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基于立体视觉的无人机动态目标实时跟踪

2020年信息技术与网络安全第12期

唐凯，张海涛，郑建杰，孔维迪

陆军工程大学国防工程学院，江苏南京210000

摘要： 针对小型四旋翼飞行器的动态目标跟踪问题，提出了连续自适应椭圆检测(Continuously Adaptive Ellipse Detector，CAED)算法的飞行器目标定位以及一种基于立体视觉的跟踪控制算法。首先，双目相机拍摄的图像通过CAED算法得到目标的像素中心点，利用三角测量原理，实现了对目标位置的有效估计。其次，针对运动目标跟踪任务，设计并实现了两个级联串级PID的四旋翼位置姿态控制律。最后，在四旋翼上将图像处理算法与四旋翼控制相结合，进行了测试实验，验证了本文所提出的检测和控制方法。

關(guān)鍵詞： 目标检测四旋翼无人机立体视觉目标跟踪

中圖分類號(hào)： TP391.41
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(jī)動(dòng)態(tài)目標(biāo)實(shí)時(shí)跟蹤[J].信息技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)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(duì)空中動(dòng)態(tài)目標(biāo)的跟蹤是實(shí)現(xiàn)無人機(jī)協(xié)同工作的基礎(chǔ)，也是當(dāng)前無人機(jī)技術(shù)領(lǐng)域研究的前沿課題之一。單目相機(jī)無法提供目標(biāo)深度，使用限制較多，雙目相機(jī)根據(jù)三角測量原理可以直接計(jì)算目標(biāo)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(jī)的四旋翼飛行器，跟蹤地面模型賽車，由IMU計(jì)算飛行器高度，實(shí)現(xiàn)了對(duì)目標(biāo)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(jī)的四旋翼飛行器，跟蹤紅色氣球，通過特征面積計(jì)算相對(duì)距離，使用模糊控制實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)定位跟蹤。

張梁等人^[4]利用雙目相機(jī)測量目標(biāo)的空間位置，實(shí)現(xiàn)了六旋翼飛行器對(duì)目標(biāo)的跟蹤。

TEULIERE C^[2]、MIGUEL^[3]、張梁等人^[4]實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)跟蹤是基于顏色的特征跟蹤C(jī)amshift^[5]算法，該算法的跟蹤窗口可根據(jù)目標(biāo)實(shí)時(shí)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(nèi)環(huán)境以及背景色彩單一的室外環(huán)境。

本文提出了一種基于輪廓的特征跟蹤方法，連續(xù)自適應(yīng)橢圓檢測(Continuously Adaptive Ellipse Detector，CAED)算法，克服了特征跟蹤C(jī)amshift算法過于依賴色彩的缺陷，降低了復(fù)雜室外環(huán)境下目標(biāo)丟失的幾率，提高了目標(biāo)檢測的適用范圍。文中提出的對(duì)空中動(dòng)態(tài)目標(biāo)跟蹤算法，通過在四旋翼飛行器上搭載雙目相機(jī)，并自行設(shè)計(jì)四旋翼飛行控制算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)空中動(dòng)態(tài)目標(biāo)的平穩(wěn)跟蹤。對(duì)于無人機(jī)協(xié)同工作以及無人機(jī)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(xué) 國防工程學(xué)院，江蘇南京210000)

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