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。
中图分类号：TP391.41
文献标识码：A
DOI：10.19358/j.issn.2096-5133.2020.12.006
引用格式： 唐凯，张海涛，郑建杰，等. 基于立体视觉的无人机动态目标实时跟踪[J].信息技术与网络安全，2020，39(12)：30-36.
文献标识码：A
DOI：10.19358/j.issn.2096-5133.2020.12.006
引用格式： 唐凯，张海涛，郑建杰，等. 基于立体视觉的无人机动态目标实时跟踪[J].信息技术与网络安全，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
对空中动态目标的跟踪是实现无人机协同工作的基础，也是当前无人机技术领域研究的前沿课题之一。单目相机无法提供目标深度，使用限制较多，双目相机根据三角测量原理可以直接计算目标的空间位置，适用范围更广[1]。TEULIERE C[2]等人使用搭载俯视单目相机的四旋翼飞行器，跟踪地面模型赛车，由IMU计算飞行器高度，实现了对目标的航向角锁定与跟踪定位。MIGUEL[3]等人使用搭载前视单目相机的四旋翼飞行器，跟踪红色气球，通过特征面积计算相对距离，使用模糊控制实现了目标定位跟踪。
张梁等人[4]利用双目相机测量目标的空间位置，实现了六旋翼飞行器对目标的跟踪。
TEULIERE C[2]、MIGUEL[3]、张梁等人[4]实现的目标跟踪是基于颜色的特征跟踪Camshift[5]算法，该算法的跟踪窗口可根据目标实时缩放，跟踪定位效果较好，但该算法只适用于光照恒定的室内环境以及背景色彩单一的室外环境。
本文提出了一种基于轮廓的特征跟踪方法，连续自适应椭圆检测(Continuously Adaptive Ellipse Detector，CAED)算法，克服了特征跟踪Camshift算法过于依赖色彩的缺陷，降低了复杂室外环境下目标丢失的几率，提高了目标检测的适用范围。文中提出的对空中动态目标跟踪算法，通过在四旋翼飞行器上搭载双目相机，并自行设计四旋翼飞行控制算法，实现对空中动态目标的平稳跟踪。对于无人机协同工作以及无人机电力巡检、除障等有一定的参考意义。
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作者信息:
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)
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