【正文】 [ ( ) ]ic x u? ? 函數(shù) 的作用是判斷目標區(qū)域中像。 假設(shè) 目標區(qū)域有 n 個不同位置的像素 12{ , , , }nx x x ， 對選 中區(qū)域 的灰度顏色空間 均勻 劃分，得到 m 個相等區(qū)間構(gòu)成的灰度直方圖。 由于均值漂移的 目標 跟蹤算 法 的 快速收斂性， 它通過不斷迭代計算 Meanshift 向量，算法最終將收斂到目標的真實位置， 從而 達到跟蹤的目的 。 它 是通過分 別 計算目標區(qū)域和 候選 區(qū)域內(nèi)像素的 特征 值概率得到目標模型和候選模型 ， 然后利用相似函數(shù)度量 初始 幀目標模型和當前幀的候選 模型 的 相似 性。比如假設(shè)有一張 100100? 的輸入圖像，有一張 10 10? 的模板圖像，查找的過程如下 （ 見 圖 33） ： （ 1） 從輸入圖像的左上角 （ 0， 0） 開始，切割一塊 （ 0， 0） 至 （ 10， 10）的 臨時 圖像； 佳木斯大學(xué)工學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 24 （ 2） 生成臨時圖像的直方圖； （ 3） 用臨時圖像的直方圖和模板圖像的直方圖對比，對比結(jié)果記為 c； （ 4） 直方圖對比結(jié)果 c，就是結(jié)果圖像 （ 0， 0） 處的像素值； （ 5） 切割輸入圖像從 （ 0， 1） 至 （ 10， 11） 的臨時圖像，對比直方圖，并記錄到結(jié)果 圖像； （ 6） 重復(fù)（ 1）～（ 5）步直到輸入圖像的右下角。 方向 投影的公 式為： _ 1( ) [ ( ) ]nb a c k p r o je c tio n i u iiI x q c x u????? （ 35） 反向投影 的作用 就是利用 輸入圖像去查找特定圖像（模板 圖像） 最匹配的點或者區(qū)域，也就是定位模板圖像出現(xiàn)在輸入圖像的位置 [25]。然后計算 每種顏色在每個小區(qū)間的 像素 數(shù)量 就可以得到 顏色直方圖，其計算 公式 為 ： 1 [ ( ) ] 1 , 2 , 3 ,nuiiq c x u u m??? ? ?? （ 34） u 為直方圖箱格的索引， ix 為 目標區(qū)域中的像素點， ()icx 為將 ix 的像素映射到相應(yīng)直方圖箱格中的索引值， ? 是一個 Kronecker delta 函數(shù)， uq 是像素值為 u的點的出現(xiàn)次數(shù)， m 為圖像的最高灰度級數(shù)。 Camshift 對目標 物體跟蹤就是根據(jù)顏色直 方圖 的 顏色概率分布圖進行 目標 物體 跟蹤， 首先需要得到目標物體在 HSV 模型下的 H 分量的顏色直方圖 。 RGB顏色空間是數(shù)字圖像常用的顏色空間表達，但是 RGB 空間結(jié)構(gòu)不能對 顏色 相似度 進行 精確的判斷 。m a x m i n60 12 0 m a xm a x m i n60 24 0 m a xm a x m i nifgbif r g bgbif r g bhbrif grgif b? ????? ? ? ?? ?? ?? ? ? ? ?? ? ?? ?? ? ? ???? ?? ? ???? （ 31） 佳木斯大學(xué)工學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 23 0 m a x 0m a x m in m in1m a x m a xifs o the rwi se???? ?? ???? （ 32） v=max （ 33） 顏色直方圖 與 反 向投影 顏色 直方圖 在 圖像檢索系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用 的 顏色特征 。那么 RGB 轉(zhuǎn)換為 HSV 的計算為： 0 m a x m i n60 0 m a x amp。 設(shè) max 為 r、 g 和 b 中 的最大者 ， min 為 r、 g 和 b 中 的最 小 者 。 色相（ H） ： 表示 顏色 的基本屬性 ， 用角度度量，取值范圍為 0 ~360 ， 從紅色（ Red） 開始 逆時針方向計算 ， 紅色 （ Red）為 0 ，綠色 （ Green）為 120 ， 藍色（ Blue） 240 ；飽和度 （ S） ： 表示顏色純凈度， ~，飽和度 的值越高顏色 越 純，飽和度的值越低顏色逐漸變灰 ； 亮度（ V） ： 表示顏色的明暗程度，對于單色光，亮度表示了光線的強弱，對于物體，明度表示物體的反射或透射光線的能力，取值范圍為 ~， 亮度 值為 0 時 ，表示為黑色。 圖 31 RGB 模型空間 HSV 是 在 1978 年 根據(jù)顏色 的 直觀特性 創(chuàng)建 的一種顏色空間，也稱作六角椎體模型 （見 圖 32） 。