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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 国际运算机应用杂志0975-8887 ）2022年12月10号-卷11 关于旋翼飞行器使用摄像头视角的讨论 Debadatta Sahoo Amit Kumar 教授助理 K. Sujatha EEE系 EEE 系 EEE系 M.G.R.博士高校 M.G .R.博士高校 M.G.R.博士高校摘要本文以介绍掌握摄像机的光轴安装摄像机机械手并固定在四旋翼遥控车为中心；一个四自由度的四旋翼无人机模型将用两自由度相机运动学模型来创建一个单一的系统与 供应了相机视图的完整的六自由度驱动相结合；这个调查工作提出利用全部的相机中的信 号来描述框架；该闭环掌握
2、器设计是基于李雅普诺夫型分析来使生产范畴内的最终跟踪结 果显 GUUB ）；由建议的掌握器供应的运算机仿真结果证明；关键词使用 MATLAB,直流无刷电机,遥控,手动掌握,可视摄像头1、引言使用四旋翼飞行器 或任何飞行器）的典型场景摄像头作为视频平台是基于相机安装 在一个位置,从车辆独立掌握；当导航或监视任务变得复杂 , 可能需要两个人来实现摄像头 瞄准目标 : 一个试点无人机导航和摄影师；摄像机操作者,使这个方案是可行的一部分的重要的基本操作是,拍照者必需补偿扰乱瞄准摄像机无人机的运动；摄像头上的无补偿的摄像头平台运动轴可能会失去目标 ,但一个场景 ,摄像头定位用于补偿平台运动可以保持摄像头
3、视图；此典型操作情形的潜在缺点可以总结为：）多个娴熟的技术人员通常是必需的, ii）该摄像头操作者必需补偿导频的动作,以及iii）它不是直观的摄像头操作者的分裂摄像头的动作之间的摄像头瞄准任务定位在由操作者掌握和命令的导频；供应直观的接口,其中操作者可以移动定位的摄像机、头,使摄像头跟踪目标图像的问题显现在很多地方；移动系统的困难在于 遵循一个摄像头最近被解决的主题；固定的的角度来看这一相同的基本相机定位问题提出了相机平台 ,四旋翼无人机 ,相机定位装置被认为是一个单一的机械装置；在这项工作的基础上,以示对合并四转子摄像系统,从摄像头场- 视移动两个元素生成的操作员命令的工作速度掌握器的设计；
4、本文的结构如下；在第 3 节中,四转子的运动学和动力学模型；运动学定位为三连杆相机的开发；然而,只有两个链路被用在任何位置的情形；这样做的情形下定位成用在 真进行 2；2、文献综述2.1 旋翼模型2 链路,倾斜辊配置,以期望通过掌握设计和仿A. 在驱动四旋翼飞行器模型；的四旋翼无人飞行器模型的元素被显示在图 2的四转子体固定帧, F,被挑选为与重心这意味着它具有对角线惯性矩阵一样；运动学和四转子的动态模型被表示为 1,2 1）2）1 / 11 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 11 页精选学习资料 - - - - - - - - - 3 ） 4）在这个模型中 R 表示相对
5、于地球固定的惯性坐标系的四转子体固定框架 F的线速度, I表示被检体内的固定帧,F中,和 R 表示的角速度相对于惯性坐标系的旋翼本体固定帧 F,I,身体的固定框架,F.方程中表达 1）- 3）表示的四转子的运动；在1）中是旋翼的速度,在2）中表示,角速度变换 由矩阵变换 的位置和角度,被认为是可衡量的；式 2）表示的建模假设角速度四转子的被代替的建模 角 度 动 力 学 的 直 接 计算 ；被认为是作为系统的输入；平移速度的动力学显示在 4）并且包含引力术语,当 g R,表示重力加速度,E3= 表示在惯性坐标系的坐标的单位矢量,是四转子的已知质量,代表一个有界函数,例如,气动阻尼力,是斜对称矩
6、阵的一般形式 6 ；四转子具有固有的 6自由度的；然而,四线转子只有四个掌握输入：沿 z轴和三个角速度 1平移力；图1：四旋翼带云台摄像机辊定位2 / 11 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 11 页精选学习资料 - - - - - - - - - 矢量 指的是四转子平移力,但在现实代表被求和的四个转子产生的力产生和被表示为单一的平移力0 0 U1,其中B1 = I3是一款配置矩阵执行器动力学超出了设计范畴）,并图2四转子的运动四转子有四个电动机位于跨框的前,后,左,右端；四转子是通过转变每个电机的旋转速度进行掌握；前后转子逆时针方向旋转而左和右转子以顺时针方向旋转, 平
