CN113110542B - 一种基于单轴云台的四旋翼无人机目标追踪系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于单轴云台的四旋翼无人机目标追踪系统，包括机架，所述机架的上端活动安装有电机，所述电机的上端活动安装有螺旋桨，所述机架的上端固定安装有JetsonTX2板载计算机，所述JetsonTX2板载计算机的上端固定安装有pixhawk飞行控制器，所述机架的下端固定安装有单轴云台，所述单轴云台的下端活动安装有摄像机，该基于单轴云台的四旋翼无人机目标追踪系统，在算法中设置一个虚拟平面估计目标倾角，准确照在目标平面上使目标平面和摄像头成像平面平行，在当目标平面发生倾斜的时候，无人机可以自行判定目标倾角的大小然后调整云台的角度对目标进行追踪，以获得同等高度下目标的最大图像。在追踪侦测领域有巨大作用。也可在航拍领域进行广泛推广。

Description

一种基于单轴云台的四旋翼无人机目标追踪系统

技术领域

本发明涉及无人机技术领域，具体为一种基于单轴云台的四旋翼无人机目标追踪系统。

背景技术

随着嵌入式技术，视觉处理技术和空气动力学领域的不断发展，无人机迎来了一个蓬勃发展的黄金时期，由仅仅用于飞行试验和航拍等任务逐渐扩展到了货物配送，电路设施检测，人员营救，环境探测，军事活动等领域，无人机的优势在于其活动灵活，具有空中优势还可搭配传感器获取更多信息。

无人机搭配视觉传感器和激光传感器等可以充分发挥其本身机动性强，获取信息多的特点。旋翼无人机较固定翼无人机而言，其机动性和灵活性都有了很大的提升，除此之外，它能够实现自由悬停、垂直起降等比较难的任务，旋翼无人机还可以实现低速低空平稳飞行，能够在隐蔽的空间里面执行任务、在很小的范围进行检测，因此旋翼无人机有更多的优势。

无人机最大的优势是搭配视觉传感器获取视觉信息对周围环境进行分析定位。视觉追踪是无人机应用的一个比较盛行的方向，可以跟踪目标进行拍摄或者抓取。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于单轴云台的四旋翼无人机目标追踪系统，以解决上述背景技术中提出针对追踪技术不完善，只能框选出目标对其位置进行追踪无法判别目标平面是否发生变化，对斜面上的目标追踪效果不佳的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于单轴云台的四旋翼无人机目标追踪系统，其步骤如下：

步骤S1:在此方法中我们一共使用四个坐标系，分别是世界坐标系(惯性坐标系)I＝{O_i,X_i,Y_i,Z_i}，机体坐标系B＝{O_b,X_b,Y_b,Z_b}，相机坐标系C＝{O_c,X_c,Y_c,Z_c}，虚拟坐标系V＝{O_v,X_v,Y_v,Z_v}，我们假设相机坐标系和机体坐标系的原点重合。虚拟坐标系下的虚拟图像平面是始终水平的。在机体坐标系下的无人机的运动学方程如下:

F＝-U₁E₃+mgR^Te₃

其中ζ代表的是世界坐标系下的位移，R表示的是从机体坐标系到世界坐标系的转换矩阵。上述的第二个公式表示的是转换矩阵的求导公式。第三个公式表示机体坐标系下无人机的加速度

m表示的是无人机的质量，Ω表示无人机的角速度，F是机体坐标系下无人机所受的合力，J是无人机的转动惯量。第四个公式是无人机旋转方向上的运动公式，τ是作用在无人机上的转矩。第五个公式表示的是无人机在机体坐标系下所受到的合力。

步骤S2:在虚拟坐标系计算完偏角并且云台调整完之后在相机坐标系下基于backstepping控制法的无人机控制率如下：

一共经过三层的推导，第一层是以速度为控制量，第二层是以力为控制量，第三层是以力的导为控制量。上式是经过backstepping推导计算得到的最终结果。其中

表示的是推力的导数，sk(·)表示反对称矩阵e₃表示的是三维列向量[0,0,1]^T，

并且q₁，q₂，q₃是backstepping方法中每一步的控制量误差。

是构建速度观测器时q₁的测量值和估计值之差。z^*是高度的期望值。c₁，k₁，k₂，k₃，k₄，k₅是控制参数。偏航控制的控制率为

其中Ω₂和Ω₃都是

步骤S3：所使用的虚拟平面是水平的一个平面，世界坐标系，相机坐标系，虚拟坐标系，机体坐标系的关系如下：

I＝R_PR_ψV＝R_ψC＝R_ψR_θR_φB

其中I是世界坐标系，B是机体坐标系，C是相机坐标系，V是虚拟坐标系。相机坐标系和世界坐标系之间平行只相差一个偏航的误差，R_P是虚拟坐标系与相机坐标系之间的变换矩阵只有一个俯仰变化。