由三基色原理可知，自然界中的 色光 S 都是 由 紅（ Red） 、 綠（ Green） 、 藍（ Blue）三種 基色按不同的比例 分量相加組合 而成 ： ( ) ( ) ( ) ( )s S r R g G b B? ? ? （ 31） 式 中（ 31） s 代表 新組成 的一種 色光 S， r 代表 紅色 （ R） 的 比例系數(shù)， g 代表綠色 （ G） 的 比例 系數(shù)， b 代表藍色 （ B） 的比例系數(shù)，其中 r、 g、 b 的 比例系數(shù)取值 范圍 在 0 到 1 之間。 佳木斯大學(xué)工學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 21 第 3 章 目標跟蹤 與 定位 抓取 算法 基于 Camshift 的 目標跟蹤算法 顏色 RGB與 HSV 轉(zhuǎn) 換 攝像頭 傳輸給 計算機 的視頻圖像是 RGB 模型下的顏色分 布 ， 由于 RGB 對光照強度 的影響 很 敏感 ， 所以 將 RGB 模型 轉(zhuǎn)換成 HSV 模型 可以 去除光照影響 。 首先闡述飛行器的機械結(jié)構(gòu)和飛行原理，為后面 的 飛行 器的受力 分析 做了 鋪墊 ；為 方便飛行器 的 數(shù)學(xué)模型建立 和 力學(xué)理論的講解 ， 建立 了 傾轉(zhuǎn)四旋翼 飛行器 機體坐標系和地理坐標系 ； 力學(xué) 建模 為 ADMAS 軟件的 機械系統(tǒng) 模 型 和 MATLAB 中控制系統(tǒng)模型 的 建立 奠定 理論 基礎(chǔ) ； 利用 Solidworks 軟件的 三維建模 功能 、 ADAMS 軟件的 機械 動力學(xué) 分析 功能 和 MATLAB 軟件 的 動態(tài) 系統(tǒng)建模功能 建立 了 飛 行器的機械 系統(tǒng)模型與控制系統(tǒng)模型 ，實現(xiàn) 了 多個軟件 的 聯(lián)合 仿真 及 驗證 本實驗 的 飛行器系統(tǒng)有效性。 而且系統(tǒng) 能夠 在較短的時間內(nèi)使當前飛行器的姿態(tài)迅速的 達到 穩(wěn)定狀態(tài) ， 驗證 機械 模型和控制模型的準確性。 圖 218 聯(lián) 合仿真姿態(tài)控制系統(tǒng) 佳木斯大學(xué)工學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 20 聯(lián)合 仿真系統(tǒng) 結(jié)果 與分析 在 機械 系統(tǒng) 模型和 和控制系統(tǒng)模型 建立 好之后 以及 各個參數(shù)設(shè)定完畢后，在MATLAB/Simulink 中 設(shè)置好仿真時間，點擊 開始 仿真按鈕 ， 并將從 ScopeScope Scope3 中 獲得的三條曲線導(dǎo)入到 ADAMS/PostProcessor 中 ， 得到 歐拉角 跟蹤特性 曲線圖 （見 圖 219） 。 在 Subsystem1與 Subsystem4 的前向通道加入 PID 控制器 ，分別是 PID Controler1 和 PID Controler2， 然后 把 俯仰角與滾轉(zhuǎn)角的 負 反饋信息輸入 （見 圖 218） 。 為了 簡化 控制系 統(tǒng) 復(fù)雜度 ，本設(shè)計 只對 滾轉(zhuǎn)角和俯仰角進行 電機調(diào)速 控制 。 佳木斯大學(xué)工學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 19 圖 217 電機調(diào)速控制系統(tǒng) 由于飛行器的輸入變量與輸出變量之間的耦合作用、系統(tǒng)的不確定性和外部的干擾因素，所以使得飛行器系統(tǒng)的控制變得很復(fù)雜。 PID 控制是綜合了比例、積分、微分三種控制的 特 點 ， 比例控制快速抵消干擾的影響 ， 積分控制 作用 于 外界干擾或者建立的模型與實際系統(tǒng)之間不匹 配而引起的穩(wěn)態(tài)誤差 ， 微分控制具有某種程度的預(yù)見性 ， 改善系統(tǒng)穩(wěn)定性 ， 提高控制精度。 經(jīng)典 PID 控制系統(tǒng)是 由 比例、積分、微分 三個 環(huán)節(jié) 組成 的 負反饋閉環(huán)控制 ， 原理框圖如圖 216 所示 。 PID 控制 的原理簡單、方便使用、適用范圍廣、 魯棒性 好等優(yōu)點 [24]。然后 打開 MATLAB 軟件并在 命令 窗口 中輸入命令： adams_sys去 調(diào)用 ADAMS/Control 模塊 ， 即 生成 四旋翼飛行器機械系統(tǒng)模塊 （見 圖 215） 。 在 聯(lián)合仿真的過程中， 4 個 電機 輸入 Speed Speed SpeedSpeed4 的 四個 旋翼 轉(zhuǎn)速變量值 ， AngleX、 AngleY、 AngleZ 分別 作為 滾轉(zhuǎn) 角、俯仰角、偏航角輸出并反饋到控制系統(tǒng)中 ， 從而構(gòu)成閉環(huán)姿態(tài)控制系統(tǒng) （見 圖 214） 。 