7、稳转矩由旋转的转子；左边和右边转子的相对速度是掌握无人机的滚转率的变化；由合适的电机的速度降低相同的量增加了左马达的速度将保持由四个转子大致相同的所供应的总推力；另外,通过这两个转子产生的总扭矩保持恒定；类似地,俯仰速率是通过转变前后转子的相对速度掌握；横摆率是通过转变向顺时针的相对速度右和左）和逆时针前和后）的转子来掌握；集体推力是通过同时转变全部的转子的速度掌握1-3 ,4 ；2.2 相机定位运动学如前所述,四转子可以在 z 方向上的推力,但是它不能推力在 x- 或 y- 方向；由于直升机旋翼下致动在它的两个平移速度,两致动器镜头被添加来实现六个自由度 DOF）掌握的在相机中的帧；一个 t
8、iltroll 相机被添加到直升机看到；有了新的摄像头边框的正面,现在有三个旋转和三个译本,共有六自由度,来驱动；掌握任何的自由度,也不论相机必需移动时, UAV必需移动,或两者兼而有之；2.2.1 对无人机的前倾斜辊相机无人机框架和可见上图 1 相机帧之间的旋转矩阵为：3 / 11 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 11 页精选学习资料 - - - - - - - - - 由于只有角度的 2 有所不同,雅可比行列式可以被重新定义为：最终,这有利于摄像机的角度的运算；02 2.2.2 视觉传感器通常,视觉传感器包括一个摄像机和图像处理块的；在模拟的对象被定义为通过在MAT
9、LAB多面体 命令与地球的每个点的坐标3X1 向量；来表征物体的四个特点点被选中,被定义为相机是仿照通过使用相机的位置和方向以及对象 XC,XO）；图像处理模块是仿照成像几何和透视投影的具体信息可以在很多运算机视觉文本被发觉6 ；开发的视觉传感器模型,第一帧被定义；直升机帧为Rh,相机架是Rc与该对象帧是罗如图3；图 3 相机对象和直升机的轴4 / 11 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 11 页精选学习资料 - - - - - - - - - 2.3 四旋翼的掌握直升机掌握器具有为 U1, U2,U3和 U4的 4 输入命令； U1表示绕 z 轴的平移； U2 表示绕
10、y 轴侧倾角）的旋转； U3 表示绕 x 轴俯仰角）的旋转；最终,U4表示绕 z 轴线 偏航角）的旋转；在这项讨论中,比例微分 z * 参考线速度价值在z 轴是直升机的第三个组件参考速度矢量vh * ；2.3.2. 翻译掌握有必要掌握音高和辊角度掌握 x 和 y 轴四周的翻译；因此 ,对于翻译在 x 轴 ,参考螺旋角和螺旋角 . 的角速率； .* *要求；同样 ,在 y 轴进行翻译 ,参考横摇角 *, * 和横摇角的角速率要求；而角利率打算从向量 vh *4 和 5 thcomponents, 角度是由使用 Eq2. 5 / 11 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 11
11、页精选学习资料 - - - - - - - - - 2 3 2.3.3. 偏航掌握所需的输入信号为直升飞机的偏航掌握方程给出了 3 4 图 5 线性和角度直升机的速度2.4. 旋翼设计过程定制设计的试验测试台在用于执行安全试验图6was所示；该试验台可让直升机自由地进行偏航运动,答应高达2M的高度,以及高达 20 侧倾和俯仰运动；该试验系统包括一个模型的四旋翼直升机,一个试验台,平移/ 针锋相对 / 变焦摄像头,反射折射摄像机在将来的讨论中使用,和一个 IMU 传感器；一个 Core2Quad 2.40 GHz 处理器的桌上型电脑与3 绿带内存在 Windows XP 上,有一个双重图像采集卡