步骤S4：判别世界坐系下目标平面的偏角其方法如下：

如图1，追踪的目标至少可以是四个特征点，假设这四个特征点分别是位于正方形的四个角上。当目标处于水平的平面上，虚拟坐标系下四个特征点也听该是两两之间距离相等的。目标点在虚拟平面下的横纵坐标分别是u₁,v₁，u₂,v₂，u₃,v₃，u₄,v₄。首先求虚拟平面下四个边的长度：

然后比较相对的一对边与另一对边的长短，即比较A+C和B+D。当A+C大于B+D则表示目标平面是在俯仰方向产生了倾斜，反之则是图像平面在横滚方向产生了倾斜。至于目标倾斜角的正负，由于通过摄像机透视法则，离摄像头近的在图像平面中会比里的远的大。则是需要直接比较相对的两个边的大小。当A＞C时表示目标的偏转角为正，此时控制单轴云台向机头方向偏转，相机平面与目标平面平行。角度的计算是

步骤S5对于无人机控制信息获取如下：在相机坐标系下的特征点位置信息是：

对于位置信息的微分如下：

其中

是相机坐标系相对于惯性坐标系的线速度。v＝[^cv_x ^cv_y ^cv_z]是在相机坐标系下的线速度。根据相机透视法得到像素坐标系下点的坐标：

可以根据上式得到像素坐标的导如下：

然后计算特征点坐标的平均值，并且使用图像矩来控制无人机的追踪动作。特征点平均坐标是：

a＝^cμ₂₀+^cμ₀₂，设置a^*是a的理想值。控制位移和偏航的图像矩为：

步骤S6在backstepping控制法下进行仿真实验，验证追踪方法的有效性。

一种基于单轴云台的四旋翼无人机，包括机架(4)，所述机架(4)的上端活动安装有电机(5)，所述电机(5)的上端活动安装有螺旋桨(6)，所述机架(4)的上端固定安装有Jetson TX2板载计算机(2)，所述Jetson TX2板载计算机(2)的上端固定安装有pixhawk飞行控制器(1)，所述机架(4)的下端固定安装有单轴云台(7)，所述单轴云台(7)的下端活动安装有摄像机(3)。

优选的，所述无人机机体坐标系下的运动方程其特征在于为保证准确追踪无人机需尽量保证飞行的稳定性。在水平的虚拟坐标系下所受的合力为f＝-R_φθU₁E₃+mge₃，其中U₁是所有螺旋桨产生的无人机的推力，R_φθ是机体和摄像头一起产生的偏转造成的。E₃和e₃都是三维列向量[0 0 1]^T。在相机坐标系下的合力为

