡图6显示了来自横滚和俯仰陀螺仪的机载传感器数据的典型频谱频谱包含小于2 Hz的频率的小值，表示直升机的角运动最高峰对应于主转子旋转的频率。可以清楚地看到第二、第三和第四谐波。在137 Hz的奈奎斯特频率附近的最后一个谐波对应于尾桨的旋转在256个样本的连续区间上估计横摇和俯仰信号分别进行处理通过横摇测量和俯仰测量估计的主谐波的相位差可以看出，对于主转子的所有频率，相位差几乎相同。与中心值155μ m的偏差小于5μ m。相位对频率误差非常敏感。因此，小的相位偏差证明了主转子频率估计的高精度。持续的延迟传感器相机rad/s从滚转陀螺从俯仰陀螺rad/sHz度2012年6月19日至21日，俄罗斯下诺夫哥罗德，国际会计师联合会第九届研讨会147155° C只能从主旋翼的力学和空气动力学推导出来4. 直升机运动跟踪电视图像以每秒30次的平均速度跟踪系统在接收到新的TV图像之后计算预测的二极管位置。然后，在每个二极管的预测位置周围选择选通脉冲。以与初级识别类似的方式在频闪中搜索来自二极管的点。当所有的斑点都被发现时，它们的中心和近似的椭圆就被确定了。它们描述了屏幕上的位置估计结果及其预期精度。荧光屏上的光点位置是状态矢量y=h（S）其中矢量y由摄像机屏幕上二极管图像的2维坐标组成，S是包括直升机和摄像机位置的整个系统的20维矢量。一些二极管可能会丢失或被遮蔽，因此y的尺寸可能会因图像而异。典型图像如图8所示。第一张照片上，来自走廊的反射是明亮的。第二幅图像上的模糊二极管是由于直升机的运动而出现的。图九.重叠斑点两个连续的图像如图所示第九章二极管点重叠。这会导致光斑中心估计的误差和卡尔曼滤波器实现的问题。特别是，忽略动态是不允许的植物方程了。需要选择卡尔曼滤波器的参数，以便通过三个二极管观察值而不是四个二极管观察值进行正确跟踪。可以采用不同的二极管组，并对结果进行比较。5. 结论提出了一种用于导航系统设计的试验平台这是一架小型电动直升机，配备四个二极管和一个陀螺仪传感器。它可以在实验室条件下运行，并为学生的个人工作产生许多信息提出了若干任务。该试验台在St.圣彼得堡国立大学。图8.动力学中的点状态动力学描述为Sstec=f（S，u）+w其中w是扰动。4.1 问题过滤器-1给定一个图像序列，需要用几种可供选择的对象方程设计线性化卡尔曼滤波器。已知当对象方程中f（S，U）= 0时，跟踪系统的性能较好它需要比较函数f的各种近似的预测误差。4.2 问题过滤器-2电视图像上的二极管光点可能被阴影或部分重叠。在这两种情况下，都需要特殊的工具来正确提取二极管位置和实施卡尔曼滤波器。引用作者声明：A. E. Barabanov，N.小型电动直升机的全自动驾驶仪。第33届欧洲旋翼机论坛。喀山.九月十一日至十三日。2007.A.E.Barabanov，D.V. Romaev.小型直升机自动驾驶仪跟踪摄像机数据和机载传感器的自适应滤波。第三届IEEE系统与控制会议论文集圣彼得堡7月8日至10日2009W.约翰逊直升机理论北京：清华大学出版社. 1980.A.E.Barabanov，D.V. Romaev.直升机建模与自动驾驶仪设计。第18届国际会计师联合会世界大会。意大利米兰