12、已被使用；算法采纳矩阵图像库 8.0 C + + 的 20 开发的；一个索尼的平移 / 倾斜 / 缩放摄像机被定向到一个固定的地面目标；拍照的图像与特点提取程序处理,以确定在现场的黑色斑点的功能；被选定为简洁性和实时性能不同大小的黑色斑点；为了验证了该算法的有效性已经完成偏航运动的视觉伺服控制下的试验；直升机开头于70 度的偏航角和目标是达到视觉伺服掌握下的110 度的偏航角；直升机的试验过程中的欧拉角示于图；直升机达到所需的偏航值的滚转和俯仰角的运动过程中保持在零度；6 / 11 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 11 页精选学习资料 - - - - - - - - -
13、 图 6 欧拉角的直升机在试验中在试验过程中的线速度和角速度都在图6 中,所需的角速度,其与横摆运动相关的趋近于零线作为直升机接近期望的偏航角 . 图 7 偏航掌握试验的结果3 提出的技术在我们的 UAV 建议的技术在下面列出；它有四个转子和使用四个螺旋桨；这将是更为稳固；它的身体 1 视觉相机；它可以给适当的图像向上 to100m 拟合 近似）；它能够达到的高度可达 100 协作 近似）；它具有的容量 3000 转的无刷直流电动机,这将是特别轻的重量；我们的工程充分展现了重要的掌握功能,从而答应一个系统,该系统是动态的,否7 / 11 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页,共
14、11 页精选学习资料 - - - - - - - - - 就不稳固的自主平稳；阿四转子构成比单转子或双转子内嵌直升机更具挑战性的掌握问 题,由于掌握要求包括会计电机之间存在,并导致每个电机供应一个略微不同的级别升降 的微妙变化；为了使四转子工艺是稳固的,这四个马达都必需供应升力的相同量,并且它 是在掌握系统通过调剂供应到每一个的功率占电机之间的变化的任务；我们认为是四旋翼 飞行器的掌握作为一种有价值的挑战追求；这种工艺的优点保证了设计挑战,为四旋翼工 艺比 singlerotor 工艺更高效,更敏捷；不像单旋翼机,其采纳了其次个较小的垂直推动 器来转变方向,就四转子工艺的定向运动是由四个相同的
15、电机所供应升力产生；此外,四旋翼可以转变方向,而无需重新调整自身 - 有正面和工艺的背面没有区分；在旋翼,每个转子起着罗林方向和所述车辆的平稳以及升力,不同的是比较传统的单旋翼直升机设计,其中每一个转子都有一个特定的任务 - 升降机或方向掌握 - 但从未两者；我们也用结构部件,在下面的表1 中提及；表 1 结构组件S.no 结构部件的名称1 少刷直流电动机2 推动式螺旋桨,螺旋桨拖拉机3 齿轮箱4 臂5 电池6 中心枢纽7 电机安装8 速度掌握器9 视摄像头3.1 直流无刷电机该电机是钴,拉丝,额定为 12 V 直流电动机, 15 个安培的电流；直流,有刷电机的配置是需要的,便于掌握 能够通过
16、 PWM掌握）的；该 cobaltmotors 使用强的稀土磁铁,并供应体重可用于模型飞机爱好电机的比最好的动力；我们通过我们的 designbudget 仅限于这些爱好电机；因此,我们的结构设计的其余部分都是环围着这些电机的挑选和工艺的答应重量的基础上,如图 8 这些马达 约 350 克电梯从每个电机）供应的升力；图 8 无刷直流电机和电池3.2 螺旋桨螺旋桨是从尖 10 给小费；两个是拖拉机式的,为顺时针旋转,而其他两个是推杆式的,为逆时针旋转；对于我们的设计,具有攻击的小角度螺旋桨是必要的,由于它供应了8 / 11 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页,共 11 页精选学习
17、资料 - - - - - - - - - 垂直电梯的稳固回旋；我们使用的螺旋桨是的,由于这是在生产拖拉机和推两种款式螺旋桨有限比抱负的设计更陡；3.3 变速箱齿轮箱具有2.5:1的传动比；它们削减相比,电动机的速度的螺旋桨的速度,从而使电动机施加更大的扭矩在螺旋桨同时绘制远小于在直接驱动配置的电流；3.4 臂我们的四转子设计的臂需要的是重量轻,强度足以承担10 应力和应变所引起的电动机的重量,并在其相对的端部的中心轮毂；碳纤维被认为是由于其重量,以强度比的正确选 择；该管的厚度被挑选为尽可能小,以降低其重量；基于所述螺旋桨被挑选,每个臂 10“ ）的长度；所使用的螺旋桨是10“ 长每所以我们不
