[发明专利]基于目标加速度估计的无人机捕获目标的控制方法

权利要求书

1.一种无人机捕获目标的控制方法，其特征在于，该方法中实时获得目标无人机的状态估计，并据此解算追踪无人机的控制指令，通过该控制指令控制所述追踪无人机捕获目标；

所述控制指令通过下式(一)实时获得：

a_c＝K_p(P_t-P)+K_v(V_t-V)+K_α(a_t-a) (一)

其中，K_p、K_v和K_α都表示控制参数；K_p的取值为1.6，K_v的取值为3.6，K_α的取值为0.8；

P_t表示目标无人机的位置，V_t表示目标无人机的速度，α_t表示目标无人机的加速度；所述目标无人机的状态估计包括目标无人机的位置、速度和加速度；

P表示追踪无人机的位置，V表示追踪无人机的速度，a表示追踪无人机的加速度；

所述目标无人机的状态估计通过下述步骤获得：

步骤1，通过携带有摄像机的追踪无人机追踪并拍摄目标无人机，获得连续的包含目标无人机的图像，所述目标无人机为四旋翼无人机；

步骤2，通过卷积神经网络处理所述图像，并从每帧图像中都提取出目标无人机的4个关键点的像素坐标；

步骤3，根据所述目标无人机的4个关键点的像素坐标获得目标无人机的状态估计；所述目标无人机的状态估计包括目标无人机的位置、目标无人机的加速度和目标无人机的速度；

所述步骤3包括如下子步骤：

子步骤1，通过目标无人机关键点的像素坐标获得旋转矩阵，

子步骤2，通过旋转矩阵获得目标无人机的姿态，

子步骤3，通过目标无人机的姿态获得目标无人机的加速度，

子步骤4，通过目标无人机的加速度获得目标无人机的实际位置和速度；

在所述子步骤1中，通过下式(二)获得旋转矩阵：

其中，R表示旋转矩阵，即用于从正交坐标系到相机坐标系做转换的3×3旋转矩阵；

R′表示任意3×3旋转矩阵，其第三列[r₇ r₈ r₉]^T等于旋转轴Za，且R′满足旋转矩阵的正交约束；

旋转轴表示点P_i0指向点P_j0的向量，||P_i0P_j0||表示点P_i0指向点P_j0的向量的模；

rot(Z,α_l)表示目标无人机绕Z轴的旋转角度为α_l；

c＝cosα_l，s＝sinα_l；

在所述子步骤2中，通过下式(三)获得目标无人机的姿态：

其中，当-asin(R₃₁)的值落在范围内时，θ₁表示目标无人机的俯仰角，θ₂无意义；

当-asin(R₃₁)的值未落在范围内时，θ₂表示目标无人机的俯仰角，θ₁无意义；

ψ₁表示俯仰角为θ₁时对应求解得到的目标无人机的偏航角，

ψ₂表示俯仰角为θ₂时对应求解得到的目标无人机的偏航角，

φ₁表示俯仰角为θ₁时对应求解得到的目标无人机的滚转角，

φ₂表示俯仰角为θ₂时对应求解得到的目标无人机的滚转角，

R₃₁、R₃₂、R₃₃表示式(二)中求解得到的旋转矩阵R中第三行的三个元素，

R₂₁表示式(二)中求解得到的旋转矩阵R中第二行的第一个元素，

R₁₁表示式(二)中求解得到的旋转矩阵R中第一行的第一个元素；

asin表示反正弦函数，atan表示反正切函数；

在所述子步骤3中，通过下式(四)获得目标无人机的加速度：

a_t＝[a_x,a_y,a_z]^T (四)

其中，a_t表示目标无人机的加速度，

a_x表示惯性坐标系中X轴方向的加速度分量，

a_y表示惯性坐标系中Y轴方向的加速度分量，

a_z表示竖直方向的加速度分量，a_z＝0

其中，g表示重力加速度；

θ表示式(三)中求解所得目标无人机的俯仰角，

表示式(三)中求解所得目标无人机的滚转角，

ψ表示式(三)中求解所得目标无人机的偏航角；

在所述子步骤4中，通过下式(五)获得目标无人机的实际位置，

其中，K_k代表卡尔曼增益，γ_k表示用于模拟间歇测量的二进制随机变量，如果目标无人机在第k帧图像中被检测出，则γ_k＝1，如果目标无人机在第k帧图像中未被检测出，则γ_k＝0；

w_k表示第k帧图像对应的过程噪声，w_k-1表示第k-1帧图像对应的过程噪声；

表示基于k-1帧图像估计出的第k帧图像对应的状态量，

表示估计得到的最优的第k-1帧图像对应的状态量，

表示估计得到的最优的第k帧图像对应的状态量，

输出值和都可以表示为X，

Z_k表示第k帧图像对应的量测量，可表示为Z；

A表示过程矩阵，H表示观测矩阵；

P_t表示目标无人机的位置，v_t表示目标无人机的速度，a_t表示目标无人机的加速度，h表示图像的采样周期，为25Hz，I₃表示三维单位矩阵。

2.根据权利要求1所述的无人机捕获目标的控制方法，其特征在于，

在步骤2中，首先通过图像识别的方式框选出目标无人机的基础关键点位置，

再根据基础关键点位置寻找并框选出相关关键点的位置，进而获得目标无人机的4个关键点的像素坐标。