徐峰 陈军建 李武岐 李亮

摘 要：随着无人机技术的快速发展，其应用领域日趋多元化，但在目标跟踪监测方面的研究还需要进一步加强。笔者结合拓展无人机执行任务领域，从高精度目标云台指向技术、提升飞行控制能力、准确控制飞机航线及云台转角、开发目标跟踪监测潜能等方面进行阐述。

关键词：“刀锋”无人机;目标跟踪与精确定位技术;云台改装

为实现“刀锋”无人机系统的目标跟踪监测能力，建立空巡平台，实现目标跟踪监测以及精确定位，提供侦察跟踪保障手段，为指挥决策提供有力的支撑，笔者对“刀锋”无人机实现目标跟踪监测的关键技术进行研究。

1研究背景

随着时代的发展，测绘技术在各个领域中都发挥着非常重要的作用。近年来，图像处理、自动控制、数据传输等技术广泛应用于无人机视觉跟踪领域，无人机的视觉功能越来越完善，涵盖智能控制、物流、低空航拍等国民经济的很多领域。通过应用无人机开展目标跟踪，不但可以有效的提升跟踪的效率，同时还可以获得更加清晰和准确的测量数据。对低空目标进行自动跟踪的无人机视觉云台技术受到高度关注，研究一种能保持视频设备位置稳定，并具有目标检测与跟踪任务的视频采集系统，具有实际意义。随着硬件性能的快速发展，2000年之后目标检测跟踪技术得到快速发展，并取得丰硕成果。目标跟踪从简单场景到复杂场景、从单目标到多目标。多样化目标跟踪系统已经投向实用化、产业化。世界很多著名高校、一些重要的研究机构都设有计算机目标视觉专业实验室，比如：斯坦福大学、牛津大学、麻省理工学院等，进行专项学习研究。背景中动态目标的详细信息是进行目标跟踪的最终结果。在导弹定位、军事航天、气象实时、机器人导航、安防医疗、交通信息、安全监视、视频压缩等多方面有广泛应用。我国目标跟踪技术起步较晚，虽然目前发展速度较快，但与发达国家的技术水平有比较大的差距。目前，许多高等院校和研究所等机构，如：清华大学人机交互与媒体集成研究所、中科院自动化研究所、哈工大、上海交大航空航天学院信息与控制研究所、华中科技大学等都在图像跟踪领域做了大量的工作。

2高精度目标云台指向技术

云台携带可见光载荷，是无人机信息获取的主要技术手段，目标探测能力、识别能力、精确指向能力，是实现无人机目标实时跟踪监测的基本前提。小型无人机作为新兴的侦查技术手段，价格便宜，部署灵活，使用方便，维护成本低，但载荷能力有限，受环境扰动大，无人机一体化设计受到云台体积重量功耗限制，振动、传感器精度、伺服精度等问题是必须突破的关键技术。飞行中，由于自身稳定性和受到大气气流等影响，会出现倾斜或者颠簸，都会影响到影像的实时获取，需要增加装置来稳定镜头姿态。无人机所挂载的云台部件采用集成式设计，将自稳云台、高清摄像机、无线图传集成一体，配合多旋翼无人机可全天候完成稳定、清晰的视频采集和数据传输任务。改装云台主要包含以下内容：

2.1设计减振结构

根据刀锋无人机发动机标称工作点频率、机身机翼结构固有频率以及飞行剖面和气动载荷情况，设计云台减震器固有频率与阻尼比，去除高频分量对云台跟踪精度影响。

2.2设计电子稳像

云台光学系统设计电子稳像模式，可将20Hz以上的高频影响去除，保证目标特征清晰，稳定为后续的可靠跟踪提供必要前提。

2.3选择高带宽无刷直流电机

云台选用高带宽大扭矩无刷直流电机，配备非接触式旋转变压器，降低云台摩擦干扰力矩，同时配合小间隙和精确的重心偏置调节，降低非线性和重力偏心力矩，保证云台对2～10Hz范围外部扰动具有很高的干扰隔离能力，实现稳定的目标指向，同时保证产品长寿命可靠。

2.4选择低漂移传感器

选择ADI高精度低漂移的角速率传感器，并利用试验测试数据和自研算法为传感器零位和温漂进行修正补偿，保证云台测量反馈信号高精度、低噪声、高带宽条件下闭环快、稳、准。

2.5设计先进补偿控制算法

采用先进的内回路预测校正补偿算法、外回路四元数过零点补偿算法，实现云台全范围无死点精确快速控制。如果目标的距离与无人机距离变大，会导致目标图像变小而难以检测与识别，必须对飞行轨迹进行控制，让二者距离保持不变。因此在云台调整角度对目标跟踪时，无人机也必须对目标进行跟踪。

3无人机实时航迹规划技术

小型无人机姿态控制受风场影响较大，为实现对机动目标可靠、持续、稳定跟踪定位，需要实现实时航迹规划技术，保证在有限能力的小型光电载荷条件下，实时跟进环境和目标规划航迹，并精准控制航迹。这要求无人机飞行控制算法具备很高的抗风鲁棒性能，制导算法具备很高的实时规划能力，对无人机全机系统的传感器，飞管计算机硬件性能、在线航迹规划算法要求提升，最终实现目标位置的可靠持续估计。

通过建立无人机模型来设计飞行控制系统，通过调节飞行控制系统使无人机更好更快跟踪预定航迹，对提高整体性能，发展航空事业都有重要意义。地面控制台的航迹规划，可以实现常规航线的规划。但目标跟踪过程需要根据目标变化，重新规划航线，增强飞机的机动性。飞行航迹跟踪控制的最终目的是使飞机以足够的准确度保持或跟踪预定的飞行航迹。在无人机搜索过程中采用提前规划航线飞行，但由于目标的不确定性，当发现目标进入跟踪模式以后，由于目标的机动的不可预知性，需要按照模板特性进行实时航迹规划。第一步进行预测，用过去得到的信息进一步修正模型，获得人、物体下一个将出现位置。第二步进行校正，获得一个测量值，与基于前一次测量的预测值进行调整。完成两步估计任务的方法称为预估器。

4目标精确定位技术

“刀锋”无人机为提供目标准确的经纬高信息，云台指向提供了目标指示，无人机在线航迹规划保证可靠跟踪。为实现连续，光滑，可靠的目标信息估计，需要利用扩展卡尔曼滤波对目标位置进行估计，综合利用无人机卫星导航系统信息、无人机惯导系统信息、云台框架信息、目标视线立轴角信息等多传感器融合估计，否则，由于小型无人机的姿态晃动、振动、云台延迟、目标机动或短时丢失，将导致目标位置计算出现极大的偏离和随机散布，无法提供可靠连续合理的位置指示，无法完成后续任务。