18、得不留出足够的空间,他们没有彼此遭受乱流旋转；由于这样的现象将是相当复杂的分析,我们简洁地隔开马达farenough分开,以防止转子之间的湍流干扰的可能性；3.5 电池将电池的功率要求为所选电机/ 齿轮箱组合的基础上挑选；我们挑选的锂聚合物品种的电池,尽管这是大大高于其它电池供应相同的功率更昂贵,由于该电池供应正确的功率 - 重量比；我们的电池的挑选是一个 1450mah12.0V12C 锂聚合物电池；注：由于我们没有足够的时间来整合车载掌握系统的电路,因而只进行系留飞行,我们最终并没有购买的电池；）,如图 9；图 9 锂聚合物品种3.6 中心集线器中心轮毂承载的全部电子设备,传感器,以及电池
19、；它位于比电动机 4,以使重心向下,增加稳固性较低；我们使用快速成型机考虑我们的设计为枢纽制造它,快速成型机是由于它能够产生比较复杂的细节,例如斜孔,答应为中心枢纽坐比四周低的电机才能理想；在快速成型中使用的热塑性聚合物具有良好的强度重量比；3.7 电机支架电机支架连接马达的碳纤维臂；由于其复杂的细节,他们使用快速成型机进行制造的,因此,由热塑性聚合物制成；3.8 四旋翼掌握框图9 / 11 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页,共 11 页精选学习资料 - - - - - - - - - 下图描画了我们的掌握系统；该图表示掌握系统与掌握的四旋翼飞行物理系统的交互方式；该系统的掌
20、握包括四个独立的 航掌握和高度掌握；作为各自的PID 回路； PID 回路时需要变桨掌握,侧倾掌握,偏 PID 掌握运算如何在平台必需转变时,结果被总结为每个产生所需的四转子的集成掌握如图 10 所示的校正的电机；图 10 框图掌握系统原理图4 结论这项调查本文提出了一种新的飞了摄像头的方法来设计一个驱动下的四旋翼飞行器恭 维四转子运动有两个额外的摄像头轴产生一个完全启动相机定位平台非线性掌握器；该方 法熔断器车辆导航和摄影机瞄准到那里的驾驶员目视和苍蝇的系统通过骑在相机光轴的单 个任务的常常独立的任务；该掌握器被证明供应位置和角度跟踪全球统一的最终有界 Analysis and design
21、 of an on-board electronic system for a Quad Rotor Micro Aerial Vehicle. ”ENGG4801 Thesis Project. 5 Erding Altuk, James P. Ostrowski, Camillo J. Taylor“Quad rotor Control Using Dual Camera Visual Feedback” GRASP Lab. University of Pennsylvania, Philadelphia,PA19104, USA. September 14-19, 2003. 6. Z
22、ehra Ceren, Erdin. Altu “ Vision-based Servo Control of a Quad rotor Air Vehicle ” , IEEE, 2006.7. Engr. M. Yasir Amir 1, Dr. Valiuddin Abbass 2 “Modeling of Quadrotor Helicopter Dynamics” April 9-11, 2022 in KINTEX, 8. James F. Roberts, Timothy S. Stirling, Jean-Christophe Zufferey and Dario Florea
23、no Ecole Polytechnique F d rale de Lausanne EPFL, Lausanne, 1015,Switzerland. “ Quadrotor Using 9. Thae Su Aye, Pan Thu Tun, Zaw Min Naing, and Yin Mon Myint. “ Development of Unman ned Aerial Vehicle Manual Control System Engineering and Technology 42, 2022 ” . World Academy of Science, 11 / 11 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页,共 11 页