地面目标低空跟踪系统指的是这样一种系统：在低空飞行的无人机上，携带摄像机的云台运动控制系统利用摄像机获得的视觉信息，自动调整机载云台的旋转和俯仰角度，使被跟踪的地面移动目标始终保持在摄像机的图像中心，并将图像和位置信息传回地面指挥中心。它是一个典型的光机电一体化系统，涉及图像处理、计算机视觉、自动控制、机械、电子、模式识别等诸多领域，可广泛应用于交通监管、车辆追踪、灾害救援等场合，具有广阔的应用前景。 地面目标低空跟踪系统中，无人机、摄像机和目标三者均在运动。目前，系统的研究焦点集中在图像处理方面，而机载云台的控制方法一般是负反馈控制。跟踪过程中，容易因无人机的飞行姿态变化引起摄像机视野偏离，导致目标丢失，或因无人机的飞行速度高而引起图像模糊，或因云台的速度波动大，导致图像跳动，不能连续稳定地跟踪目标。 在机器人技术的研究中，仿生技术日益受到关注。在对运动物体的跟踪方面，人眼具有独特的优势。人眼具有许多特殊的功能，如前庭动眼反射能自动快速补偿因头部运动引起的视线偏离，视动反射使人能看清运动背景里的物体，人眼的平滑追踪运动能使视线平滑地跟踪注视目标，等等。这些功能是由眼球运动中不同的运动形式实现的。人眼的这些功能为解决地面目标跟踪系统中上述机载云台运动控制的问题提供了启示。解剖学家、生理学家对眼球运动的神经信号传递回路的充分研究和国内外眼球运动控制的仿生研究为机载云台运动的仿生控制研究提供了坚实的研究基础和理论依据。 本论文从仿生的角度出发，根据人眼生理学和解剖学的基本特性和构造，利用现代控制理论来分析眼球运动控制神经系统，在建立了眼球三维运动控制系统模型的基础上，将其应用到地面目标低空跟踪系统的机载云台运动控制系统，对机载摄像机和无人机进行协调控制，将眼球的前庭动眼反射应用到自动补偿因无人机姿态变化引起的摄像机光轴偏离，将眼球的视动反射应用到高速运动背景里的目标跟踪，将眼球的平滑追踪运动应用到摄像机对地面目标的平滑跟踪，尽量使机载摄像机象人眼一样，连续、平滑、清晰、稳定地跟踪目标。本论文的研究工作主要有： 1.首先，对国内外地面目标跟踪系统的研究方法和现状进行了综述，分析和总结了现有系统的不足;然后，综述了国内外眼球运动仿生控制研究的方法、进展和现状，总结了研究的特点； 2.在人眼生理学和解剖学研究的基础上，根据控制眼球运动的神经回路，利用现代控制理论建立了能实现前庭动眼反射、视动反射、平滑追踪运动和复合运动的单眼眼球一维运动控制系统模型； 3.在眼球一维运动控制系统模型的基础上，根据目标三维运动与相应的眼球运动之间的关系，以及人的头部绕三个轴旋转时，半规管与前庭眼动反射之间的关系，建立了单眼眼球三维运动控制系统模型； 4.对本论文建立的眼球运动控制系统模型在与生理学实验相同的条件下，用Matlab分别进行了前庭动眼反射、视动反射和平滑追踪运动及复合运动的仿真实验。仿真实验的结果与生理学实验结果基本一致，证明了本论文建立的眼球运动控制系统模型是可行的。该模型根据头部运动和目标运动的不同情况，可实现人眼的前庭动眼反射、视动反射、平滑追踪运动和复合运动; 5.将本论文建立的眼球运动控制系统模型用于云台运动控制，进行了生理学实验类似条件下的前庭动眼反射、视动反射和平滑追踪运动对比实验，实验结果说明本论文建立的眼球运动控制系统模型用于实际机电系统后能产生类似生理学上的前庭动眼反射、视动反射和平滑追踪运动； 6.根据现代控制理论将本论文建立的眼球运动控制系统模型离散化，以便用微处理器编程，实时控制机载云台运动。然后，根据机载要求合作设计并构建了云台运动控制系统的硬件平台，同时完成了云台运动控制系统的软件编程工作； 7.建立了超小型无人旋翼机地面目标低空跟踪实验验证系统，先后进行了固定台面实验、移动导轨实验和野外跟踪实验。经过不断调试和改进，采用眼球运动控制系统模型的机载云台运动仿生控制系统实现了对机载摄像机和无人机的协调控制，机载摄像机能连续、稳定、清晰地跟踪地面移动目标； 8.为了对比采用眼球运动控制系统的仿生控制跟踪系统与传统的视觉反馈控制跟踪系统的跟踪效果，特别进行了前庭动眼反射、视动反射、平滑跟踪三组对比实验，实验结果表明采用眼球运动控制系统的仿生控制跟踪系统的跟踪效果优于传统的视觉反馈控制跟踪系统。 本论文的特色和创新点主要有： 1.将具有人眼生理学特性的眼球运动控制系统模型用于超小型无人机的机载云台运动控制系统，用人眼的前庭动眼反射补偿因无人机振动引起的视线偏离，用人眼的视动性反射跟踪运动背景里的目标，用人眼的平滑性眼球运动使视线平滑地跟踪目标。采用眼球运动控制系统模型的云台运动仿生控制系统考虑了无人机的飞行对机载摄像机的影响，实现了摄像机与无人机的协调控制； 2.在人眼生理学和解剖学研究的基础上，根据控制眼球运动的神经回路，利用现代控制理论首先建立了能实现前庭动眼反射、视动反射、平滑追踪运动和复合运动的单眼眼球一维运动控制系统模型；进而根据目标三维运动与相应的眼球运动之间的关系，以及人的头部绕三个轴旋转时，半规管与前庭眼动反射之间的关系，建立了单眼眼球三维运动控制系统模型； 3.目前眼球运动控制系统模型都是用于固定装置或固定的机器人头部，本论文将眼球运动控制系统模型应用于运动状态中的装置，即低空飞行无人机的机载云台上。