其中R是机体的偏转矩阵，R_p是测得的目标平面的倾角。

优选的，所述在S2解算出来的推力约束是如下

可以对合力

求导来获得的

可以得到如下：

其中Ω₁和Ω₂是无人机的俯仰、横滚角速度。根据求得的姿态角速度Ω₁、Ω₂然后根据公式：

得到惯性坐标系下角度的导

然后使用PD控制求得角度

对于位置控制使用如下的无人机动力学模型：

首先通过PD控制求得线速度，然后再通过PD控制求得位置。

优选的，所述对于偏航的控制还是在水平虚拟平面中进行偏航控制。定义偏航的图像矩为如下：

对其求导

设偏航角的理想值是

定义特征误差

对其求导有

选择偏航角的控制输入

使用如下公式：

获得最终的控制

优选的，所述在出事状态下单轴云台是垂直向下的即角度为0，每一次的调整量是通过当前时刻计算出的角度和前一时刻的角度相减得到控制量。

优选的，所述单轴云台使用的是步进电机，由pixhawk飞行控制器的pwm输出口进行控制。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：该基于单轴云台的四旋翼无人机目标追踪系统，该方法在当目标平面发生倾斜的时候无人机可以自行判定目标倾角的大小然后调整云台的角度对目标进行追踪，以获得同等高度下目标的最大图像，在追踪侦测等领域有巨大作用，也可在航拍领域进行广泛的推广，直接控制无人机姿态和位置的是pixhawk飞行控制器，由pixhawk飞行控制器直接连接电调控制四个电机的转速进而控制无人机的姿态和位置，USB摄像头和TX2板载计机直接连接获取图像信息，TX2板载计算机负责特征点提取和图像的处理，计算控制量传达给pixhawk飞行控制器，TX2板载计算机和pixhawk飞行控制器通过mavros进行通信，在算法中设置一个虚拟平面估计目标倾角，将估计到的倾角信息传达到pixhawk飞行控制器控制步进电机调整摄像头角度，准确照在目标平面上使目标平面和摄像头成像平面平行，可以拍摄到更加准确形变更少的图像。

附图说明

图1为本发明流程框图；

图2为本发明整体结构示意图；

图3为本发明在追踪过程中q_x，q_y，q_z，q_ψ四个控制量的变化示意图；

图4为本发明在追踪过程中无人机自身位置x，y，z的变化示意图；

图5为本发明在追踪过程中识别的目标角度的变化示意图。

图中：1、pixhawk飞行控制器；2、Jetson TX2板载计算机；3、摄像机；4、机架；5、电机；6、螺旋桨；7、单轴云台。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-5，本发明提供一种技术方案：一种基于单轴云台的四旋翼无人机目标追踪系统，其特征在于：其步骤如下：

步骤S1:在此方法中我们一共使用四个坐标系，分别是世界坐标系(惯性坐标系)I＝{O_i,X_i,Y_i,Z_i}，机体坐标系B＝{O_b,X_b,Y_b,Z_b}，相机坐标系C＝{O_c,X_c,Y_c,Z_c}，虚拟坐标系V＝{O_v,X_v,Y_v,Z_v}，我们假设相机坐标系和机体坐标系的原点重合。虚拟坐标系下的虚拟图像平面是始终水平的。在机体坐标系下的无人机的运动学方程如下:

F＝-U₁E₃+mgR^Te₃

其中ζ代表的是世界坐标系下的位移，R表示的是从机体坐标系到世界坐标系的转换矩阵。上述的第二个公式表示的是转换矩阵的求导公式。第三个公式表示机体坐标系下无人机的加速度

m表示的是无人机的质量，Ω表示无人机的角速度，F是机体坐标系下无人机所受的合力，J是无人机的转动惯量。第四个公式是无人机旋转方向上的运动公式，τ是作用在无人机上的转矩。第五个公式表示的是无人机在机体坐标系下所受到的合力。

步骤S2:在虚拟坐标系计算完偏角并且云台调整完之后在相机坐标系下基于backstepping控制法的无人机控制率如下：

一共经过三层的推导，第一层是以速度为控制量，第二层是以力为控制量，第三层是以力的导为控制量。上式是经过backstepping推导计算得到的最终结果。其中

表示的是推力的导数，sk(·)表示反对称矩阵e₃表示的是三维列向量[0,0,1]^T，

并且q₁，q₂，q₃是backstepping方法中每一步的控制量误差。

是构建速度观测器时q₁的测量值和估计值之差。z^*是高度的期望值。c₁，k₁，k₂，k₃，k₄，k₅是控制参数。偏航控制的控制率为

其中Ω₂和Ω₃都是

步骤S3：所使用的虚拟平面是水平的一个平面，世界坐标系，相机坐标系，虚拟坐标系，机体坐标系的关系如下：

I＝R_PR_ψV＝R_ψC＝R_ψR_θR_φB

其中I是世界坐标系，B是机体坐标系，C是相机坐标系，V是虚拟坐标系。相机坐标系和世界坐标系之间平行只相差一个偏航的误差，R_P是虚拟坐标系与相机坐标系之间的变换矩阵只有一个俯仰变化。

步骤S4：判别世界坐系下目标平面的偏角其方法如下：

如图1，追踪的目标至少可以是四个特征点，假设这四个特征点分别是位于正方形的四个角上。当目标处于水平的平面上，虚拟坐标系下四个特征点也听该是两两之间距离相等的。目标点在虚拟平面下的横纵坐标分别是u₁,v₁，u₂,v₂，u₃,v₃，u₄,v₄。首先求虚拟平面下四个边的长度：

然后比较相对的一对边与另一对边的长短，即比较A+C和B+D。当A+C大于B+D则表示目标平面是在俯仰方向产生了倾斜，反之则是图像平面在横滚方向产生了倾斜。至于目标倾斜角的正负，由于通过摄像机透视法则，离摄像头近的在图像平面中会比里的远的大。则是需要直接比较相对的两个边的大小。当A＞C时表示目标的偏转角为正，此时控制单轴云台向机头方向偏转，相机平面与目标平面平行。角度的计算是