在 使用 ADAMS/Control 模塊 并 設(shè)置相關(guān)的參數(shù)， 就可 生成能在 MATLAB中打開的文件 和軟件 之間數(shù)據(jù)交互的借口 [23]。根據(jù)動力學(xué)建模的理論知識和簡化仿真難度，本聯(lián)合仿真 將忽略 空氣阻力等因素 ，并且把 4 個輸入的升力簡化為剛性作用力（見 圖 213） 。 對 三維模型中的 兩兩不發(fā)生相 對 移動部件 進行 布爾運算變成一個零部件 [22]， 如此可 以 將 飛行 器的零部件之間的約束關(guān)系確定 。 在 ADAMS 中 對導(dǎo) 入 進來 的 模型 ， 首先， 每個零 部件進行 質(zhì)量、材料、轉(zhuǎn)動慣量等相關(guān)屬性 編輯 。 所以將設(shè)計的四旋翼飛行器簡化 為 由 1 個機架、 4 個電機、 4 個旋翼和 1 個電池 組成 的 三維結(jié)構(gòu)模型 （ 見圖 212） 。 本課題選擇 在 SolidWorks 軟件 中 建立四旋翼飛行器 三維 模 型 ， 飛行器 三維模型如圖 211 所示。雖然ADAMS 具有 多種 建模 的 工具，但是在 ADAMS 軟件中 直接 建較復(fù)雜的三維模型是 很 困難的。 根據(jù) 四旋翼飛行器的飛行原理定義飛行器子系統(tǒng)的 4 個輸入量 為 [21]： 1 1 2 3 42 4 23 4 14 2 4 3 1U F F F FU F FU F FU F F F F? ? ? ??? ???? ???? ? ? ? ?? （ 221） 式 （ 221） 中 ： U1 為 垂直速度控制量 ； U2 滾轉(zhuǎn) 控制量 ； U3俯仰 速度控制量 ；U4偏航 速度控制量 。 從四旋翼 飛行器 的 飛行 狀態(tài)和受力 分析 ，四旋翼飛行器受到的力矩主要來自旋翼力矩 和 空氣阻力等作用的影響 。 將四旋翼飛行器 在慣性坐標系的線位移表示為 ? ?Tx y z ， 那么運動速度為? ?Tx y z 、 運動加速度為 ? ?Tx y z 。 佳木斯大學(xué)工學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 14 四旋翼 飛行器 動力學(xué)模型 建立 由 牛頓第二定律對飛行器進行動力學(xué)分析有 [19]： 22d v dF m a m m rdt dt? ? ? （ 213） 00 TBFF??? ?? （ 214） 其中， F 為 在飛行器上作用 的 外力和， FB 為四個 旋翼 產(chǎn)生 的升力， m 為飛行器的 總 質(zhì)量， v 為 在慣性 坐標系中 飛行 器 的 速度 矢量 。 根據(jù) 上述的假設(shè)， 采用 經(jīng)典力學(xué)理論 知識 對 四旋翼飛行器 在 垂直起降時 所受外力 進 行 分析 （ 見 圖 210） ： （ 1） 機體 的 重力 G的 方向 沿 z軸 負 方向 ； （ 2） 四個 電機帶動 槳葉 所產(chǎn)生的升力 Fi（ i=1， 2， 3， 4） ， 力 的方向 沿 z軸正 方向 ； （ 3） 垂直 起降 時旋翼 的傾轉(zhuǎn)角 。 為了便于描述慣性坐標和機體坐標的轉(zhuǎn)換關(guān)系，定義 3 個 歐拉角（ 見 圖 29）分別 表示 機體繞 x 軸， y 軸， z 軸旋轉(zhuǎn) 到 OYZ 平面 ， OXZ 平面 ， OXY 平面 投影的 角度 變化 ，這 3 個角度構(gòu)成飛行器的姿態(tài)角： （ 1） 滾轉(zhuǎn)角 ： 表示 四旋翼飛行做 滾轉(zhuǎn)運動 時繞 x 軸旋轉(zhuǎn) 在 OYZ 平面 上 的投影 形成 z 軸與 Z 軸、 y 軸 與 Y 軸的夾角 ； 佳木斯大學(xué)工學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 11 （ 2） 俯仰 角 ： 表示 四旋翼飛行器 做俯仰運動時繞 y 軸旋轉(zhuǎn) 在 OXZ 平面上的投影形成 z 軸與 Z 軸、 x 軸與 X 軸的夾角 ； （ 3） 偏航角 ： 表示四旋翼飛行器 做 偏航 運動時繞 z 軸旋轉(zhuǎn) 在 OXY 平面上的投影形成 x 軸 與 X 軸、 y 軸與 Y 軸的夾角 ； 圖 28 四旋翼 飛行器坐標系 圖 29 姿態(tài)角示意簡圖 從圖 29 中可以 得到機體坐標系轉(zhuǎn)換到慣性坐標系 的 姿態(tài)角 轉(zhuǎn)換 矩陣 [18]： 1 0 0( , ) 0 c os si n0 c os c osRx ? ? ??????????? （ 21） c os 0 sin( , ) 0 0 sin0 sin c osRy?????????????? （ 22） c o s sin 0(