步骤S5对于无人机控制信息获取如下：在相机坐标系下的特征点位置信息是：

对于位置信息的微分如下：

其中

是相机坐标系相对于惯性坐标系的线速度。v＝[^cv_x ^cv_y ^cv_z]是在相机坐标系下的线速度。根据相机透视法得到像素坐标系下点的坐标：

可以根据上式得到像素坐标的导如下：

然后计算特征点坐标的平均值，并且使用图像矩来控制无人机的追踪动作。特征点平均坐标是：

a＝^cμ₂₀+^cμ₀₂，设置a^*是a的理想值。控制位移和偏航的图像矩为：

步骤S6在backstepping控制法下进行仿真实验，验证追踪方法的有效性。

一种基于单轴云台的四旋翼无人机，包括机架4，其特征在于：机架4的上端活动安装有电机5，电机5的上端活动安装有螺旋桨6，机架4的上端固定安装有Jetson TX2板载计算机2，Jetson TX2板载计算机2的上端固定安装有pixhawk飞行控制器，机架4的下端固定安装有单轴云台7，单轴云台的下端活动安装有摄像机3。

进一步的，无人机机体坐标系下的运动方程其特征在于为保证准确追踪无人机需尽量保证飞行的稳定性。在水平的虚拟坐标系下所受的合力为f＝-R_φθU₁E₃+mge₃，其中U₁是所有螺旋桨产生的无人机的推力，R_φθ是机体和摄像头一起产生的偏转造成的。E₃和e₃都是三维列向量[0 0 1]^T。在相机坐标系下的合力为

其中R是机体的偏转矩阵，R_p是测得的目标平面的倾角；

进一步的，在S2解算出来的推力约束是如下

可以对合力

求导来获得的

可以得到如下：

其中Ω₁和Ω₂是无人机的俯仰、横滚角速度。根据求得的姿态角速度Ω₁、Ω₂然后根据公式：

得到惯性坐标系下角度的导

然后使用PD控制求得角度

对于位置控制使用如下的无人机动力学模型：

首先通过PD控制求得线速度，然后再通过PD控制求得位置；

进一步的，对于偏航的控制还是在水平虚拟平面中进行偏航控制。定义偏航的图像矩为如下：

对其求导

设偏航角的理想值是

定义特征误差

对其求导有

选择偏航角的控制输入

使用如下公式：

获得最终的控制

进一步的，在出事状态下单轴云台是垂直向下的即角度为0，每一次的调整量是通过当前时刻计算出的角度和前一时刻的角度相减得到控制量，即相机坐标系C和机体坐标系B是保持一致的[x y z]^T的方向表示的非别是前右下。每一次的调整量是通过当前时刻计算出的调整角度和前一时刻的角度相减得到控制量；

进一步的，单轴云台使用的是步进电机，由pixhawk飞行控制器的pwm输出口进行控制，然后配合编码器可以测得改变后的角度对云台进行闭环控制。本发明提供了一种基于单轴云台的无人机目标追踪系统。首先对无人机进行建模，分析其动力系统，保证追踪过程中无人机的姿态保持稳定。其次设置一个虚拟平面原点与相机平面重合，虚拟平面通过惯导模块(IMU)测定的无人机的姿态和当前相机的姿态调整自身保持水平。在水平的虚拟坐标系下通过目标图像得到变化测定其偏转的角度，并且偏航控制在虚拟坐标系下完成，同时调整单轴云台使相机平面与目标平面平行，获得同等分飞行高度下最大目标图像。在虚拟平面和相机平面下都对图像矩进行计算利用图像矩进行目标的追踪。因为无人机具有非线性欠驱动的特点，本专利使用反步控制法解算出其控制量

和

最终使用PD控制实现无人机的位置和姿态调整。

工作原理：首先明确无人机在直线和角度上的动力学模型，然后建立世界坐标系，机体坐标系，相机坐标系，虚拟坐标系之间的关系，得到目标点的像素之后，计算图像矩当作被控量，然后使用反步控制计算出控制量，进而算得角速度控制量和加速度控制量，使用PD控制来控制无人机的姿态赫尔位置进行目标追踪，根据S1中，无人机机体坐标系下的运动方程其特征在于为保证准确追踪无人机需尽量保证飞行的稳定性。在水平的虚拟坐标系下所受的合力为f＝-R_φθU₁E₃+mge₃，其中U₁是所有螺旋桨产生的无人机的推力，R_φθ是机体和摄像头一起产生的偏转造成的。E₃和e₃都是三维列向量[0 0 1]^T。在相机坐标系下的合力为

其中R是机体的偏转矩阵，R_p是测得的目标平面的倾角。

根据S2解算出来的推力约束是如下

可以对合力

求导来获得的

可以得到如下：

其中Ω₁和Ω₂是无人机的俯仰、横滚角速度。根据求得的姿态角速度Ω₁、Ω₂然后根据公式：

得到惯性坐标系下角度的导

然后使用PD控制求得角度

对于位置控制使用如下的无人机动力学模型：

首先通过PD控制求得线速度，然后再通过PD控制求得位置。

根据所述步骤S5中，对于偏航的控制还是在水平虚拟平面中进行偏航控制。定义偏航的图像矩为如下：

对其求导

设偏航角的理想值是

定义特征误差

对其求导有

选择偏航角的控制输入

使用如下公式：

获得最终的控制

根据所述步骤S3中基于单轴云台的无人机目标追踪系统，在初始状态下单轴云台是垂直向下的即角度为0，即相机坐标系C和机体坐标系B是保持一致的[x y z]^T的方向表示的非别是前右下。每一次的调整量是通过当前时刻计算出的调整角度和前一时刻的角度相减得到控制量。

为更好的说明本系统对于无人机目标追踪具有较好的控制效果和对控制理论进行了仿真：设定无人机质量m＝2Kg，重力加速度g＝9.81m/s²。无人机的初始位置是[x y z]＝[4，3，-7]。期望的高度为4m。转动惯量I₁＝0.0090kg.m²/rad²，I₂＝0.0090kg.m²/rad²，I₂＝0.0176kg.m²/rad²。相机的焦距f＝0.0032mm，所追踪的四个点在世界坐标系下设为：a1＝[0.25 0.5 0]^T，a2＝[-0.25 0.5 0]^T，a3＝[-0.25 -0.5 0.5]^T，a4＝[0.25 -0.5 0.5]^T单位是m。所使用到的参数分别是c₁＝2，k₁＝4，k₂＝8，k₃＝2，k₄＝2，k₅＝0.7。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种基于单轴云台的四旋翼无人机目标追踪系统，包括机架(4)，其特征在于：所述机架(4)的上端活动安装有电机(5)，所述电机(5)的上端活动安装有螺旋桨(6)，所述机架(4)的上端固定安装有Jetson TX2板载计算机(2)，所述Jetson TX2板载计算机(2)的上端固定安装有pixhawk飞行控制器(1)，所述机架(4)的下端固定安装有单轴云台(7)，所述单轴云台(7)的下端活动安装有摄像机(3)；

步骤S1:一共使用四个坐标系，分别是世界坐标系I＝{O_i,X_i,Y_i,Z_i}，机体坐标系B＝{O_b,X_b,Y_b,Z_b}，相机坐标系C＝{O_c,X_c,Y_c,Z_c}，虚拟坐标系V＝{O_v,X_v,Y_v,Z_v}，假设相机坐标系和机体坐标系的原点重合，虚拟坐标系下的虚拟图像平面是始终水平的，在机体坐标系下的无人机的运动学方程如下:

F＝-U₁E₃+mgR^Te₃

其中ζ代表的是世界坐标系下的位移，R表示的是从机体坐标系到世界坐标系的转换矩阵，上述的第二个公式表示的是转换矩阵的求导公式，第三个公式表示机体坐标系下无人机的加速度

m表示的是无人机的质量，Ω表示无人机的角速度，F是机体坐标系下无人机所受的合力，J是无人机的转动惯量，第四个公式是无人机旋转方向上的运动公式，τ是作用在无人机上的转矩，第五个公式表示的是无人机在机体坐标系下所受到的合力；

步骤S2:在虚拟坐标系计算完偏角并且云台调整完之后在相机坐标系下基于backstepping控制法的无人机控制率如下：

一共经过三层的推导，第一层是以速度为控制量，第二层是以力为控制量，第三层是以力的导为控制量，上式是经过backstepping推导计算得到的最终结果，其中

表示的是推力的导数，sk(·)表示反对称矩阵，e₃表示三维列向量[0,0,1]^T，

并且q₁，q₂，q₃是backstepping方法中每一步的控制量误差，

是构建速度观测器时q₁的测量值和估计值之差，z^*是高度的期望值，c₁，k₁，k₂，k₃，k₄，k₅是控制参数，偏航控制的控制率为

其中Ω₁和Ω₂是无人机的俯仰、横滚角速度；

步骤S3：所使用的虚拟平面是水平的一个平面，世界坐标系，相机坐标系，虚拟坐标系，机体坐标系的关系如下：

I＝R_PR_ψV＝R_ψC＝R_ψR_θR_φB

其中I是世界坐标系，B是机体坐标系，C是相机坐标系，V是虚拟坐标系，相机坐标系和世界坐标系之间平行只相差一个偏航的误差，R_P是虚拟坐标系与相机坐标系之间的变换矩阵只有一个俯仰变化；

步骤S4：判别世界坐系下目标平面的偏角其方法如下：

追踪的目标至少可以是四个特征点，假设这四个特征点分别是位于正方形的四个角上，当目标处于水平的平面上，虚拟坐标系下四个特征点也应该是两两之间距离相等的，目标点在虚拟平面下的横纵坐标分别是u₁,v₁，u₂,v₂，u₃,v₃，u₄,v₄，首先求虚拟平面下四个边的长度：

然后比较相对的一对边与另一对边的长短，即比较A+C和B+D，当A+C大于B+D则表示目标平面是在俯仰方向产生了倾斜，反之则是图像平面在横滚方向产生了倾斜，至于目标倾斜角的正负，由于通过摄像机透视法则，离摄像头近的在图像平面中会比里的远的大，则是需要直接比较相对的两个边的大小，当A＞C时表示目标的偏转角为正，此时控制单轴云台向机头方向偏转，相机平面与目标平面平行，角度的计算是

步骤S5：对于无人机控制信息获取如下：在相机坐标系下的特征点位置信息是：

对于位置信息的微分如下：

其中

是相机坐标系相对于惯性坐标系的线速度，v＝[^cv_x ^cv_y ^cv_z]是在相机坐标系下的线速度，根据相机透视法得到像素坐标系下点的坐标：

可以根据上式得到像素坐标的导如下：

然后计算特征点坐标的平均值，并且使用图像矩来控制无人机的追踪动作，特征点平均坐标是：

a＝^cμ₂₀+^cμ₀₂，

设置a^*是a的理想值，控制位移和偏航的图像矩为：

步骤S6：在backstepping控制法下进行仿真实验，验证追踪方法的有效性。

2.根据权利要求1所述的一种基于单轴云台的四旋翼无人机目标追踪系统，其特征在于：所述无人机机体坐标系下的运动方程其特征在于为保证准确追踪无人机需尽量保证飞行的稳定性，在水平的虚拟坐标系下所受的合力为f＝-R_φθU₁E₃+mge₃，其中U₁是所有螺旋桨产生的无人机的推力，R_φθ是机体和摄像头一起产生的偏转造成的，E₃和e₃都是三维列向量[0 0 1]^T，在相机坐标系下的合力为

其中R是机体的偏转矩阵，R_p是测得的目标平面的倾角。

3.根据权利要求2所述的一种基于单轴云台的四旋翼无人机目标追踪系统，其特征在于：在S2解算出来的推力约束是如下

可以对合力

求导来获得的

可以得到如下：

根据求得的姿态角速度Ω₁、Ω₂然后根据公式：

得到惯性坐标系下角度的导

然后使用PD控制求得角度

对于位置控制使用如下的无人机动力学模型：

首先通过PD控制求得线速度，然后再通过PD控制求得位置。

4.根据权利要求3所述的一种基于单轴云台的四旋翼无人机目标追踪系统，其特征在于：所述对于偏航的控制还是在水平虚拟平面中进行偏航控制，定义偏航的图像矩为如下：

对其求导

设偏航角的理想值是

定义特征误差

对其求导有

选择偏航角的控制输入

使用如下公式：

获得最终的控制

5.根据权利要求1所述的一种基于单轴云台的四旋翼无人机目标追踪系统，其特征在于：在初始状态下单轴云台是垂直向下的即角度为0，每一次的调整量是通过当前时刻计算出的角度和前一时刻的角度相减得到控制量。

6.根据权利要求1所述的一种基于单轴云台的四旋翼无人机目标追踪系统，其特征在于：所述单轴云台使用的是步进电机，由pixhawk飞行控制器的pwm输出口进行控制。

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